Вольт -амперная характеристика или кривая I–V (вольт-амперная характеристика) — это зависимость, обычно представленная в виде диаграммы или графика, между электрическим током, протекающим через цепь, устройство или материал, и соответствующим напряжением или разностью потенциалов на нем.
В электронике
Зависимость тока стока МОП-транзистора от напряжения сток-исток для нескольких значений напряжения перегрузки ; граница между линейным ( омическим ) и насыщенным ( активным ) режимами обозначена восходящей изогнутой параболой.
В электронике соотношение между постоянным током (DC) через электронное устройство и постоянным напряжением на его клеммах называется вольт-амперной характеристикой устройства. Инженеры-электронщики используют эти графики для определения основных параметров устройства и моделирования его поведения в электрической цепи . Эти характеристики также известны как кривые I–V, ссылаясь на стандартные символы для тока и напряжения.
В электронных компонентах с более чем двумя выводами, таких как вакуумные трубки и транзисторы , соотношение тока и напряжения на одной паре выводов может зависеть от тока или напряжения на третьем выводе. Обычно это отображается на более сложном графике тока и напряжения с несколькими кривыми, каждая из которых представляет соотношение тока и напряжения при разных значениях тока или напряжения на третьем выводе. [1]
Например, на диаграмме справа показано семейство кривых I–V для МОП-транзистора в зависимости от напряжения стока с перенапряжением ( V GS − V th ) в качестве параметра.
Простейшая кривая I–V — это кривая резистора , которая согласно закону Ома демонстрирует линейную зависимость между приложенным напряжением и результирующим электрическим током ; ток пропорционален напряжению, поэтому кривая I–V представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат с положительным наклоном . Обратная величина наклона равна сопротивлению .
Форма характеристической кривой электрического компонента многое говорит о его рабочих свойствах. Кривые I–V различных устройств можно сгруппировать в категории:
Квадранты плоскости I–V . Источники питания имеют кривые, проходящие через красные области.
Активный против пассивного : Устройства, имеющие кривые I–V, которые ограничены первым и третьим квадрантами плоскости I–V, проходящей 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 положительного вывода напряжения к отрицательному, поэтому заряды теряют потенциальную энергию в устройстве, которая преобразуется в тепло или какую-либо другую форму энергии.
Напротив, устройства с кривыми I–V, которые проходят через второй или четвертый квадранты, являются активными компонентами , источниками питания , которые могут вырабатывать электроэнергию. Примерами являются батареи и генераторы . Когда он работает во втором или четвертом квадранте, ток вынужден течь через устройство от отрицательного к положительному выводу напряжения, против противодействующей силы электрического поля, поэтому электрические заряды приобретают потенциальную энергию . Таким образом, устройство преобразует некоторую другую форму энергии в электрическую энергию.
Линейный против нелинейного : прямая линия, проходящая через начало координат, представляет собой линейный элемент цепи , в то время как кривая линия представляет собой нелинейный элемент. Например, резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности являются линейными, в то время как диоды и транзисторы являются нелинейными. Кривая I–V, которая является прямой линией, проходящей через начало координат с положительным наклоном, представляет собой линейный или омический резистор, наиболее распространенный тип сопротивления, встречающийся в цепях. Он подчиняется закону Ома ; ток пропорционален приложенному напряжению в широком диапазоне. Его сопротивление , равное обратной величине наклона линии, является постоянным. Кривая I–V представляет собой нелинейное сопротивление, такое как диод. В этом типе сопротивление изменяется в зависимости от приложенного напряжения или тока.
Отрицательное сопротивление против положительного сопротивления : если кривая I–V имеет положительный наклон (увеличивается вправо) на всем протяжении, она представляет положительное сопротивление. Кривая I–V, которая немонотонна (имеет пики и спады), представляет устройство, которое имеет отрицательное сопротивление . Области кривой, которые имеют отрицательный наклон (снижается вправо), представляют рабочие области, в которых устройство имеет отрицательное дифференциальное сопротивление , в то время как области положительного наклона представляют положительное дифференциальное сопротивление. Устройства с отрицательным сопротивлением могут использоваться для создания усилителей и генераторов . Туннельные диоды и диоды Ганна являются примерами компонентов, которые имеют отрицательное сопротивление.
Гистерезис против однозначных : Устройства, которые имеют гистерезис ; то есть, в которых отношение тока к напряжению зависит не только от текущего приложенного входа, но и от прошлой истории входов, имеют кривые I–V, состоящие из семейств замкнутых контуров. Каждая ветвь контура отмечена направлением, представленным стрелкой. Примерами устройств с гистерезисом являются индукторы и трансформаторы с железным сердечником , тиристоры, такие как SCR и DIAC , и газоразрядные трубки, такие как неоновые лампы .
I–V- кривая похожа на характеристику туннельного диода . Имеет отрицательное сопротивление в заштрихованной области напряжения, между v 1 и v 2
Кривая I–V диода Ганна , показывающая отрицательное дифференциальное сопротивление с гистерезисом (обратите внимание на стрелки)
В электрофизиологии
Аппроксимация компонентов ионов калия и натрия так называемой «целоклеточной» ВАХ нейрона.
Хотя кривые I–V применимы к любой электрической системе, они находят широкое применение в области биологического электричества, особенно в подобласти электрофизиологии . В этом случае напряжение относится к напряжению на биологической мембране, мембранному потенциалу , а ток — это поток заряженных ионов через каналы в этой мембране. Ток определяется проводимостью этих каналов.
В случае ионного тока через биологические мембраны токи измеряются изнутри наружу. То есть положительные токи, известные как «выходящий ток», соответствуют положительно заряженным ионам, пересекающим клеточную мембрану изнутри наружу, или отрицательно заряженным ионам, пересекающим клеточную мембрану снаружи внутрь. Аналогично, токи с отрицательным значением называются «внутренним током», соответствующим положительно заряженным ионам, пересекающим клеточную мембрану снаружи внутрь, или отрицательно заряженным ионам, пересекающим клеточную мембрану изнутри наружу.
На рисунке справа показана кривая I–V, которая больше соответствует токам в возбудимых биологических мембранах (таких как аксон нейрона ). Синяя линия показывает зависимость I–V для иона калия. Она линейна, что указывает на отсутствие зависящего от напряжения стробирования канала иона калия. Желтая линия показывает зависимость I–V для иона натрия. Она нелинейна, что указывает на то, что канал иона натрия зависит от напряжения. Зеленая линия показывает зависимость I–V, полученную путем суммирования токов натрия и калия. Это приблизительно соответствует фактическому мембранному потенциалу и зависимости тока клетки, содержащей оба типа каналов.
Смотрите также
На Викискладе есть медиафайлы по теме « Вольт-амперные характеристики устройств» .
^ HJ van der Bijl (1919). «Теория и эксплуатационные характеристики темионного усилителя». Труды IRE . 7 (2). Институт радиоинженеров: 97–126. doi :10.1109/JRPROC.1919.217425.
