Вольт-амперная характеристика

Вольт-амперные характеристики четырех устройств: резистора с большим сопротивлением , резистора с малым сопротивлением, диода с P–N-переходом и аккумулятора с ненулевым внутренним сопротивлением. Горизонтальная ось представляет падение напряжения , вертикальная ось — ток . Все четыре графика используют пассивное соглашение о знаках .

Вольт -амперная характеристика или кривая ВАХ (кривая тока-напряжения) — это зависимость, обычно представленная в виде диаграммы или графика, между электрическим током, проходящим через цепь, устройство или материал, и соответствующим напряжением или разностью потенциалов. через него.

В электронике

В электронике зависимость между постоянным током (DC), проходящим через электронное устройство , и постоянным напряжением на его выводах называется вольт-амперной характеристикой устройства. Инженеры-электронщики используют эти диаграммы для определения основных параметров устройства и моделирования его поведения в электрической цепи . Эти характеристики также известны как кривые ВАХ, что соответствует стандартным символам тока и напряжения.

В электронных компонентах с более чем двумя выводами, таких как электронные лампы и транзисторы , соотношение ток-напряжение на одной паре выводов может зависеть от тока или напряжения на третьем выводе. Обычно это отображается на более сложном графике ток-напряжение с несколькими кривыми, каждая из которых представляет соотношение ток-напряжение при разном значении тока или напряжения на третьей клемме. ^[1]

Например, на диаграмме справа показано семейство кривых ВАХ для полевого МОП-транзистора в зависимости от напряжения стока с перенапряжением ( V _GS − V _th ) в качестве параметра.

Простейшая кривая ВАХ — это кривая резистора , которая согласно закону Ома демонстрирует линейную зависимость между приложенным напряжением и результирующим электрическим током ; ток пропорционален напряжению, поэтому кривая ВАХ представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат, с положительным наклоном . величина Обратная наклона равна сопротивлению .

Кривую ВАХ электрического компонента можно измерить с помощью прибора, называемого индикатором кривой . Крутизна примерами параметров , и раннее напряжение транзистора являются традиционно измеряемых по ВАХ устройства.

Типы ВАХ

Форма характеристической кривой электрического компонента многое говорит о его рабочих свойствах. ВАХ различных устройств можно сгруппировать по категориям:

Активные и пассивные : устройства, которые имеют кривые ВАХ, ограниченные первым и третьим квадрантами плоскости ВАХ, проходящие через начало координат , являются пассивными компонентами (нагрузками), которые потребляют электроэнергию из цепи. Примерами являются резисторы и электродвигатели . Обычный ток всегда течет через эти устройства в направлении электрического поля , от положительной клеммы напряжения к отрицательной, поэтому заряды теряют потенциальную энергию в устройстве, которая преобразуется в тепло или какую-либо другую форму энергии.

Напротив, устройства с ВАХ, которые проходят через второй или четвертый квадранты, являются активными компонентами , источниками энергии , которые могут производить электроэнергию. Примерами являются батареи и генераторы . Когда он работает во втором или четвертом квадранте, ток вынужден течь через устройство от отрицательного к положительному полюсу напряжения, преодолевая противодействующую силу электрического поля, поэтому электрические заряды приобретают потенциальную энергию . Таким образом, устройство преобразует какую-то другую форму энергии в электрическую.

Линейный и нелинейный : прямая линия, проходящая через начало координат, представляет линейный элемент схемы , а изогнутая линия представляет собой нелинейный элемент. Например, резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности являются линейными, а диоды и транзисторы — нелинейными. Кривая ВАХ, представляющая собой прямую линию, проходящую через начало координат, с положительным наклоном, представляет собой линейный или омический резистор, наиболее распространенный тип сопротивления, встречающийся в цепях. Оно подчиняется закону Ома ; ток пропорционален приложенному напряжению в широком диапазоне. Его сопротивление равно величине, обратной наклону линии, и является постоянным. Изогнутая линия ВАХ представляет собой нелинейное сопротивление, например диод. В этом типе сопротивление меняется в зависимости от приложенного напряжения или тока.
Отрицательное сопротивление против положительного сопротивления : если ВАХ имеет положительный наклон (увеличивается вправо), это представляет собой положительное сопротивление. ВАХ Немонотонная (с пиками и впадинами) представляет собой устройство с отрицательным сопротивлением . Области кривой с отрицательным наклоном (уклоняющиеся вправо) представляют собой рабочие области, в которых устройство имеет отрицательное дифференциальное сопротивление , а области с положительным наклоном представляют собой положительное дифференциальное сопротивление. Устройства с отрицательным сопротивлением можно использовать для изготовления усилителей и генераторов . Туннельные диоды и диоды Ганна являются примерами компонентов с отрицательным сопротивлением.
Гистерезис против однозначного значения : устройства с гистерезисом ; то есть, в которых соотношение ток-напряжение зависит не только от текущего приложенного входного сигнала, но и от прошлой истории входных сигналов, имеют ВАХ, состоящие из семейств замкнутых контуров. Каждая ветвь цикла отмечена направлением, обозначенным стрелкой. Примеры устройств с гистерезисом включают индукторы и трансформаторы с железным сердечником , тиристоры, такие как SCR и DIAC , и газоразрядные трубки, такие как неоновые лампы .

ВАХ аналогична характеристической кривой туннельного диода . Он имеет отрицательное сопротивление в заштрихованной области напряжения, между v ₁ и v _2.
DIAC IV кривая. V _BO – напряжение отключения .
мемристора ВАХ , показывающая сжатый гистерезис
диода Ганна , показывающая отрицательное дифференциальное сопротивление с гистерезисом (обратите внимание на стрелки) ВАХ

В электрофизиологии

Хотя кривые ВАХ применимы к любой электрической системе, они находят широкое применение в области биологического электричества, особенно в области электрофизиологии . В данном случае под напряжением понимают напряжение на биологической мембране, мембранный потенциал , а под током — поток заряженных ионов через каналы в этой мембране. Ток определяется проводимостями этих каналов.

В случае ионного тока через биологические мембраны токи измеряются изнутри наружу. То есть положительные токи, известные как «наружный ток», соответствуют положительно заряженным ионам, пересекающим клеточную мембрану изнутри наружу, или отрицательно заряженным ионам, пересекающим клеточную мембрану снаружи внутрь. Точно так же токи с отрицательным значением называются «входящим током», что соответствует положительно заряженным ионам, пересекающим клеточную мембрану снаружи внутрь, или отрицательно заряженным ионам, пересекающим клеточную мембрану изнутри наружу.

На рисунке справа показана ВАХ, которая больше соответствует токам в возбудимых биологических мембранах (таких как аксон нейрона ). Синяя линия показывает зависимость ВАХ для иона калия. Он линейный, что указывает на отсутствие зависящего от напряжения открытия калиевого ионного канала. Желтая линия показывает зависимость ВАХ для иона натрия. Он нелинейный, что указывает на то, что канал ионов натрия зависит от напряжения. Зеленая линия показывает соотношение ВАХ, полученное в результате суммирования токов натрия и калия. Это приблизительно соответствует фактическому мембранному потенциалу и току клетки, содержащей оба типа каналов.

См. также

Ссылки

^ Х. Дж. ван дер Бейл (1919). «Теория и рабочие характеристики темионного усилителя» . Труды ИРЭ . 7 (2). Институт радиоинженеров: 97–126. дои : 10.1109/JRPROC.1919.217425 .

[1] Х. Дж. ван дер Бейл (1919). «Теория и рабочие характеристики темионного усилителя» . Труды ИРЭ . 7 (2). Институт радиоинженеров: 97–126. дои : 10.1109/JRPROC.1919.217425 .

[1]