Что такое вольтамперная характеристика

Вольтамперная характеристика (ВАХ) – определяет зависимость ( функцию ) тока от приложенного к элементу электрической цепи напряжения.

Вольтамперная характеристика (ВАХ)– определяет зависимость (функцию) тока от приложенного к элементу электрической цепи напряжения либо зависимость падения напряжения на элементе электрической цепи от протекающего через него тока для выбранного конкретного устройства или схемы. Вольтамперная характеристика — это график.

Наиболее употребляемая ВАХ нелинейных элементов (степень нелинейности определяется коэффициентом нелинейности K = UdI / IdU). Примерами элементов с существенно нелинейной ВАХ будут диод, тиристор, стабилитрон.

Для линейных элементов ВАХ является прямой линией, проходящею через начало координат и описывается законом Ома I = U / R. Угол наклона ВАХ характеристики обусловлен электрическим сопротивлением проводника R (или его электропроводимости G):

Построим в системе х0у графики зависимости тока от напряжения для резистора. Ось 0у будет силой тока, 0х – напряжением. Для сбора информации требуемой для построения выбранной зависимости, нам необходимо пропускать через резистор напряжение, и фиксировать одновременно величину тока. Выполняем замеры и наносим точки:

первая точка на графике U=0,I=0;

вторая точка — U=2,6, I=0,01;

девятая точка: U=14,7, I=0,08.

Выполняем построение графика по полученным данным:

Получаем почти прямую линию. То, что она слегка кривая, объясняется погрешностью измерений. Делаем вывод, что поскольку у нас образовалась прямая линия, то такие элементы, как резисторы будут элементами с линейной вольтамперной характеристикой.

Вольтамперная характеристика и основные параметры полупроводниковых диодов

Вольт — амперная характеристика это зависимость тока I, протекающего через диод, от напряжения U, приложенного к диоду. Вольт — амперной характеристикой называют и график этой зависимости (рис. 6.5).

Рис. 6.5. ВАХ реального и идеального диодов

Вольтамперная характеристика реального диода про­ходит ниже, чем у идеального p-n перехода: сказывается влияние сопротивления базы (рис. 6.5).

После точки А вольтамперная характеристика будет представлять собой прямую линию, так как при напряже­нии Ua потенциальный барьер полностью компенсируется внешним полем. Кривая обратного тока ВАХ имеет на­клон, так как за счет возрастания обратного напряжения увеличивается генерация собственных носителей заряда (рис. 6.6).

Урок №35. ВАХ! (вольт-амперная характеристика)

Рис. 6.6. Участки ВАХ диода

На рис. 6.6 показаны следующие участки:

1. максимально допустимый прямой ток Iпр.mах — постоянный ток через диод в прямом направлении. Если через диод пропускать ток не постоянно, а порциями, такой режим называется импульсным. Максимальный импульсный ток через диод обыч­но всегда больше прямого максимального тока, не приводящего к разрушению кристалла полупро­водника;
2. максимальное прямое падение напряжения Uпр.mах на диоде при максимально прямом токе;
3. максимально допустимое обратное напряжение Uобр.mах = (3/4) Uэл.проб — такое обратное напряжение, которое будучи приложенным к диоду не вызовет в нем необратимого пробоя;
4. обратный ток Iобр.mах при максимально допусти­мом обратном напряжении.

Обычно чем мощнее диод, тем больше обратный ток через него. Прямое и обратное статические сопротивления диода при заданных прямом и обратном напряжениях опреде­ляют по формулам Rст пр = Uпр/Iпр, Rст обр = Uобр/Iобр. Прямое динамическое сопротивление диода вычисля­ют по формулам Riпр = ΔUпр/ΔIпр = (Uпр – U’пр)/(Iпр – I’пр). Обратное динамическое сопротивление диода вычисля­ют по формулам Riобр = ΔUобр/ΔIобр = (Uобр – U’обр)/(Iобр – I’обр). Диоды обычно характеризуются следующими параметрами:

1. обратный ток при некоторой величине обратного напряжения Iобр, мкА;
2. падение напряжения на диоде при некотором значении прямого тока через диод Uпр, В;
3. емкость диода при подаче на него обратного напряжения некоторой величины С, пФ;
4. диапазон частот, в котором возможна работа без снижения выпрямленного тока fгр, кГц;
5. рабочий диапазон температур.

Техническими условиями задаются обычно максимальные (или минимальные) значения параметров для диодов каждого типа. Так, например, задается максимально возможное значение обратного тока, прямого падения напряжения и емкости диода. Диапазон частот задается минимальным значением граничной частоты fгр. Это значит, что параметры всех диодов не превышает (а в случае частоты – не ниже) заданного техническими условиями значения. На рис.6.7 показано УГО диодов. Рис. 6.7. УГО диодов: а — выпрямительные, высокочастотные, СВЧ, импульсные и диоды Ганна; б — стабилитроны; в — варикапы; г — туннельные диоды; д — диоды Шоттки; е — светодиоды; ж — фотодиоды; з — выпрями­тельные блоки.

Возможные неисправности

Согласно статистике, Д или другие полупроводниковые элементы выходят из строя чаще, чем другие элементы схемы. Неисправный элемент можно вычислить и заменить, но иногда это приводит к потере функциональности. Например, при пробое p-n-перехода, Д превращается в обыкновенный резистор, а такая трансформация может привести к печальным последствиям, начиная от выхода из строя других элементов и заканчивая пожаром или поражением электрическим током. К основным неисправностям относятся:

1. Пробой. Диод утрачивает способность пропускать ток в одном направлении и становится обычным резистором.
2. Конструктивное повреждение.
3. Утечка.

При пробое Д не пропускает ток в одном направлении. Причин может быть несколько и возникают они при резких ростах I и U, которые являются недопустимыми значениями для определенного Д. Основные виды пробоев p-n-перехода:

1. Тепловой.
2. Электрический.

При тепловом на физическом уровне происходит значительный рост колебания атомов, деформация кристаллической решетки, перегрев перехода и попадание электронов в проводимую зону. Процесс необратим и приводит к повреждению радиодетали.

Электрические пробои носят временный характер (кристалл не деформируется) и при возвращении к нормальному режиму работы его функции полупроводника возвращаются. Конструктивным повреждением являются физические повреждения ножек и корпуса. Утечка тока возникает при разгерметизации корпуса.

Для проверки Д достаточно выпаять одну ножку и прозвонить его мультиметром или омметром на наличияе пробоя перехода (должен звониться только в одном направлении). В результате появится значение R p-n-перехода в одном направлении, а в другом прибор покажет бесконечность. Если звониться в 2 направления, то радиодеталь неисправна.

Если отпала ножка, то ее нужно припаять. При повреждении корпуса — деталь необходимо заменить на исправную.

При разгерметизации корпуса понадобится построение графика ВАХ и сравнение его с теоретическим значением, взятым из справочной литературы.

Таким образом, ВАХ позволяет не только получить справочные данные о диоде или любом полупроводниковом элементе, но и выявить сложные неисправности, которые невозможно определить при проверке прибором.

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:

Научные статьи на тему «Вольт-амперная характеристика»

Пример 1 Задание: Вольт — амперная характеристика для p-n перехода в кремний изображена на рис.
Решение: Вольтамперная характеристика p-n перехода показывает, переход имеет одностороннюю проводимость.
Возможной причиной отличий вольтамперной характеристики кремния (рис.3) от вольт — амперной характеристики.
Рис.5 Вольт — амперная характеристика туннельного диода. Рисунок 5.

Автор Андрей Геннадьевич Блохин
Источник Справочник
Категория Физика
Статья от экспертов

Моделирование вольт-амперных характеристик солнечных батарей

Рассмотрены вопросы математического моделирования характеристик солнечной батареи в диапазоне освещенностей и температур, соответствующих реальным условиям космического пространства.

Автор(ы) Базилевский А. Б.
Лукьяненко М. В.
Источник Сибирский аэрокосмический журнал
Научный журнал

Контроль качества по ВАХ

Снятие ВАХ применяется также для контроля качества готовых электронных компонентов и модулей на этапе производства.

Сравнение измеренных характеристик с эталоном позволяет отбраковать дефектные изделия. Такой контроль обеспечивает высокое качество выпускаемой продукции.

Пример проектирования схемы по ВАХ

Рассмотрим пример использования данных ВАХ при разработке простой схемы на транзисторе.

Допустим, имеется стабилизированный источник питания 15 В и нужно создать усилительный каскад на биполярном транзисторе ПНП-типа с коэффициентом усиления 100 и выходным током 10 мА.

По ВАХ и паспортным данным выбираем подходящий транзистор, например МП39, с запасом по току и напряжению. Определяем точки смещения по ВАХ. Рассчитываем и подбираем номинал резисторов.

Таким образом, используя характеристики компонентов, получаем необходимую схему усилителя.

Вольт-амперная характеристика

ВАХ — это характеристика полупроводникового элемента, показывающая зависимость I, проходящего через p-n-переход, от величины и полярности U (рис. 1).

Рисунок 1 — Пример вольт-амперной характеристики полупроводникового диода.

ВАХ отличаются между собой и это зависит от типа полупроводникового прибора. Графиком ВАХ является кривая, по вертикали которой отмечены значения прямого I (вверху). Внизу отмечены значения I при обратном подключении. По горизонтали указаны показания U при прямом и обратном включении. Схема состоит из 2 частей:

1. Верхняя и правая — Д функционирует в прямом подключении. Показывает пропускной I и линия идет вверх, что свидетельствует о росте прямого U (Uпр).
2. Нижняя часть слева — Д находится в закрытом состоянии. Линия идет практически параллельно оси и свидетельствует о медленном нарастании Iобр (обратного тока).

Из графика можно сделать вывод: чем круче вертикальная часть графика (1 часть), тем ближе нижняя линия к горизонтальной оси. Это свидетельствует о высоких выпрямительных свойствах полупроводникового прибора. Необходимо учитывать, что ВАХ зависит от температуры окружающей среды, при понижении температуры происходит резкое понижение Iобр. Если температура повышается, то повышается и Iобр.

Построение графика

Построить ВАХ для конкретного типа полупроводникового прибора несложно. Для этого необходимы блок питания, мультиметр (вольтметр и амперметр) и диод (можно построить для любого полупроводникового прибора). Алгоритм построения ВАХ следующий:

1. Подключить БП к диоду.
2. Произвести измерения U и I.
3. Внести данные в таблицу.
4. На основании табличных данных построить график зависимости I от U (рис. 2).

Рисунок 2 — Пример нелинейной ВАХ диода.

ВАХ будет различна для каждого полупроводника. Например, одним из самых распространенных полупроводников является диод Шоттки, названный немецким физиком В. Шоттки (рисунок 3).

Рисунок 3 — ВАХ Шоттки.

Исходя из графика, носящего асимметричный характер, видно, что для этого типа диода характерно малое падение U при прямом подключении. Присутствует экспоненциальное увеличение I и U. Ток в барьере обусловлен отрицательно заряженными частицами при обратном и прямом смещениях. Шоттки обладают высоким быстродействием, так как диффузные и рекомбинационные процессы отсутствуют. I зависит от U благодаря изменению количества носителей, принимающих участие в процессах переноса заряда.

Кремниевый полупроводник широко применяется практически во всех электрических схемах устройств. На рисунке 4 изображена его ВАХ.

Рисунок 4 — ВАХ кремниевого Д.

На рисунке 4 ВАХ начинается с 0,6-0,8 В. Кроме кремниевых Д существуют еще германиевые, которые при нормальной температуре будут нормально работать. Кремниевый имеет меньший Iпр и Iобр, поэтому тепловой необратимый пробой у германиевого Д наступает быстрее (при подаче высокого Uобр), чем у его конкурента.

Выпрямительный Д применяется для преобразования переменного U в постоянное и на рисунке 5 приведена его ВАХ.

Рисунок 5 — ВАХ выпрямительного Д.

На рисунке изображена теоретическая (пунктирная кривая) и практическая (экспериментальная) ВАХ. Они не совпадают из-за того, что в теории не учитывались некоторые аспекты:

1. Наличие R (сопротивления) эмиттерной области кристалла, выводов и контактов.
2. Токи утечки.
3. Процессы генерации и рекомбинации.
4. Пробои различных типов.

Кроме того, температура окружающей среды значительно влияет на измерения, и ВАХ не совпадают, так как теоретические значения получают при температуре +20 градусов. Существуют и другие важные характеристики полупроводников, которые можно понять по маркировке на корпусе.

Существуют и дополнительные характеристики. Они нужны для применения Д в определенной схеме с U и I. Если использовать маломощный Д в устройствах с U, превышающем максимально допустимое Uобр, то произойдет пробой и выход из строя элемента, а также это может повлечь за собой цепочку выхода других деталей из строя.

Дополнительные характеристики: максимальные значения Iобр и Uобр; прямые значения I и U; ток перегрузки; максимальная температура; рабочая температура и так далее.

ВАХ помогает определить такие сложные неисправности Д: пробой перехода и разгерметизация корпуса. Сложные неисправности могут привести к выходу из строя дорогостоящих деталей, следовательно, перед монтажом Д на плату необходимо его проверить.

Возможные неисправности

Согласно статистике, Д или другие полупроводниковые элементы выходят из строя чаще, чем другие элементы схемы. Неисправный элемент можно вычислить и заменить, но иногда это приводит к потере функциональности. Например, при пробое p-n-перехода, Д превращается в обыкновенный резистор, а такая трансформация может привести к печальным последствиям, начиная от выхода из строя других элементов и заканчивая пожаром или поражением электрическим током. К основным неисправностям относятся:

1. Пробой. Диод утрачивает способность пропускать ток в одном направлении и становится обычным резистором.
2. Конструктивное повреждение.
3. Утечка.

При пробое Д не пропускает ток в одном направлении. Причин может быть несколько и возникают они при резких ростах I и U, которые являются недопустимыми значениями для определенного Д. Основные виды пробоев p-n-перехода:

1. Тепловой.
2. Электрический.

При тепловом на физическом уровне происходит значительный рост колебания атомов, деформация кристаллической решетки, перегрев перехода и попадание электронов в проводимую зону. Процесс необратим и приводит к повреждению радиодетали.

Электрические пробои носят временный характер (кристалл не деформируется) и при возвращении к нормальному режиму работы его функции полупроводника возвращаются. Конструктивным повреждением являются физические повреждения ножек и корпуса. Утечка тока возникает при разгерметизации корпуса.

Для проверки Д достаточно выпаять одну ножку и прозвонить его мультиметром или омметром на наличияе пробоя перехода (должен звониться только в одном направлении). В результате появится значение R p-n-перехода в одном направлении, а в другом прибор покажет бесконечность. Если звониться в 2 направления, то радиодеталь неисправна.

Если отпала ножка, то ее нужно припаять. При повреждении корпуса — деталь необходимо заменить на исправную.

При разгерметизации корпуса понадобится построение графика ВАХ и сравнение его с теоретическим значением, взятым из справочной литературы.

Таким образом, ВАХ позволяет не только получить справочные данные о диоде или любом полупроводниковом элементе, но и выявить сложные неисправности, которые невозможно определить при проверке прибором.