Тема, важная для понимания каждым электриком

Магазин Gtest(R) предлагает широкую номенклатуру осциллографов на приводимой страничке сайта в самом конце настоящего Раздела, а также рекомендуемые приборы и статьи для самообразования  

В этой статье обсуждаются кривые вольт-амперного напряжения для пассивных компонентов, источников напряжения и источников тока.

Соотношение тока (I) и напряжения (V) электрических компонентов часто может дать представление о том, как используются электронные устройства. В частности, многие нелинейные устройства, такие как диоды и транзисторы, используются в рабочих областях, в которых они представляют собой идеальные компоненты, например, источники тока, регуляторы напряжения и резисторы.

Понимание ВАХ часто дает представление о том, как работает устройство, и помогает нам понять, как управлять источником таким образом, чтобы обеспечить требуемую функциональность.

Мы начнем с рассмотрения того, как получить ВАХ для любого компонента.

Получение ВАХ

Метод 1: Сканирование напряжения

Соотношение ток-напряжение (IV) для устройства представляет собой ток, измеренный при заданном напряжении. Для устройств, которые не подают питание, кривые ВАХ получаются с помощью линейной развертки напряжения. Развертка напряжения включает линейное изменение напряжения для получения соответствующего измеренного выходного тока. Поскольку невозможно физически охватить все напряжения в одно мгновение, важно понимать, что эти измерения производятся также и во времени.

Рисунок 1.1 иллюстрирует перевод развертки напряжения во времени (V vs t) на ось X графика ток-напряжение (I vs V). Важно понимать, что информация V vs t неявно присутствует на кривой I vs V. Понятие времени актуально для компонентов, которые реагируют на изменение напряжения (например, конденсатор), а не на мгновенное напряжение (как в случае с резистором).

Рисунок 1.1 (a): Линейная развертка напряжения (В) по времени (t); (b): соответствующая развертка напряжения на кривой ток (I) - напряжение (V).

Если у вас есть устройство, которое подает напряжение или ток, например аккумулятор, солнечная панель или обычный источник питания, вы не можете изменить напряжение на устройстве, поскольку устройство генерирует определенное напряжение или ток. Для этих устройств ВАХ получаются путем переключения нагрузки.

Способ 2: переключение нагрузки

Переключение нагрузки — это метод, который включает измерение тока, подаваемого источником питания, при изменении сопротивления нагрузки. Нагрузка — это устройство, на которое подается электроэнергия, где мощность определяется как P = V⋅IP = V⋅I.

Обычно в качестве нагрузки для измерения мощности, отдаваемой источником тока или напряжения, используют резистор, поскольку они представляют собой линейные устройства, не обладающие свойствами гистерезиса, т. е. работа резистора не зависит от его предыдущего состояния. Поскольку устройства могут работать как с малыми значениями сопротивления (1-10 Ом), так и с большими значениями сопротивления (10-1000 кОм), резисторы изменяются логарифмически, т. е. от 10 до 100, до 1000 и так далее.

Ток, подаваемый источником питания, измеряется амперметром для каждого значения сопротивления нагрузки, показанного на рисунке 1.2(b), а напряжение на нагрузке измеряется с помощью вольтметра, показанного на рисунке 1.2(c).

Рисунок 1.2 (a) Принципиальная схема измерения ВАХ при переключении нагрузки; Здесь показан пример идеального источника напряжения. Величину RL варьируют в большом диапазоне и для каждого значения сопротивления измеряют напряжение (б) и ток (в).

Обратите внимание, что на рисунке 1.2(c) логарифмическое значение тока (по основанию 10) уменьшается линейно. Это связано с тем, что резистор подчиняется закону Ома, и это идеальный источник напряжения с фиксированным напряжением VS; поскольку значение сопротивления увеличивается логарифмически, значение тока логарифмически уменьшается. Методы переключения нагрузки используются для измерения вольт-амперных характеристик устройств и цепей, подающих электроэнергию, таких как цепи регуляторов напряжения, солнечные элементы и батареи.

ВАХ идеальных компонентов

Используя линейную развертку напряжения и переключение нагрузки, мы теперь рассмотрим ВАХ идеальных компонентов. Обычно, если для работы устройства требуется питание, используется метод качания напряжения.

С другой стороны, если устройство выступает в качестве источника питания, используется метод переключения нагрузки. Основываясь на их основных определениях, мы можем получить ВАХ идеальных пассивных компонентов (резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности), используя концепцию линейной развертки напряжения. Мы будем использовать концепцию переключения нагрузки для кривых IV идеального источника напряжения и идеального источника тока.

Идеальный резистор

Начнем с одного из наиболее знакомых идеальных компонентов: резистора.

Резистор — это компонент, который представляет собой линейную зависимость между напряжением и током, определяемую законом Ома, т. е. V = I⋅RV = I⋅R. Графическое представление ВАХ уравнения закона Ома представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2. ВАХ идеального резистора представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат.

Идеальный источник напряжения

Идеальный источник напряжения — это компонент, который может обеспечивать фиксированное напряжение независимо от тока, подаваемого на нагрузку.

Например, предположим, что источник напряжения 10 В подключен к резистору. Если номинал резистора составляет 10кОм, то ток, потребляемый резистором от источника напряжения, будет определяться законом Ома, который равен I = VR = 10V 10кОм = 1мАI = VR =10V 10кОм = 1mA. Если номинал резистора составляет 1 Ом, то потребляемый ток составит 10 А!

Реальный источник напряжения ограничен по величине тока, который он может подавать при данном напряжении, а идеальный источник напряжения - нет. Следовательно, кривая IV для идеального источника напряжения будет представлять собой прямую линию, параллельную оси Y (см. Рисунок 3). Эмпирическую ВАХ для реального источника напряжения можно получить с помощью метода переключения нагрузки.

Рисунок 3. Кривая IV идеального источника напряжения представляет собой прямую линию, параллельную оси тока (I), т. е. независимо от тока, проходящего через устройство, напряжение не изменится.

Стабилитрон — это нелинейное пассивное устройство, которое используется в качестве стабилизатора напряжения при обратном смещении. (Идеализированная) кривая ВАХ стабилитрона с обратным смещением показывает, что он остается при определенном напряжении (определяемом производственным процессом) независимо от тока, проходящего через него. В следующей статье мы рассмотрим ВАХ стабилитрона.

Идеальный источник тока

Идеальный источник тока — это компонент, который может обеспечивать фиксированный ток независимо от напряжения на самом компоненте. Другими словами, идеальный источник тока 5 А будет подавать ровно 5 А на нагрузочный резистор сопротивлением 1 Ом или резистор 1 кОм, даже несмотря на то, что второй резистор будет генерировать падение напряжения на 5000 В! Это крайне непрактично, но, тем не менее, идеальные источники тока являются полезными инструментами при анализе цепей.

Кривая IV для идеального источника тока представляет собой прямую линию, параллельную оси X (см. рисунок 4). Эмпирическую ВАХ для реального источника тока можно получить с помощью метода переключения нагрузки.

Рисунок 4. ВАХ идеального источника тока представляет собой прямую линию, параллельную оси напряжения; т. е. ток, текущий от источника, одинаков независимо от напряжения на нем.

Хотя «источники тока» не так распространены, как источники напряжения, многие аналоговые транзисторные схемы смещаются с использованием источника постоянного тока. Кроме того, МОП-транзистор, работающий в области насыщения, демонстрирует поведение, аналогичное поведению источника тока (управляемого напряжением).

Идеальный конденсатор

В резисторе напряжение определяется сопротивлением и током, протекающим через резистор. Конденсаторы и катушки индуктивности принципиально отличаются тем, что их соотношение ток-напряжение зависит от скорости изменения. В случае конденсатора ток через конденсатор в любой данный момент представляет собой произведение емкости и скорости изменения (т. Е. Производной по времени) напряжения на конденсаторе.

I = C⋅dVdtI = C⋅dVdt

Поскольку мы используем линейную развертку напряжения, ток через конденсатор остается постоянным при увеличении или уменьшении напряжения. Когда напряжение меняется с положительного наклона (показано синим цветом на рисунке 5) на отрицательный (оранжевый), направление тока меняется на противоположное; на графике зависимости тока от времени это представлено как переход от участка графика с положительным током к участку графика с отрицательным током.

Рисунок 5 (а) Линейная развертка напряжения и (б) зависимость тока соответствующего конденсатора от времени.

Зависимость ВАХ идеального конденсатора показана на рисунке 6. Величина тока постоянна, но необходимы две горизонтальные линии, поскольку направление тока меняется в зависимости от того, перемещается ли напряжение от V1 к V2 или от V2 к V1. Когда напряжение имеет положительную скорость изменения, ток является положительным (обозначается синей стрелкой); когда напряжение имеет отрицательную скорость изменения, ток отрицательный (обозначен оранжевой стрелкой).

Рисунок 6. Кривая ВАХ для идеального конденсатора, основанная на развертке напряжения, показанной на рисунке 5.

Идеальный индуктор

Напряжение на индукторе представляет собой произведение индуктивности и скорости изменения тока, протекающего через индуктор:

V = L⋅dIdtV = L⋅dIdt

Это означает, что ток пропорционален интегралу напряжения, и это мы видим на следующих графиках. Ток увеличивается по величине по мере увеличения (отрицательной) площади под кривой напряжения. Но когда напряжение пересекает ось времени, положительная область под кривой начинает уравновешивать отрицательную область под кривой, и это приводит к уменьшению величины тока к нулю.

Рисунок 7 (а) Линейная развертка напряжения и (б) зависимость соответствующего тока дросселя от времени.

Обратите внимание на разницу между конденсатором и индуктором: в конденсаторе ток пропорционален производной напряжения, и, таким образом, линейная развертка напряжения преобразуется в постоянный ток. В случае дросселя ток пропорционален интегралу напряжения, и, таким образом, линейная развертка напряжения преобразуется в квадратичную форму на графике зависимости тока от времени.

Соотношение ВАХ идеального дросселя показано на рисунке 8. Величина тока постепенно увеличивается, а затем уменьшается по мере перемещения напряжения от V2 к V1 или от V1 к V2. Направление тока отрицательное, когда напряжение перемещается от V1 к V2, и положительное, когда напряжение перемещается от V2 к V1.

Рисунок 8. Кривая IV для идеального дросселя, основанная на развертке напряжения, показанной на рисунке 7.

Краткое содержание

В таблице ниже суммированы некоторые выводы, которые мы получили, изучая ВАХ нескольких идеальных устройств. В будущей статье мы рассмотрим ВАХ нелинейных устройств.