Вольт амперная характеристика линейного сопротивления представляет

Нелинейные цепи

К нелинейным относятся цепи, содержащие нелинейные элементы (НЭ), у которых параметры R,L и C зависят от напряжения U, тока I и магнитного потока Ф.

В электрических схемах НЭ обозначаются как:

Особенностью нелинейных элементов является наличие статического и динамического сопротивлений. Рассмотрим их на примере вольт-амперной характеристики (ВАХ).

Вольт-амперная характеристика (ВАХ)

Как при постоянном, так и при переменном токе статические и динамические (дифференциальные) сопротивления в общем случае не равны друг другу (они могут совпадать по величине только в отдельных точках или на отдельных участках характеристики). При переходе с одного участка вольт-амперной характеристики к другому статические и динамические сопротивления не остаются постоянными.

Динамическое сопротивление используется при нахождении общего решения системы уравнений электрического равновесия цепи.

Вольт-амперные характеристики делятся на симметричные и несимметричные относительно начала координат, на монотонные, если производная не меняет свой знак, и немонотонные при смене знака производной.

Если ВАХ НЭ проходит через начало координат, то это пассивный элемент, в котором происходят необратимые преобразования электрической энергии. В противном случае отрезки от начала координат до пересечения с ВАХ будут определять наличие источников энергии, которая отдается во внешнюю по отношению к нелинейному элементу часть цепи.

При несимметричной характеристике сопротивление нелинейного элемента зависит от знака приложенного напряжения.

В качестве примера нелинейных элементов можно назвать диод, стабилитрон и варистор.

НЭ могут быть управляемыми (тиристор, транзистор) и неуправляемыми (диод, стабилитрон).

В достаточно широком диапазоне частот многие нелинейные элементы (полупроводниковые диоды и др.) являются безынерционными: их нелинейная характеристика выражает зависимость между мгновенными значениями тока и напряжения. Если к такому элементу подвести синусоидальное напряжение, то вследствие нелинейности характеристики ток будет несинусоидальным и наоборот. Следовательно, нелинейный элемент обладает способностью преобразовывать спектр воздействующих на него колебаний.

Эта их особенность наряду с другими свойствами позволяет использовать нелинейные элементы как в автоматике, так и в радиотехнике.

Для расчета нелинейных цепей используют три метода:

графический;
аналитический;
графоаналитический.

В общем случае расчет цепей с нелинейными элементами представляет из себя сложную задачу, так как точная аппроксимация характеристик приводит к сложным математическим выражениям. На практике пользуются такими способами аппроксимации, как кусочно-линейная или степенной полином.

Дополнительно по теме

Симметричные составляющие трехфазной системы
Свойства трехфазных цепей в отношении симметричных составляющих
Сопротивления симметричной трехфазной цепи для токов различных последовательностей
Определение токов в симметричной цепи
Симметричные составляющие напряжений и токов в несимметричной трехфазной цепи
Расчет цепи с несимметричной нагрузкой
Расчет цепи с несимметричным участком в линии

Вольт-амперная характеристика — Current–voltage characteristic

токовый выход в зависимости от приложенного напряжения для материала или устройства Вольт-амперные характеристики четырех устройств: резистора с большим сопротивлением, резистора с малое сопротивление, p – N переход диод и батарея с ненулевым внутренним сопротивлением. По горизонтальной оси отложено падение напряжения, по вертикальной оси — ток. Все четыре графика используют соглашение о пассивном знаке.

A вольт-амперная характеристика или ВАХ (вольт-амперная кривая) — это взаимосвязь, обычно представленная в виде диаграммы или график между электрическим током через цепь, устройство или материал и соответствующим напряжением или разностью потенциалов на нем.

1 В электронике
- 1.1 Типы ВАХ
В электронике

Зависимость тока стока МОП-транзистора от напряжение сток-исток для нескольких значений напряжения перегрузки, VGS — V th -V_ > ; граница между режимами линейный (омический ) и насыщенный (активный ) обозначена параболой изгиба вверх.

In электроника, соотношение между постоянным током (DC ) через электронное устройство и постоянным напряжением на его выводах называется вольт-амперной характеристикой. устройства. Инженеры-электронщики используют эти диаграммы для определения основных параметров устройства и моделирования его поведения в электрической цепи. Эти характеристики также известны как ВАХ, относящиеся к стандартным символам для тока и напряжения.

В электронных компонентах с более чем двумя выводами, таких как электронные лампы 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 «ток – напряжение» с несколькими кривыми, каждая из которых представляет соотношение «ток-напряжение» при различных значениях тока или напряжения на третьем выводе.

Например, диаграмма справа показывает семейство ВАХ для MOSFET как функция напряжения стока с перенапряжением (V GS — V th) в качестве параметра.

Простейшая ВАХ — это кривая резистора, который согласно закону Ома демонстрирует линейную зависимость между приложенным напряжением и результирующий электрический ток ; ток пропорционален напряжению, поэтому ВАХ представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат с положительным наклоном . величина, обратная наклона, равна сопротивлению.

. ВАХ электрического компонента может быть измерена с помощью прибора, называемого измерителем кривой. крутизна и начальное напряжение транзистора — это примеры параметров, традиционно измеряемых по ВАХ устройства.

Типы ВАХ

Форма характеристической кривой электрического компонента многое говорит о его рабочих характеристиках. ВАХ различных устройств можно сгруппировать по категориям:

Квадранты плоскости ВАХ. Источники питания имеют кривые, проходящие через красные области.
- Активные и пассивные: устройства, у которых есть ВАХ, ограниченные первым и третьим квадрантами плоскости ВАХ, проходящими через origin, это пассивные компоненты (нагрузки), которые потребляют электрическую мощность из схемы. 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 устройство, которое преобразуется в тепло или другую форму энергии.
Напротив, устройства с ВАХ, которые проходят через второй или четвертый квадранты, являются активными компонентами, источниками питания, который может производить электроэнергию. Примеры: батареи и генераторы. Когда он работает во втором или четвертом квадранте, ток вынужден течь через устройство от отрицательного к положительному выводу напряжения против силы противодействия электрического поля, поэтому электрические заряды получают потенциальная энергия. Таким образом, устройство преобразует некоторую другую форму энергии в электрическую.
- Линейное против нелинейного: прямая линия, проходящая через начало координат, представляет элемент линейной схемы, а изогнутая линия представляет нелинейный элемент. Например, резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности являются линейными, а диоды и транзисторы — нелинейными. ВАХ, представляющая собой прямую линию через начало координат с положительным наклоном , представляет собой линейный или омический резистор, наиболее распространенный тип сопротивления в схемах. Он подчиняется закону Ома ; ток пропорционален приложенному напряжению в широком диапазоне. Его сопротивление, равное обратной величине наклона линии, является постоянным. Изогнутая линия ВАХ представляет нелинейное сопротивление, например диод. В этом типе сопротивление изменяется в зависимости от приложенного напряжения или тока.
- Отрицательное сопротивление по сравнению с положительным сопротивлением: ВАХ, немонотонная (имеющая пики и впадины), представляет устройство, которое имеет отрицательное сопротивление. Области кривой с отрицательным наклоном (спускающийся вправо) представляют рабочие области, где устройство имеет отрицательное дифференциальное сопротивление, а области положительного наклона представляют собой положительное дифференциальное сопротивление. Устройства с отрицательным сопротивлением могут использоваться для изготовления усилителей и генераторов. туннельные диоды и диоды Ганна являются примерами компонентов с отрицательным сопротивлением.
- Гистерезис по сравнению с однозначным: устройства с гистерезисом ; то есть, в котором отношение тока к напряжению зависит не только от текущего приложенного входа, но и от прошлой истории входов, имеют ВАХ, состоящие из семейств замкнутых контуров. Каждая ветвь петли отмечена стрелкой. Примеры устройств с гистерезисом включают стальные сердечники индукторы и трансформаторы, тиристоры, такие как SCR и DIAC, и газоразрядные трубки, такие как неоновые лампы.
- , ВАХ, аналогичная характеристической кривой туннельного диода. Он имеет отрицательное сопротивление в заштрихованной области напряжения между v 1 и v 2
- DIAC ВАХ. V BO — напряжение отключения.
- Мемристор ВАХ, показывающая сжатый гистерезис
- диод Ганна ВАХ, показывающая отрицательное дифференциальное сопротивление с гистерезисом (обратите внимание на стрелки)
В электрофизиологии

Аппроксимация компонентов ионов калия и натрия так называемой «цельноклеточной» ВАХ нейрона.

Хотя ВАХ применимы к любой электрической системе, они находят широкое применение в области биологических электричество, особенно в подразделе 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 «наружный ток», соответствуют положительно заряженным ионам, пересекающим клеточную мембрану изнутри наружу, или отрицательно заряженным ионам, пересекающим снаружи внутрь. Точно так же токи с отрицательным значением называются «внутренним током», что соответствует положительно заряженным ионам, пересекающим клеточную мембрану снаружи внутрь, или отрицательно заряженным ионам, пересекающим изнутри наружу.

На рисунке справа показана ВАХ, которая больше соответствует токам в возбудимых биологических мембранах (таких как нейронный аксон ). Синяя линия показывает зависимость I – V для иона калия. Обратите внимание, что он линейный, что означает отсутствие зависящего от напряжения стробирования ионного канала калия. Желтая линия показывает зависимость I – V для иона натрия. Обратите внимание, что он не является линейным, что указывает на то, что канал ионов натрия зависит от напряжения. Зеленая линия показывает зависимость ВАХ, полученную путем суммирования натриевого и калиевого токов. Это приближает реальный мембранный потенциал и текущее соотношение клетки, содержащей оба типа каналов.

См. Также

Ссылки

На Викискладе есть материалы, относящиеся к вольт-амперным характеристикам устройства .
1. ^H. Я. ван дер Бейл (1919). «Теория и рабочие характеристики темионного усилителя». Труды ИРЭ. Институт Радиоинженеров. 7 (2): 97–126. doi :10.1109/JRPROC.1919.217425.
Вольт-амперная характеристика (ВАХ)

Что такое вольт-амперная характеристика (ВАХ)

ВАХ — это вольт-амперная характеристика, а если точнее, зависимость тока от напряжения в каком-либо радиоэлементе. Это может быть резистор, диод, транзистор и другие радиоэлементы. Так как транзистор имеет более двух выводов, то он имеет множество ВАХ.

Думаю, не все, кто читает эту статью, хорошо учились в школе. Поэтому, давайте разберемся, что представляет из себя зависимость одной величины от другой. Как вы помните из школы, мы строили графики зависимости игрек (У) от икс (Х). Та переменная, которая зависит от другой переменной, мы откладывали по вертикали, а та, которая независима — по горизонтали. В результате у нас получалась система отображения зависимости «У» от «Х»:

Так вот, мои дорогие читатели, в электронике, чтобы описать зависимость тока от напряжения, вместо «У» у нас будет сила тока, а вместо Х — напряжение. И система отображения у нас примет вот такой вид:

Именно в такой системе координат мы будет чертить вольт-амперную характеристику. И начнем с самого распространенного радиоэлемента — резистора.

ВАХ резистора

Для того, чтобы начертить этот график, нам потребуется пропускать через резистор напряжение и смотреть соответствующее значение силы тока тока. С помощью крутилки я добавляю напряжение и записываю значения силы тока для каждого значения напряжения. Для этого берем блок питания, резистор и начинаем делать замеры:

Вот у нас появилась первая точка на графике. U=0,I=0.

Вторая точка: U=2.6, I=0.01

Третья точка: U=4.4, I=0.02

Четвертая точка: U=6.2, I=0.03

Пятая точка: U=7.9, I=0.04

Шестая точка: U=9.6, I=0.05

Седьмая точка: U=11.3, I=0.06

Восьмая точка: U=13, I=0.07

Девятая точка: U=14.7, I=0.08

Давайте построим график по этим точкам:

Да у нас получилась почти прямая линия! То, что она чуть кривая, связана с погрешностью измерений и погрешностью самого прибора. Следовательно, так как у нас получилась прямая линия, то значит такие элементы, как резисторы называются элементами с линейной ВАХ.

ВАХ диода

Как вы знаете, диод пропускает электрический ток только в одном направлении. Это свойство диода мы используем в диодных мостах, а также для проверки диода мультиметром. Давайте построим ВАХ для диода. Берем блок питания, цепляем его к диоду (плюс на анод, минус на катод) и начинаем точно также делать замеры.

Первая точка: U=0,I=0.

Вторая точка: U=0.4, I=0.

Третья точка: U=0.6, I=0.01

Четвертая точка: U=0.7, I=0.03

Пятая точка: U=0.8,I=0.06

Шестая точка: U=0.9, I=0.13

Седьмая точка: U=1, I=0.37

Строим график по полученным значениям:

Ничего себе загибулина :-). Вот это и есть вольт-амперная характеристика диода. На графике мы не видим прямую линию, поэтому такая вольт-амперная характеристика называется НЕлинейной. Для кремниевых диодов она начинается со значения 0,5-0,7 Вольт. Для германиевых диодов ВАХ начинается со значения 0,3-0,4 Вольт.

ВАХ стабилитрона

Стабилитроны работают в режиме лавинного пробоя. Выглядят они также, как и диоды.

Мы подключаем стабилитрон как диод в обратном направлении: на анод минус, а на катод — плюс. В результате, напряжение на стабилитроне остается почти таким же, а сила тока может меняться в зависимости от подключаемой нагрузки на стабилитроне. Как говорят электронщики, мы используем в стабилитроне обратную ветвь ВАХ.

Рекомендуем посмотреть видео материал на эту тему:

3.1. Вольт-амперная характеристика

Для любого электрического прибора важна зависимость между током через прибор и приложенным напряжением. Зная эту зависимость, можно определить ток при заданном напряжении или, наоборот, напряжение, соответствующее заданному току.

Если сопротивление прибора постоянно, не зависит от тока или напряжения, то связь между током и напряжением выражается законом Ома:

i = u/R или i = Gu. (3.1)

Ток прямо пропорционален напряжению. Коэффициентом пропорциональности является проводимость G = 1/R.

График зависимости между током и напряжением называется вольт-амперной характеристикой данного прибора или просто характеристикой. Для прибора, подчиняющегося закону Ома, характеристикой является прямая линия, проходящая через начало координат (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Вольт-амперная характеристика линейного прибора

Чем больше сопротивление R, тем меньше проводимость G и тем меньше ток при данном напряжении. Поэтому для больших сопротивлений характеристика идет более полого. Сопротивление R связано с углом наклона а характеристики зависимостью

R = u/i = k ctg a, (3.2)

где к — коэффициент пропорциональности, учитывающий единицы величин, входящих в формулу, и масштаб, в котором значения величин отложены на осях.

Иначе можно написать:

G= 1/Д = j/u =/с’ig ос, (3.3)

где к’ = 1/к.

Заметим, что нельзя писать R = ctg a или G = tg а, так как R и G — физические величины, имеющие определенную размерность и единицы для количественной оценки, a tg а и ctg а — тригонометрические функции, выражаемые только числом. Кроме того, в зависимости от масштаба на осях угол а при данном R может быть различным.

Приборы, принцип действия которых подчиняется 1 закону Ома, а вольт-амперная характеристика имеет вид прямой линии, проходящей через начало координат, называются линейными.

Существуют также приборы, у которых сопротивление не постоянно, а зависит от напряжения или тока. Для таких приборов связь между током и напряжением выражается не законом Ома, а более сложным образом и вольт-амперная характеристика , не является прямой линией, проходящей через начало координат. Эти приборы называются нелинейными.

Электронно-дырочный переход, по существу, представляет собой полупроводниковый диод. Нелинейные свойства диода видны при рассмотрении его вольт-амперной характеристики. Пример такой характеристики для диода небольшой мощности дан на рис. 3.2. Она показывает, что прямой ток в десятки миллиампер получается при прямом напряжении в десятые доли вольта. Поэтому прямое сопротивление бывает обычно не выше нескольких десятков ом. Для более мощных диодов прямой ток составляет сотни миллиампер и

Рис. 3.2. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

больше при том же малом напряжении, a R_np соответственно снижается до единиц и долей ома.

Характеристику для обратного тока, малого по сравнению с прямым током, обычно показывают в другом масштабе, что и сделано на рис. 3.2. Обратный ток при обратном напряжении до сотен вольт у диодов небольшой мощности составляет единицы или десятки микроампер. Это соответствует сопротивлению несколько сотен килоом и больше. Так как и_обр » и_пр, то эти напряжения также отложены в разных масштабах. Вследствие различия в масштабах получился излом кривой в начале координат. При неизменном масштабе характеристика была бы плавной кривой, без излома.

Характеристика для прямого тока вначале имеет значительную , нелинейность, так как при увеличении м_пр сопротивление запирающего слоя уменьшается. Поэтому кривая идет со все большей крутизной. Но при напряжении в десятые доли вольта запирающий слой практически исчезает и остается только сопротивление п- и р-областей, которое приближенно можно считать постоянным. Поэтому далее характеристика становится почти линейной. Небольшая нелинейность здесь объясняется тем, что при увеличении тока п- и р-области нагреваются и от этого их сопротивление уменьшается.

Обратный ток при увеличении обратного напряжения сначала быстро воз-

растает. Это вызвано тем, что уже при небольшом обратном напряжении за счет повышения потенциального барьера в переходе резко снижается диффузионный ток, который направлен навстречу току проводимости. Следовательно, полный ток i_o₆_p = 1д_Р — 1_ДИф резко увеличивается. Однако при дальнейшем повышении обратного напряжения ток растет незначительно. Рост тока происходит вследствие нагрева перехода* за счет утечки по поверхности, а также за счет лавинного размножения носителей заряда, т. е. увеличения числа носителей заряда в результате ударной ионизации. Явление ударной ионизации состоит в том, что при более высоком обратном напряжении электроны приобретают большую скорость и, ударяя в атомы кристаллической решетки, выбивают из них новые электроны, которые, в свою очередь, разгоняются нолем и также выбивают из атомов электроны. Такой процесс усиливается с повышением напряжения.

При некотором значении обратного напряжения возникает пробой п — р-пере-хода, при котором обратный ток резко возрастает и сопротивление запирающего слоя резко уменьшается. Следует различать электрический и тепловой пробой п — р-перехода. Электрический пробой, области которого соответствует на рис. 3.2 участок АБВ характеристики, является обратимым, т. е. при этом пробое в переходе не происходит необратимых изменений (разрушения структуры вещества). Поэтому работа диода в режиме электрического пробоя допустима. Специальные диоды для стабилизации напряжения — полупроводниковые стабилитроны — работают на участке БВ характеристики. Могут существовать два вида электрического пробоя, которые нередко сопутствуют друг другу: лавинный и туннельный.

Лавинный пробой объясняется лавинным размножением носителей за счет ударной ионизации и за счет вырывания электронов из атомов сильным электрическим полем. Этот пробой характерен для п — р-переходов большой толщины, получающихся при сравнительно малой концентрации примесей в

полупроводниках. Пробивное напряжение для лавинного пробоя составляет десятки или сотни вольт.

Туннельный пробой объясняется явлением туннельного эффекта. Сущность последнего состоит в том, что при поле напряженностью более 10 5 В/см, действующем в п — р-переходе малой толщины, некоторые электроны проникают через переход без изменения своей энергии. Тонкие переходы, в которых возможен туннельный эффект, получаются при высокой концентрации примесей. Напряжение, соответствующее туннельному пробою, обычно не превышает единиц вольт. Более подробно туннельный эффект рассматривается в гл. 8.

Области теплового пробоя соответствует на рис. 3.2 участок ВГ. Тепловой пробой необратим, так как он сопровождается разрушением структуры вещества в месте п — р-перехода. Причиной теплового пробоя является нарушение устойчивости теплового режима и —р-перехода. Это означает, что количество теплоты, выделяющейся в переходе от нагрева его обратным током, превышает количество теплоты, отводимой от перехода. В результате температура перехода возрастает, сопротивление его уменьшается и ток увеличивается, что приводит к перегреву перехода и его тепловому разрушению.
Похожие публикации: