Charakterystyka prądowo-napięciowa
Charakterystyka prądowo-napięciowa lub krzywa I-V (krzywa prądowo-napięciowa) to zależność, zwykle przedstawiana w postaci wykresu lub wykresu, między prądem elektrycznym przepływającym przez obwód, urządzenie lub materiał, a odpowiadającym mu napięciem lub różnica potencjałów w To.
W elektronice
W elektronice zależność między prądem stałym ( DC ) przepływającym przez urządzenie elektroniczne a napięciem stałym na jego zaciskach nazywana jest charakterystyką prądowo-napięciową urządzenia. Elektronicy używają tych wykresów do określania podstawowych parametrów urządzenia i modelowania jego zachowania w obwodzie elektrycznym . Te charakterystyki są również znane jako krzywe I – V, odnoszące się do standardowych symboli prądu i napięcia.
W elementach elektronicznych z więcej niż dwoma zaciskami, takimi jak lampy próżniowe i tranzystory , zależność prąd-napięcie na jednej parze zacisków może zależeć od prądu lub napięcia na trzecim zacisku. Jest to zwykle wyświetlane na bardziej złożonym wykresie prąd-napięcie z wieloma krzywymi, z których każda przedstawia zależność prąd-napięcie przy innej wartości prądu lub napięcia na trzecim zacisku.
Na przykład diagram po prawej stronie przedstawia rodzinę krzywych I – V dla tranzystora MOSFET w funkcji napięcia drenu z przepięciem ( V GS - V th ) jako parametrem.
Najprostszą krzywą I – V jest krzywa rezystora , która zgodnie z prawem Ohma wykazuje liniową zależność między przyłożonym napięciem a wynikowym prądem elektrycznym ; prąd jest proporcjonalny do napięcia, więc krzywa I – V jest linią prostą przechodzącą przez początek z dodatnim nachyleniem . Odwrotność nachylenia jest równa oporowi .
Krzywą I–V elementu elektrycznego można zmierzyć za pomocą przyrządu zwanego krzywą kreślarską . Transkonduktancja i wczesne napięcie tranzystora to przykłady parametrów tradycyjnie mierzonych na podstawie krzywej I – V urządzenia.
Rodzaje krzywych I–V
Kształt krzywej charakterystycznej elementu elektrycznego wiele mówi o jego właściwościach eksploatacyjnych. Krzywe I – V różnych urządzeń można podzielić na kategorie:
- Aktywne vs pasywne : Urządzenia, których krzywe I-V są ograniczone do pierwszej i trzeciej ćwiartki płaszczyzny I-V, przechodzącej przez początek układu współrzędnych , są elementami pasywnymi (obciążeniami), które pobierają energię elektryczną z obwodu. Przykładami są rezystory i silniki elektryczne . Konwencjonalny prąd przepływa przez te urządzenia zawsze w kierunku pola elektrycznego , od dodatniego zacisku napięcia do ujemnego, więc ładunki tracą energię potencjalną w urządzeniu, która jest zamieniana na ciepło lub inną formę energii.
- Natomiast urządzenia z krzywymi I – V, które przechodzą przez drugą lub czwartą ćwiartkę, są elementami aktywnymi , źródłami energii , które mogą wytwarzać energię elektryczną. Przykładami są baterie i generatory . Kiedy działa w drugiej lub czwartej ćwiartce, prąd jest zmuszany do przepływu przez urządzenie od ujemnego do dodatniego zacisku napięciowego, wbrew przeciwnej sile pola elektrycznego, więc ładunki elektryczne zyskują energię potencjalną . W ten sposób urządzenie przekształca inną formę energii w energię elektryczną.
- Liniowy kontra nieliniowy : linia prosta przechodząca przez początek reprezentuje liniowy element obwodu , podczas gdy linia zakrzywiona reprezentuje element nieliniowy . Na przykład rezystory, kondensatory i cewki indukcyjne są liniowe, podczas gdy diody i tranzystory są nieliniowe. Krzywa I – V, która jest linią prostą przechodzącą przez początek układu współrzędnych z dodatnim nachyleniem , reprezentuje rezystor liniowy lub omowy, najczęściej spotykany rodzaj rezystancji w obwodach. Przestrzega prawa Ohma ; prąd jest proporcjonalny do przyłożonego napięcia w szerokim zakresie. Jego opór równy odwrotności nachylenia linii jest stały. Zakrzywiona linia I – V reprezentuje nieliniową rezystancję, taką jak dioda. W tym typie rezystancja zmienia się w zależności od przyłożonego napięcia lub prądu.
- Opór ujemny a opór dodatni : Jeśli krzywa I – V ma dodatnie nachylenie (rosnące w prawo), oznacza to dodatni opór. Krzywa I-V, która jest niemonotoniczna (posiada szczyty i doliny) przedstawia urządzenie, które ma ujemny opór . Obszary krzywej, które mają nachylenie ujemne (spadające w prawo) reprezentują obszary robocze, w których urządzenie ma ujemny opór różnicowy , podczas gdy obszary o nachyleniu dodatnim reprezentują dodatni opór różnicowy. Urządzenia o ujemnej rezystancji można wykorzystać do budowy wzmacniaczy i oscylatorów . Diody tunelowe i diody Gunna to przykłady elementów o ujemnej rezystancji.
- Histereza a jednowartościowa : Urządzenia z histerezą ; to znaczy, w którym zależność prąd-napięcie zależy nie tylko od aktualnie zastosowanego wejścia, ale także od historii wejść w przeszłości, mają krzywe I – V składające się z rodzin pętli zamkniętych. Każda gałąź pętli jest oznaczona strzałką w kierunku. cewki indukcyjne i transformatory z rdzeniem żelaznym , tyrystory, takie jak SCR i DIAC , oraz lampy wyładowcze , takie jak neony .
I – V podobna do krzywej charakterystycznej diody tunelowej . Ma ujemną rezystancję w zacienionym obszarze napięcia, między v 1 a v 2
DIAC I–V. V BO to napięcie przebicia .
diody Gunna , pokazująca ujemną rezystancję różnicową z histerezą (zwróć uwagę na strzałki)
W elektrofizjologii
Chociaż krzywe I – V mają zastosowanie w każdym systemie elektrycznym, znajdują szerokie zastosowanie w dziedzinie elektryczności biologicznej, szczególnie w poddziedzinie elektrofizjologii . W tym przypadku napięcie odnosi się do napięcia na błonie biologicznej, potencjału błony , a prąd to przepływ naładowanych jonów przez kanały w tej błonie. Prąd jest określany przez przewodnictwo tych kanałów.
W przypadku prądu jonowego przepływającego przez błony biologiczne prądy są mierzone od wewnątrz do zewnątrz. Oznacza to, że prądy dodatnie, znane jako „prąd zewnętrzny”, odpowiadają dodatnio naładowanym jonom przechodzącym przez błonę komórkową od wewnątrz na zewnątrz lub ujemnie naładowanemu jonowi przechodzącemu z zewnątrz do wewnątrz. Podobnie, prądy o wartości ujemnej są określane jako „prąd wewnętrzny”, co odpowiada dodatnio naładowanym jonom przechodzącym przez błonę komórkową z zewnątrz do wewnątrz lub ujemnie naładowanemu jonowi przechodzącemu z wnętrza na zewnątrz.
Rysunek po prawej pokazuje krzywą I – V, która jest bardziej odpowiednia dla prądów w pobudliwych błonach biologicznych (takich jak akson neuronu ) . Niebieska linia pokazuje zależność I – V dla jonu potasu. Należy zauważyć, że jest liniowy, co wskazuje na brak zależnego od napięcia bramkowania kanału jonowego potasu. Żółta linia pokazuje zależność I – V dla jonu sodu. Należy zauważyć, że nie jest liniowy, co wskazuje, że kanał jonowy sodu jest zależny od napięcia. Linia zielona wskazuje zależność I – V uzyskaną z sumowania prądów sodowych i potasowych. Jest to przybliżone do rzeczywistego potencjału błonowego i aktualnej zależności komórki zawierającej oba typy kanałów.