Тема, важлива для розуміння кожним електриком

У цій статті обговорюються криві вольт-амперної напруги для пасивних компонентів, джерел напруги та джерел струму.

Магазин Gtest® - авторизований постачальник мультиметрів до України: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/multimetry

Співвідношення струму (I) та напруги (V) електричних компонентів часто може дати уявлення про те, як використовуються електронні пристрої. Зокрема, багато нелінійних пристроїв, таких як діоди і транзистори, використовуються в робочих областях, в яких вони являють собою ідеальні компоненти, наприклад, джерела струму, регулятори напруги та резистори.

Розуміння ВАХ часто дає уявлення, як працює пристрій, і допомагає нам зрозуміти, як керувати джерелом таким чином, щоб забезпечити необхідну функціональність.

Ми почнемо з розгляду того, як отримати ВАХ для будь-якого компонента.

Отримання ВАХ

Метод 1: Сканування напруги

Співвідношення струм-напруга (IV) для пристрою є струмом, виміряним при заданій напрузі. Для пристроїв, які не подають живлення, криві ВАХ виходять за допомогою лінійної розгортки напруги. Розгортка напруги включає лінійну зміну напруги для отримання відповідного вимірюваного вихідного струму. Оскільки неможливо фізично охопити всю напругу в одну мить, важливо розуміти, що ці виміри виробляються також і в часі.

Малюнок 1.1 ілюструє переведення розгортки напруги у часі (V vs t) на вісь X графіка струм-напруга (I vs V). Важливо розуміти, що інформація V vs t неявно є присутньою на кривій I vs V. Поняття часу актуальне для компонентів, які реагують на зміну напруги (наприклад, конденсатор), а не на миттєву напругу (як у випадку з резистором).

Рисунок 1.1 (a): Лінійна розгортка напруги (В) за часом (t); (b): відповідна розгортка напруги на кривій струм (I) - напруга (V).

Якщо у вас є пристрій, який подає напругу або струм, наприклад, акумулятор, сонячну панель або звичайне джерело живлення, ви не можете змінити напругу на пристрої, оскільки пристрій генерує певну напругу або струм. Для цих пристроїв ВАХ виходять шляхом перемикання навантаження.

Спосіб 2: перемикання навантаження

Перемикання навантаження - це метод, який включає вимір струму, що подається джерелом живлення, при зміні опору навантаження. Навантаження — це пристрій, яким подається електроенергія, де потужність визначається як P = V⋅IP = V⋅I.

Зазвичай як навантаження для вимірювання потужності, що віддається джерелом струму або напруги, використовують резистор, оскільки вони являють собою лінійні пристрої, що не мають властивостей гістерезису, тобто робота резистора не залежить від його попереднього стану. Оскільки пристрої можуть працювати як з малими значеннями опору (1-10 Ом), так і з великими значеннями опору (10-1000 кОм), резистори змінюються логарифмічно, тобто від 10 до 100 до 1000 і так далі.

Струм, який подається джерелом живлення, вимірюється амперметром для кожного значення опору навантаження, показаного на малюнку 1.2(b), а напруга на навантаженні вимірюється за допомогою вольтметра, показаного на малюнку 1.2(c).

Рисунок 1.2 (a) Принципова схема вимірювання ВАХ при перемиканні навантаження; Тут показано приклад ідеального джерела напруги. Величину RL варіюють у великому діапазоні і кожного значення опору вимірюють напруга (б) і струм (в).

Зверніть увагу, що на малюнку 1.2(c) логарифмічне значення струму (основою 10) зменшується лінійно. Це з тим, що резистор підпорядковується закону Ома, і це ідеальне джерело напруги з фіксованою напругою VS; оскільки значення опору логарифмічно збільшується, значення струму логарифмічно зменшується. Методи перемикання навантаження використовуються для вимірювання вольт-амперних характеристик пристроїв та ланцюгів, що подають електроенергію, таких як ланцюги регуляторів напруги, сонячні елементи та батареї.

ВАХ ідеальних компонентів

Використовуючи лінійну розгортку напруги та перемикання навантаження, ми тепер розглянемо ВАХ ідеальних компонентів. Зазвичай, якщо для роботи пристрою потрібне живлення, використовується метод напруги.

З іншого боку, якщо пристрій є джерелом живлення, використовується метод перемикання навантаження. На основі їх основних визначеннях, ми можемо отримати ВАХ ідеальних пасивних компонентів (резисторів, конденсаторів та котушок індуктивності), використовуючи концепцію лінійної розгортки напруги. Ми будемо використовувати концепцію перемикання навантаження для кривих IV ідеального джерела напруги та ідеального джерела струму.

Ідеальний резистор

Почнемо з одного з найвідоміших ідеальних компонентів: резистора.

Резистор — це компонент, який є лінійною залежністю між напругою і струмом, що визначається законом Ома, тобто V = I⋅RV = I⋅R. Графічне подання ВАХ рівняння закону Ома є прямою лінією, що проходить через початок координат, як показано на малюнку 2.

Рисунок 2. ВАХ ідеального резистора є прямою лінією, що проходить через початок координат.

Ідеальне джерело напруги

Ідеальне джерело напруги - це компонент, який може забезпечувати фіксовану напругу незалежно від струму, що подається на навантаження.

Наприклад, припустимо, що джерело напруги 10 підключений до резистори. Якщо номінал резистора становить 10кОм, то струм, споживаний резистором від джерела напруги, визначатиметься законом Ома, який дорівнює I = VR = 10V 10кОм = 1мАI = VR = 10V 10кОм = 1mA. Якщо номінал резистора становить 1 Ом, то споживаний струм становитиме 10 А!

Реальне джерело напруги обмежене за величиною струму, який може подавати при даному напрузі, а ідеальне джерело напруги - немає. Отже, крива IV для ідеального джерела напруги являтиме собою пряму лінію, паралельну осі Y (див. малюнок 3). Емпіричну ВАХ для реального джерела напруги можна отримати за допомогою перемикання навантаження.

Рисунок 3. Крива IV ідеального джерела напруги є прямою лінією, паралельною осі струму (I), тобто незалежно від струму, що проходить через пристрій, напруга не зміниться.

Стабілітрон - це нелінійний пасивний пристрій, який використовується як стабілізатор напруги при зворотному зміщенні. (Ідеалізована) крива ВАХ стабілітрона зі зворотним усуненням показує, що він залишається при певному напрузі (визначуваному виробничим процесом) незалежно від струму, що проходить через нього. У наступній статті ми розглянемо ВАХ стабілітрона.

Ідеальне джерело струму

Ідеальне джерело струму - це компонент, який може забезпечувати фіксований струм незалежно від напруги на компоненті. Іншими словами, ідеальне джерело струму 5 А буде подавати рівно 5 А на резистор навантаження опором 1 Ом або резистор 1 кОм, навіть незважаючи на те, що другий резистор буде генерувати падіння напруги на 5000 В! Це вкрай непрактично, проте ідеальні джерела струму є корисними інструментами при аналізі ланцюгів.

Крива IV для ідеального джерела струму є прямою лінією, паралельною осі X (див. рисунок 4). Емпіричну ВАХ для реального джерела струму можна отримати за допомогою перемикання навантаження.

Малюнок 4. ВАХ ідеального джерела струму є прямою лінією, паралельною осі напруги; тобто струм, що тече від джерела, однак незалежно від напруги на ньому.

Хоча «джерела струму» негаразд поширені, як джерела напруги, багато аналогові транзисторні схеми зміщуються з допомогою джерела постійного струму. Крім того, МОП-транзистор, що працює в галузі насичення, демонструє поведінку, аналогічну поведінці джерела струму (керованого напругою).

Ідеальний конденсатор

У резистори напруга визначається опором і струмом, що протікає через резистор. Конденсатори і котушки індуктивності принципово відрізняються тим, що їх співвідношення напруга залежить від швидкості зміни. У разі конденсатора струм через конденсатор у будь-який момент є твір ємності і швидкості зміни (тобто. похідної за часом) напруги на конденсаторі.

I = C⋅dVdtI = C⋅dVdt

Оскільки ми використовуємо лінійну розгортку напруги, струм через конденсатор залишається незмінним при збільшенні або зменшенні напруги. Коли напруга змінюється з позитивного нахилу (показано синім кольором малюнку 5) на негативний (помаранчевий), напрям струму змінюється протилежне; На графіку залежності струму від часу це представлено як перехід від ділянки графіка з позитивним струмом до ділянки графіка з негативним струмом.

Рисунок 5 (а) Лінійна розгортка напруги та (б) залежність струму відповідного конденсатора від часу.

Рисунок 6. Крива ВАХ для ідеального конденсатора, заснована на розгортці напруги, показаної на малюнку 5.

Ідеальний індуктор

Напруга на індукторі є твір індуктивності та швидкості зміни струму, що протікає через індуктор:

V = L⋅dIdtV = L⋅dIdt

Це означає, що струм пропорційний інтегралу напруги, і ми бачимо на наступних графіках. Струм збільшується за величиною в міру збільшення (негативної) площі під кривою напруги. Але коли напруга перетинає вісь часу, позитивна область під кривою починає врівноважувати негативну ділянку під кривою, і це призводить до зменшення величини струму до нуля.

Рисунок 7 (а) Лінійна розгортка напруги та (б) залежність відповідного струму дроселя від часу.

Зверніть увагу на різницю між конденсатором та індуктором: у конденсаторі струм пропорційний похідній напруги, і, таким чином, лінійна розгортка напруги перетворюється на постійний струм. У разі дроселя струм пропорційний інтегралу напруги, і, таким чином, лінійна розгортка напруги перетворюється на квадратичну форму на графіку залежності струму від часу.

Співвідношення ВАХ ідеального дроселя показано малюнку 8. Величина струму поступово збільшується, а потім зменшується в міру переміщення напруги від V2 до V1 або від V1 до V2. Напрямок струму негативне, коли напруга переміщається від V1 до V2, і позитивне, коли напруга переміщається від V2 до V1.

Рисунок 8. Крива IV для ідеального дроселя, заснована на розгортці напруги, показаної малюнку 7.

Короткий зміст

У таблиці нижче підсумовані деякі висновки, які ми отримали, вивчаючи декілька ідеальних пристроїв. У майбутній статті ми розглянемо ВАХ нелінійних пристроїв.