Ток-вольттық сипаттама (I-V қисығы) – электр тогы мен кернеу арасындағы байланыс. Электроникада құрылғылардың параметрін анықтауға және модельдеуге қолданылады.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Материал немесе құрылғыға қолданылатын кернеуге байланысты ток мөлшері.
Current output as a function of applied voltage for a material or device
Ток-кернеу сипаттамасы немесе I–V қисығы (ток-кернеу қисығы) – бұл схема, құрылғы немесе материал арқылы өтетін электр тогы мен оның бойындағы кернеу немесе потенциалдар айырмасы арасындағы қатынасты көрсететін кесте немесе график түріндегі байланыс.
A current–voltage characteristic or I–V curve (current–voltage curve) is a relationship, typically represented as a chart or graph, between the electric current through a circuit, device, or material, and the corresponding voltage, or potential difference, across it.
Электрондық техникада
Электрондық техникада электрондық құрылғы арқылы өтетін тұрақты ток (DC) пен оның қос терминалындағы DC кернеуі арасындағы қатынас құрылғының ток-кернеу сипаттамасы деп аталады. Электрондық инженерлер осы графикті құрылғының негізгі параметрлерін анықтау және оның электр тізбегіндегі мінез-құлқын модельдеу үшін пайдаланады. Бұл сипаттамалар сондай-ақ ток пен кернеудің стандартты белгілеріне сілтеме жасай отырып, I–V қисықтары деп те аталады. Екі терминалынан артық терминалы бар электрондық компоненттерде, мысалы, вакуумдық түтікшелер мен транзисторларда, бір жұп терминалдағы ток-кернеу қатынасы үшінші терминалдағы токқа немесе кернеуге байланысты болуы мүмкін. Мұндай жағдайда бұл әдетте бірнеше қисықтан тұратын күрделі ток-кернеу графигінде көрсетіледі, әр қисық үшінші терминалдағы ток немесе кернеудің әртүрлі мәніндегі ток-кернеу қатынасын көрсетеді. Мысалы, оң жақтағы суретте параметр ретінде артық кернеу (VGS − Vth) көрсетілген, ағызу кернеуіне тәуелді MOSFET үшін I–V қисықтарының жиынтығы бейнеленген. Ең қарапайым I–V қисығы – резистордың қисығы, ол Ом заңына сәйкес, қолданылған кернеу мен нәтижедегі электр тогы арасындағы сызықтық байланысты көрсетеді; ток кернеуге пропорционал, сондықтан I–V қисығы бастапқы нүкте арқылы өтетін оң еңісті түзу сызық болып табылады. Еңістің кері шамасы кедергіге тең. Электр компонентінің I–V қисығын өлшеу үшін қисық трассировкалағыш деп аталатын құрал қолданылады. Транзистордың транзисторы және ерте кернеуі – құрылғының I–V қисығынан дәстүрлі түрде өлшенетін параметрлердің мысалдары.
In electronics, the relationship between the direct current (DC) through an electronic device and the DC voltage across its terminals is called a current–voltage characteristic of the device. Electronic engineers use these charts to determine basic parameters of a device and to model its behavior in an electrical circuit. These characteristics are also known as I–V curves, referring to the standard symbols for current and voltage. In electronic components with more than two terminals, such as vacuum tubes and transistors, the current–voltage relationship at one pair of terminals may depend on the current or voltage on a third terminal. This is usually displayed on a more complex current–voltage graph with multiple curves, each one representing the current–voltage relationship at a different value of current or voltage on the third terminal. For example the diagram at right shows a family of I–V curves for a MOSFET as a function of drain voltage with overvoltage (VGS − Vth) as a parameter. The simplest I–V curve is that of a resistor, which according to Ohm's law exhibits a linear relationship between the applied voltage and the resulting electric current; the current is proportional to the voltage, so the I–V curve is a straight line through the origin with positive slope. The reciprocal of the slope is equal to the resistance. The I–V curve of an electrical component can be measured with an instrument called a curve tracer. The transconductance and Early voltage of a transistor are examples of parameters traditionally measured from the device's I–V curve.
IV қисықтардың түрлері
Электрлік компоненттің сипаттамалық қисығының пішіні оның жұмыс қасиеттері туралы көп мәлімет береді. Әртүрлі құрылғылардың I–V қисықтары келесі категорияларға жіктеледі:
The shape of an electrical component's characteristic curve reveals much about its operating properties. I–V curves of different devices can be grouped into categories:
Активті және пассивті: I–V жазықтығының бірінші және үшінші квадранттарымен шектелген және бастапқы нүктеден өтетін I–V қисықтары бар құрылғылар – пассивті компоненттер (жүктемелер), олар тізбектен электр қуатын тұтынады. Мысалдары: резисторлар және электр моторлары. Конвенциялық ток осы құрылғылар арқылы әрқашан оң кернеу терминалынан теріс кернеу терминалына қарай электр өрісінің бағытында ағып өтеді, сондықтан зарядтар құрылғыда потенциалдық энергиясын жоғалтады, ол жылуға немесе энергияның басқа түріне айналады. Керісінше, екінші немесе төртінші квадранттар арқылы өтетін I–V қисықтары бар құрылғылар – активті компоненттер, қуат көздері, олар электр қуатын өндіре алады. Мысалдар: батареялар және генераторлар. Екінші немесе төртінші квадрантта жұмыс істегенде ток электр өрісінің қарсы күшіне қарсы тұрып, құрылғы арқылы теріс кернеу терминалынан оң кернеу терминалына ағып өтеді, сондықтан электр зарядтары потенциалдық энергияны жинақтайды. Осылайша құрылғы энергияның басқа түрін электр энергиясына айналдырады. Сызықтық және сызықтық емес: бастапқы нүкте арқылы өтетін түзу сызық – сызықтық тізбек элементін, ал қисық сызық – сызықтық емес элементті көрсетеді. Мысалы, резисторлар, конденсаторлар және индукторлар сызықтық, ал диодтар мен транзисторлар сызықтық емес. Бастапқы нүкте арқылы өтетін оң көлбеулі түзу сызық I–V қисығы сызықтық немесе омикалық кедергіні көрсетеді, бұл тізбектерде ең көп кездесетін кедергі түрі. Ол Ом заңына бағынады; ток кең ауқымда қолданылатын кернеуге пропорционал. Оның кедергісі, сызықтың көлбеулігінің кері шамасына тең, тұрақты. И–V қисығы диод сияқты сызықтық емес кедергіні көрсетеді. Бұл типтегі кедергі қолданылатын кернеуге немесе токқа байланысты өзгереді. Теріс кедергіге қарсы оң кедергі: Егер I–V қисығының оң көлбеуі болса (оңға қарай өседі), ол оң кедергіні көрсетеді. Монотонды емес (жоғарғы және төменгі нүктелері бар) I–V қисығы теріс кедергіге ие құрылғыны көрсетеді. Қисықтың теріс көлбеуі бар аймақтары (оңға қарай төмендеу) құрылғының теріс дифференциалдық кедергісі бар жұмыс аймақтарын, ал оң көлбеуі бар аймақтары оң дифференциалдық кедергісін көрсетеді. Теріс кедергі құрылғыларын күшейткіштер мен генераторлар жасау үшін пайдалануға болады. Туннельді диодтар мен Ганн диодтары теріс кедергіге ие компоненттердің мысалы болып табылады. Гистерезис және бірмәнділік: Гистерезисі бар құрылғылар; яғни, ток-кернеу арақатынасы қазіргі қолданылатын кіріске ғана емес, сонымен қатар кіріс тарихының өткеніне де байланысты, I–V қисықтары жабық циклдердің отбасынан тұрады. Циклдің әрбір тармағы бағытын көрсететін жебемен белгіленеді. Гистерезисті құрылғыларға мысалдар: темір өздігі бар индукторлар мен трансформаторлар, SCR және DIAC сияқты тиристорлар және неон шамдары сияқты газды шығару түтікшелері.
Active vs passive: Devices which have I–V curves which are limited to the first and third quadrants of the I–V plane, passing through the origin, are passive components (loads), that consume electric power from the circuit. Examples are resistors and electric motors. Conventional current always flows through these devices in the direction of the electric field, from the positive voltage terminal to the negative, so the charges lose potential energy in the device, which is converted to heat or some other form of energy. In contrast, devices with I–V curves which pass through the second or fourth quadrants are active components, power sources, which can produce electric power. Examples are batteries and generators. When it is operating in the second or fourth quadrant, current is forced to flow through the device from the negative to the positive voltage terminal, against the opposing force of the electric field, so the electric charges are gaining potential energy. Thus the device is converting some other form of energy into electric energy. Linear vs nonlinear: A straight line through the origin represents a linear circuit element, while a curved line represents a nonlinear element. For example, resistors, capacitors, and inductors are linear, while diodes and transistors are nonlinear. An I–V curve which is a straight line through the origin with positive slope represents a linear or ohmic resistor, the most common type of resistance encountered in circuits. It obeys Ohm's law; the current is proportional to the applied voltage over a wide range. Its resistance, equal to the reciprocal of the slope of the line, is constant. A curved I–V line represents a nonlinear resistance, such as a diode. In this type the resistance varies with the applied voltage or current. Negative resistance vs positive resistance: If the I–V curve has a positive slope (increasing to the right) throughout, it represents a positive resistance. An I–V curve that is nonmonotonic (having peaks and valleys) represents a device which has negative resistance. Regions of the curve which have a negative slope (declining to the right) represent operating regions where the device has negative differential resistance, while regions of positive slope represent positive differential resistance. Negative resistance devices can be used to make amplifiers and oscillators. Tunnel diodes and Gunn diodes are examples of components that have negative resistance. Hysteresis vs single valued: Devices which have hysteresis; that is, in which the current–voltage relation depends not only on the present applied input but also on the past history of inputs, have I–V curves consisting of families of closed loops. Each branch of the loop is marked with a direction represented by an arrow. Examples of devices with hysteresis include iron core inductors and transformers, thyristors such as SCRs and DIACs, and gas discharge tubes such as neon lights.
Электрофизиологияда
I–V қисықтары кез келген электр жүйесіне қолданыла алады, бірақ олар биологиялық электр саласында, әсіресе электрофизиологияның тармағында кеңінен қолданылады. Бұл жағдайда кернеу – биологиялық мембранадағы кернеу, яғни мембраналық потенциал, ал ток – осы мембранадағы каналдар арқылы зарядталған иондардың ағыны. Ток мөлшері осы каналдардың өткізгіштігімен анықталады. Биологиялық мембраналар арқылы иондық ток өлшенгенде, ток іштен сыртқа қарай бағаланады. Яғни, оң токтар, "сыртқа қарай ағын" деп аталады, ол жасуша мембранасынан іштен сыртқа қарай өтетін оң зарядталған иондарға немесе сырттан ішке қарай өтетін теріс зарядталған иондарға сәйкес келеді. Сол сияқты, теріс мәнді токтар "ішке қарай ағын" деп аталады, ол жасуша мембранасынан сырттан ішке қарай өтетін оң зарядталған иондарға немесе іштен сыртқа қарай өтетін теріс зарядталған иондарға сәйкес келеді. Оң жақтағы суретте қозғыш биологиялық мембраналардағы (мысалы, нейрон аксонындағы) токқа қатысты I–V қисығы көрсетілген. Көк түсті сызық калий ионының I–V қатынасын көрсетеді. Ол сызықтық, яғни калий ион каналының кернеуге тәуелді жабылуы жоқ екенін көрсетеді. Сары түсті сызық натрий ионының I–V қатынасын көрсетеді. Ол сызықтық емес, яғни натрий ион каналы кернеуге тәуелді екенін көрсетеді. Жасыл түсті сызық натрий және калий тогын қосу арқылы алынған I–V қатынасын көрсетеді. Бұл екі типті каналды қамтитын жасушаның нақты мембраналық потенциалы мен ток арасындағы қатынасты шамамен көрсетеді.
While I–V curves are applicable to any electrical system, they find wide use in the field of biological electricity, particularly in the sub field of electrophysiology. In this case, the voltage refers to the voltage across a biological membrane, a membrane potential, and the current is the flow of charged ions through channels in this membrane. The current is determined by the conductances of these channels. In the case of ionic current across biological membranes, currents are measured from inside to outside. That is, positive currents, known as "outward current", corresponding to positively charged ions crossing a cell membrane from the inside to the outside, or a negatively charged ion crossing from the outside to the inside. Similarly, currents with a negative value are referred to as "inward current", corresponding to positively charged ions crossing a cell membrane from the outside to the inside, or a negatively charged ion crossing from inside to outside. The figure to the right shows an I–V curve that is more relevant to the currents in excitable biological membranes (such as a neuronal axon). The blue line shows the I–V relationship for the potassium ion. It is linear, indicating no voltage dependent gating of the potassium ion channel. The yellow line shows the I–V relationship for the sodium ion. It is not linear, indicating that the sodium ion channel is voltage dependent. The green line indicates the I–V relationship derived from summing the sodium and potassium currents. This approximates the actual membrane potential and current relationship of a cell containing both types of channel.