Вольт-амперная характеристика: описание и применение.

Введение

Выходной ток как функция приложенного напряжения для материала или устройства.

Вольт-амперная характеристика или ВАХ (кривая ток-напряжение) — это зависимость, обычно представляемая в виде диаграммы или графика, между электрическим током, протекающим через схему, устройство или материал, и соответствующим напряжением или разностью потенциалов на нем.

В электронике

В электронике соотношение между постоянным током (DC), протекающим через электронное устройство, и постоянным напряжением (DC) на его выводах называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) устройства. Инженеры-электроники используют эти графики для определения основных параметров устройства и моделирования его поведения в электрической цепи. Эти характеристики также известны как I–V кривые, что отражает стандартные обозначения тока и напряжения. В электронных компонентах с более чем двумя выводами, таких как вакуумные лампы и транзисторы, соотношение между током и напряжением на одной паре выводов может зависеть от тока или напряжения на третьем выводе. Это обычно отображается на более сложном графике ВАХ, содержащем несколько кривых, каждая из которых представляет соотношение тока и напряжения при определенном значении тока или напряжения на третьем выводе. Например, диаграмма справа показывает семейство I–V кривых для MOSFET в зависимости от напряжения стока, где перенапряжение (VGS − Vth) выступает в качестве параметра. Самая простая I–V кривая – это кривая резистора, которая, согласно закону Ома, демонстрирует линейную зависимость между приложенным напряжением и результирующим электрическим током; ток пропорционален напряжению, поэтому I–V кривая представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат с положительным наклоном. Обратная величина наклона равна сопротивлению. Вольт-амперную характеристику (ВАХ) электрического компонента можно измерить с помощью прибора, называемого развертывателем кривых. Транспроводимость и напряжение Эрли транзистора являются примерами параметров, которые традиционно измеряются по I–V кривой устройства.

Типы кривых IV

Форма характеристической кривой электрического компонента многое говорит о его рабочих свойствах. I–V кривые различных устройств можно сгруппировать по категориям:

Активные и пассивные: Устройства, имеющие I–V кривые, ограниченные первым и третьим квадрантами I–V плоскости и проходящие через начало координат, являются пассивными компонентами (нагрузками), потребляющими электрическую мощность из цепи. Примерами служат резисторы и электродвигатели. Обычный ток всегда протекает через эти устройства в направлении электрического поля, от положительного к отрицательному напряжению, поэтому заряды теряют потенциальную энергию в устройстве, которая преобразуется в тепло или другую форму энергии. В отличие от них, устройства с I–V кривыми, проходящими через второй или четвертый квадранты, являются активными компонентами, источниками энергии, способными генерировать электрическую мощность. Примерами являются батареи и генераторы. При работе во втором или четвертом квадранте ток вынужден протекать через устройство от отрицательного к положительному напряжению, против направления силы электрического поля, в результате чего электрические заряды приобретают потенциальную энергию. Таким образом, устройство преобразует другую форму энергии в электрическую. Линейные и нелинейные: прямая линия, проходящая через начало координат, представляет собой линейный элемент схемы, а кривая линия – нелинейный элемент. Например, резисторы, конденсаторы и индукторы являются линейными, а диоды и транзисторы – нелинейными. I–V кривая, представляющая собой прямую линию, проходящую через начало координат с положительным наклоном, представляет собой линейный или омический резистор – наиболее распространенный тип сопротивления, встречающийся в схемах. Он подчиняется закону Ома: ток пропорционален приложенному напряжению в широком диапазоне. Его сопротивление, равное обратному наклону прямой, постоянно. Изогнутая I–V кривая представляет собой нелинейное сопротивление, такое как диод. В этом типе сопротивление изменяется в зависимости от приложенного напряжения или тока. Отрицательное и положительное сопротивление: Если I–V кривая имеет положительный наклон (возрастает вправо) на всем протяжении, она представляет собой положительное сопротивление. I–V кривая, не являющаяся монотонной (имеющая пики и впадины), представляет собой устройство с отрицательным сопротивлением. Участки кривой с отрицательным наклоном (уменьшающиеся вправо) представляют собой рабочие области, где устройство имеет отрицательное дифференциальное сопротивление, а участки с положительным наклоном – положительное дифференциальное сопротивление. Устройства с отрицательным сопротивлением могут использоваться для создания усилителей и генераторов. Туннельные диоды и диоды Ганна являются примерами компонентов с отрицательным сопротивлением. Гистерезис и однозначное значение: Устройства, обладающие гистерезисом, то есть, в которых зависимость между током и напряжением зависит не только от текущего приложенного входного сигнала, но и от предшествующей истории входных сигналов, имеют I–V кривые, состоящие из семейства замкнутых петель. Каждая ветвь петли отмечена направлением, указанным стрелкой. Примерами устройств с гистерезисом являются индукторы и трансформаторы с железным сердечником, тиристоры, такие как SCR и DIAC, и газоразрядные лампы, такие как неоновые лампы.

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.

В электрофизиологии

Хотя вольт-амперные характеристики (В-А кривые) применимы к любой электрической системе, они широко используются в области биологического электричества, особенно в подразделах электрофизиологии. В этом случае напряжение относится к напряжению на биологической мембране, то есть мембранному потенциалу, а ток – к потоку заряженных ионов через каналы в этой мембране. Величина тока определяется проводимостью этих каналов. При измерении ионного тока через биологические мембраны ток измеряется от внутренней стороны мембраны к внешней. Таким образом, положительные токи, известные как "исходящий ток", соответствуют перемещению положительно заряженных ионов изнутри клетки наружу, или отрицательно заряженных ионов снаружи внутрь. Аналогично, токи с отрицательным значением называются "входящим током", соответствующим перемещению положительно заряженных ионов снаружи клетки внутрь, или отрицательно заряженных ионов изнутри наружу. На рисунке справа представлена В-А кривая, более характерная для токов в возбудимых биологических мембранах (например, в аксоне нейрона). Синяя линия отображает зависимость В-А для ионов калия. Она линейна, что указывает на отсутствие вольтаж-зависимой активации калиевого канала. Желтая линия отображает зависимость В-А для ионов натрия. Она нелинейна, что свидетельствует о вольтаж-зависимости натриевого канала. Зеленая линия показывает зависимость В-А, полученную путем суммирования натриевого и калиевого токов. Это приближает фактическую зависимость мембранного потенциала и тока в клетке, содержащей оба типа каналов.