Зависимость тока от напряжения в цепи с электронным компонентом называется его вольтамперной характеристикой (ВАХ). Ещё со школьных курсов физики, многие из нас, надеюсь, помнят, что ток в электрической цепи прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален всем сопротивлениям в этой цепи, даже внутреннему сопротивлению источника питания. В итоге, если это сопротивление неизменно, то и ВАХ будет прямой. Но не все компоненты имеют постоянное сопротивление, оно может зависеть от напряжения, тока, температуры и других параметров. Поэтому и зависимость тока от напряжения может быть нелинейной, зигзагообразной, управляемой, неуправляемой и т.д.
Об этом и рассмотрим в данной статье.
Вольтамперная характеристика проводников
Вообще-то ВАХ – это график. И что нам простым пользователям электрики знать эти заумные параболы, причём кубические. Да просто, несложное познание этих характеристик может намного продвинуть нас в понимании характера работы некоторых радиодеталей. Итак, возьмём обычный резистор, его основной параметр – сопротивление. Если построить ВАХ, то она будет линейной и проходить через 0. Резисторы с низким сопротивлением будут приближены к оси Y, а с большим номиналом к X.
На практике ВАХ резистора справедлива только до определённых значений тока или напряжения. Линия не может быть бесконечной из-за того, что большие сопротивления при повышении напряжения могут пробиваться разрядом и повредиться при этом. А значит и ВАХ на практике всегда нелинейной на предельных значениях напряжения, для каждого экземпляра резистора. Поэтому изображают лишь участок характеристики, продление которого грозит повреждением компонента. Существуют высоковольтные резисторы, рассчитанные на несколько сотен и даже тысяч вольт.
Малые же сопротивления резисторов при росте тока через них будут потреблять возрастающую мощность. Поэтому, если она не вся рассеивается, то это приведёт к перегреву. А известно, что металлы и другие проводники, также полупроводники, имеют зависимость своего сопротивления ещё и от температуры. Возьмём обычную лампочку, условно холодная спираль имеет малое сопротивление. Но стоит ей засветиться, как нить накала станет много хуже проводить ток. Если экспериментально составить график ВАХ, то она получится нелинейной.
Но такая зависимость тока спирали от напряжения – это не её ВАХ. Дело в том, что если обдувать, спираль, то практический график измениться. Это свойство следует учитывать при расчётах. Существуют даже специальные приборы – позисторы, которые при увеличении электродвижущей силы (ЭДС), и, естественно, нагревании хуже проводят ток. На таком свойстве построен восстанавливающийся предохранитель. Во всех этих приборах зависимость тока от напряжения привязана к температуре.
Есть такие приборы, как разрядники и варисторы. Их ВАХ становится нелинейной при определённом напряжении. А температура, в широком диапазоне, не имеет значительного влияния на их график тока и напряжения. Варисторы, как и многие неуправляемые приборы с нелинейной ВАХ, могут изготавливаться из материалов, которые считаются полупроводниками. Почему же тогда мы их отнесли к проводникам? Просто они – собственные полупроводники, т.е. нелегированные. Кстати, сейчас многие шлейфы, кабеля, резисторы и обкладки кондёров делают из всяких таких материй.
А какая ВАХ у конденсатора? Теоретически конденсатор не проводит постоянный ток, поэтому зависимость тока от напряжения выразить не получится. А небольшой ток утечки, который, всё-же, имеют конденсаторы – это не основной параметр, поэтому значения особого не представляет. Всё же для электролитических конденсаторов ВАХ можно отобразить, чтобы понимать, в каких пределах напряжения эффективно его можно «припахать».
Для наглядной характеристики работы конденсаторов, чаще всего, применяют зависимость сопротивления от частоты.
ВАХ приборов с полупроводниками p- и n-типа
У всех полупроводниковых приборов с p-n-переходами ВАХ нелинейная. При этом на малых напряжениях диоды ведут себя как высокоомные резисторы, а при нормальных и больших – как низкоомные. Это справедливо при прямом включении, а при обратном диоды проводят очень малый ток, микроамперы, а то и наноамперы. Начальное напряжение открывания диода зависит больше от материала, из которого он изготовлен.
Для детектирования малых сигналов используют точечные германиевые диоды по таким причинам:
· Во-первых, диоды из этого материала открываются при меньших напряжениях, поэтому лучше регистрируется сигнал с малым ЭДС.
· Во-вторых, точечная конструкция диода имеет ничтожную ёмкость p-n-перехода, поэтому может работать на большей частоте переключения.
Прямой участок ВАХ точечного германиевого диода не равен 0 даже при напряжении, меньшем значения открывания перехода. Поэтому детектирование сигнала происходит, даже с амплитудой ниже 100мВ (0,1В), если цепь высокоомная. Поэтому нагрузкой детекторного каскада должен быть усилитель, желательно с большим входным сопротивлением, например, на полевом транзисторе.
Из графика выше видно, что диоды из арсенида галлия требуют большего напряжения открывания, а значит детекторы на их основе менее чувствительны к малым потенциалам. Да, это так, но они имеют более быстрое обратное восстановление по сравнению с кремниевыми, а тем более германиевыми, аналогами. Поэтому они используются на сверхвысоких частотах (СВЧ).
Интересными свойствами обладают стабилитроны и стабисторы. Первые открываются при обратном включении, вторые – при прямом, стабилизируя потенциалы на своих выводах. Двухсторонние стабилитроны используются для ограничения напряжения переменной составляющей. Тунельные диоды имеют участок ВАХ с отрицательным сопротивлением.
Впрочем, кремниевые диоды также могут быть изготовлены со свойством быстрого восстановления. Например, с барьером Шоттки. У них напряжение открывания может быть в пределах 0,2 – 0,9В. Таким образом они вытеснили применение германия, имеющего низкое падение напряжения на переходе. Дело ещё в том, что германиевый диод при нагревании обладает сравнительно большим обратным током. Зато при охлаждении – почти идеален (см. рисунок).
Согласитесь, на таком металлическом диоде Д305 легко построить реле, например, морозилки. Впрочем, в спецэлектронике германиевые, также арсенидгалиевые полупроводники применяются. А в основном направлении электроники эти свойства почти не используются, упор делается на программную электронику с кибернетическими расчётами.
ВАХ неуправляемых тиристоров (динисторов) или их ещё называют диодных тиристоров, также квазиуправляемых тиристоров или триодных тиристоров, также симметричных их аналогов изображены на рисунке ниже. Их зигзагообразные кривые говорят о том что эти приборы имеют 2 состояния: включенное и выключенное. Поэтому точно отобразить график ВАХ сложно.
Другое дело ВАХ транзисторов, которые совмещают в себе 2 цепи: управляющую и силовую. График входной линии будет похож на диод, но привязан к напряжению питания, выходной – зависит от входного сигнала. Поэтому графики биполярных транзисторов прямой ветви ВАХ примерно будут выглядеть так, как на рисунке ниже. Входная характеристика тока базы от напряжения база/эмиттер а) зависит от напряжения в силовой цепи: коллектор/эмиттер. А кривая тока коллектора б) силовой цепи зависит от тока базы (управления).