Что такое вольт-амперная характеристика и зачем её строят
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) — это графическое отображение зависимости тока через элемент от приложенного к нему напряжения. Чтобы получить ВАХ на практике, нужен регулируемый источник питания (ЛБП) с возможностью установки напряжения и ограничения тока, а также приборы для измерения напряжения и тока — вольтметр и миллиамперметр. В примерах ниже я использую самодельный лабораторный блок питания, у которого есть все эти функции.
ВАХ резистора
Возьмём мощный проволочный резистор сопротивлением 10 Ом и подключим его к ЛБП. Постепенно увеличивая напряжение, фиксируем соответствующий ток. На графике по оси X откладываем напряжение, по оси Y — измеренный ток. Полученная зависимость и есть вольт‑амперная характеристика. Для идеального омического резистора ВАХ представляет собой прямую линию, поскольку между током и напряжением действует закон Ома I = U / R.
Пример расчёта двух точек:
- - при U = 1 В: I = 1 В / 10 Ом = 0,1 А = 100 мА;
- - при U = 2 В: I = 2 В / 10 Ом = 0,2 А = 200 мА.
Эти точки соединяются прямой — и мы получаем ВАХ резистора.
Если вместо резистора подключить лампу накаливания (номинал 6,3 В, I ≈ 0,3 А), картина изменится: ВАХ лампы далеко от прямой.
Нить накала при нагреве меняет своё сопротивление — по мере роста тока нить разогревается и её сопротивление увеличивается. На практике это проявляется так: при малом напряжении сопротивление нити относительно невелико, но с ростом напряжения сопротивление возрастает, и график становится нелинейным. Такая нелинейная ВАХ может иметь практическое применение — например, в старых источниках питания лампу использовали как защитный элемент: при нормальной нагрузке лампа почти не влияла на цепь, а при коротком замыкании она вспыхивала и ограничивала ток, защищая блок питания.
ВАХ светодиодов
Ещё один типичный пример нелинейности — светодиоды. Если построить ВАХ красного, зелёного и белого 5‑мм светодиодов, то их поведение в прямом направлении будет отличаться:
- - красный начинает светиться ≈ от 1,6 В;
- - зелёный ≈ от 1,8 В;
- - белый ≈ от 2,5 В.
Это связано с применяемыми полупроводниковыми материалами. При токе порядка 20 мА достигается номинальная яркость: для красного — при ≈1,9 В, для зелёного — ≈2,4 В, для белого — ≈2,8 В. Небольшой рост напряжения выше этих значений вызывает резкий скачок тока, поэтому светодиоды питают через стабилизированные источники тока или с резистором/драйвером, а не напрямую от источника напряжения
ВАХ Диода
Выпрямительный диод 1N4007
Выпрямительный диод 1N4007 имеет обратное пробивное напряжение порядка 1000 В, поэтому измерить «обратную ветвь» ВАХ с помощью ЛБП, ограниченного 24 В, невозможно — пробоя не произойдёт в этих условиях. При выполнении измерений ВАХ диода стоит ограничить выходной ток ЛБП (например, до 1 А или ниже), чтобы не повредить элемент: прямая допустимая токовая нагрузка для 1N4007 по данным производителя — порядка 1 А непрерывно (для коротких импульсов допускаются большие значения при соответствующем охлаждении).
ВАХ Стабилитрона
В отличии от диода, для стабилитрона используя ЛБП дома можно построить и прямую и обратную ветви вольтамперной характеристики. Заодно таким образом можно быстро проверить стабилитрон и узнать напряжение стабилизации.
Выставляем на ЛБП выходное напряжение 10V
Выставляем максимальный ток короткого замыкания 20mA.
Подключаем стабилитрон в прямом направлении
Напряжение с 10V упало до 0.8V. В прямом направлении стабилитрон ведет себя как обычный диод.
Подключаем стабилитрон в обратном направлении
Напряжение с 10V упало до 6.18V и больше не растет.
На графике ВАХ стабилитрона это будет выглядеть вот так:
Перед нами стабилитрон с напряжением стабилизации 6.2V
p.s: Тут на одном из технических каналов спрашивали: "Какой блок питания нужен новичкам?" На мой взгляд ответ очевиден - в ЛБП должна бы не только регулировка выходного напряжения, но и тока. Такой самодельный ЛБП в некоторых случаях сможет заменить Китайский тестер радиокомпонентов.
Про свой самодельный ЛБП я писал тут:
Оглавление канала доступно тут:
Всем удачи!