Izpratne par strāvas-sprieguma līknēm

Thorium: An energy solution - THORIUM REMIX 2011 (Jūnijs 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Izpratne par strāvas-sprieguma līknēm


Šajā rakstā aplūkotas IV līknes pasīviem komponentiem, sprieguma avotiem un strāvas avotiem.

Elektrisko komponentu pašreizējā (I) - sprieguma (V) attiecība bieži vien ļauj saprast, kā tiek izmantotas elektroniskās ierīces. Konkrētāk, daudzas nelineāras ierīces, piemēram, diodes un tranzistori, tiek izmantoti darbības reģionos, kuros tie darbojas kā ideāli komponenti, piemēram, strāvas avoti, sprieguma regulatori un rezistori.

Izpratne par IV līknes bieži sniedz ieskatu par to, kā ierīce darbojas, un palīdz mums zināt, kā lietot ierīci tādā veidā, kas nodrošina nepieciešamo funkcionalitāti.

Mēs sākumā apskatīsim, kā iegūt IV līkni jebkurai sastāvdaļai.

IV līkņu iegūšana

1. metode: strāvas padeve

Strāvas-sprieguma ( IV ) attiecība ierīcei ir strāva, kas izmērīta konkrētam spriegumam. Ierīcēm, kas nepilda enerģiju, IV līknes tiek iegūtas, izmantojot lineārās sprieguma frekvences. Sprieguma svārstības ietver lineāro sprieguma izmaiņas, lai iegūtu atbilstošu izmērīto izejas strāvu. Tā kā nav iespējams fiziski slaucīt visus spriegumus uzreiz, ir svarīgi saprast, ka šie mērījumi tiek veikti arī attiecībā uz laiku.

1.1. Zīmējums parāda sprieguma slaucīšanas versiju attiecībā pret laiku ( V vs t ) strāvas sprieguma diagrammas ( I vs V ) X asij. Ir svarīgi saprast, ka V vs t informācija tiek netieši parādīta I vs V līknē. Laika jēdziens attiecas uz komponentiem, kas reaģē uz sprieguma izmaiņām (piemēram, kondensatoru), nevis momentāno spriegumu (tāpat kā ar rezistoru).

1.1. Attēls (a) : lineāra sprieguma (V) slaucīšana attiecībā pret laiku (t); (b) : attiecīgais sprieguma slaucīšana pašreizējā (I) - sprieguma (V) līknē.

Ja ierīcei, kas piegādā spriegumu vai strāvu, piemēram, akumulatoru vai saules bateriju paneli vai regulāru barošanu, nevar mainīt spriegumu visā ierīcē, jo ierīce ģenerē noteiktu spriegumu vai strāvu. Šīm ierīcēm IV līknes iegūst, pārslēdzot slodzi.

2. metode: slodzes pārslēgšana

Slodze switchingisa metodi, kas ietver strāvas piegādes strāvas mērīšanu, lai mainītu slodzes pretestību. Slodze ir ierīce, kurā tiek piegādāta elektroenerģija, ja jauda ir definēta kā $ $ P = V \ times I $$.

Parasti rezistors tiek izmantots kā slodze, lai mērītu strāvas vai sprieguma avota piegādāto jaudu, jo tās ir lineāras ierīces, kurām nav histerēzes īpašību, ti, rezistora darbība nav atkarīga no tā iepriekšējā stāvokļa. Tā kā ierīces var darbināt ar nelielām pretestības vērtībām (1-10Ω), kā arī lielām pretestības vērtībām (10-1000kΩ), rezistori logaritmiski atšķiras, ti, no 10 līdz 100 līdz 1000 un tā tālāk.

Strāvu, ko piegādā strāvas padeve, mēra ar ampermetru katrai slodzes pretestības vērtībai, kā parādīts 1.2. (B) attēlā, un spriegumu pāri slodzei mēra, izmantojot voltmetru, kas parādīts 1.2. (C) attēlā.

1.2. Attēls a) shēmas shēma slodzes pārslēgšanas IV līknes mērījumiem; Šeit parādīts ideāls sprieguma avots. R L vērtība mainās lielā diapazonā, un katrai pretestības vērtībai tiek mērīts spriegums (b) un strāva (c) .

Ievērojiet, ka 1.2. Attēlā (c) strāvas logaritmiskā vērtība (pamatne 10) samazinās lineāri. Tas ir tādēļ, ka rezistoru regulē Oma likumi, un tas ir ideāls sprieguma avots pie fiksētā sprieguma V S ; jo pretestības vērtība logaritmiski palielinās, pašreizējā vērtība samazinās logaritmiski. Slodzes pārslēgšanas paņēmieni tiek izmantoti, lai noteiktu ierīču un strāvas padeves ķēdes īpašības, piemēram, sprieguma regulatoru ķēdes, saules baterijas un baterijas.

IV ideālu komponentu līknes

Izmantojot lineārās sprieguma frekvences un slodzes pārslēgšanu, mēs tagad apskatīsim ideālo komponentu IV līknes. Kopumā, ja ierīcei nepieciešama strāvas padeve, tiek izmantota sprieguma slaucīšanas metode.

No otras puses, ja ierīce darbojas kā strāvas avots, tiek izmantota slodzes pārslēgšanas metode. Pamatojoties uz to pamata definīcijām, mēs varam secināt ideālu pasīvo komponentu (rezistoru, kondensatoru un induktoru) IV līknes, izmantojot lineārās sprieguma frekvences koncepciju. Mēs izmantosim ideju par slodzes pārslēgšanos uz IV ideju par ideālu sprieguma avotu un ideālu strāvas avotu.

Ideāls rezistors

Sāksim ar vienu no pazīstamākām ideālajām sastāvdaļām: rezistoru.

Rezistors ir komponents, kas raksturo lineāro attiecību starp spriegumu un strāvu, kā to nosaka Oma likums, ti, $ $ V = I \ times R $ $. Ombra likuma vienādojuma IV līknes grafiskais attēlojums ir taisne, kas iet caur izcelsmi, kā parādīts 2. attēlā.

2. attēls. Ideālā rezistora IV līkne ir taisna līnija, kas iet caur izcelsmi.

Ideāls sprieguma avots

Ideāls sprieguma avots ir komponents, kas var nodrošināt fiksētu spriegumu neatkarīgi no slodzes piegādātā strāvas.

Piemēram, pieņemsim, ka sprieguma avots, kas piegādā 10 V, ir savienots ar rezistoru. Ja pretestības vērtība ir $ $ 10k \ Omega $$, tad strāvas, ko ievada sprieguma padeves rezistors, diktēs ar Ohm likumu, kas ir $ $ I = \ frac {V} {R} = \ frac {10V} {10k \ Omega} = 1mA $ $. Ja rezistora vērtība ir 1Ω, tad strāvas noņemšana būs 10A!

Reālā sprieguma padeve ir ierobežota attiecībā pret strāvas daudzumu, ko tā var piegādāt konkrētam spriegumam, bet ideāls sprieguma avots nav. Tādēļ IV līkne ideālā sprieguma piegādei būs taisna līnija, kas ir paralēla Y asij (skat. 3. attēlu). Izmantojot slodzes pārslēgšanas metodi, iegūtu empīrisku IV līkni reālam sprieguma avotam.

3. attēls. Ideālā sprieguma avota IV līkne ir taisna līnija, kas ir paralēla pašreizējās (I) asij, ti, neatkarīgi no strāvas, kas iet caur ierīci, spriegums nemainīsies.

Zenera diode ir nelineāra, pasīva ierīce, ko izmanto kā sprieguma regulatoru, ja to darbina ar pretēju slīpumu. Zenera diode ar atpakaļgaitu novirzīto (ideālas) IV līkni parāda, ka tā saglabājas pie noteiktā sprieguma (atkarībā no ražošanas procesa), neatkarīgi no tā, kāda strāva iet caur to. Nākamajā rakstā mēs aplūkosim Zener diode IV līkni.

Ideāls strāvas avots

Ideāls strāvas avots ir komponents, kas var nodrošināt fiksētu strāvu neatkarīgi no strāvas pāri komponentam. Citiem vārdiem sakot, 5A ideāls strāvas avots precīzi sniegs 5A uz 1Ω slodzes rezistoru vai pret 1 kΩ rezistoru, lai arī otrais rezistors radītu sprieguma kritumu 5000V! Tas ir ļoti nepraktiski, tomēr ideāli strāvas avoti ir noderīgi instrumenti ķēžu analīzē.

Ideāla strāvas avota IV līkne ir taisna līnija, kas ir paralēla X asij (sk. 4. attēlu). Izmantojot slodzes pārslēgšanas metodi, iegūtu empīrisku IV līkni reālam strāvas avotam.

4. attēls. Ideālā strāvas avota IV līkne ir taisna līnija, kas ir paralēla sprieguma asij; ti, strāva, kas plūst no avota, ir vienāda neatkarīgi no strāvas pāri tai.

Lai gan "strāvas pievadi" nav gandrīz tikpat izplatītas kā sprieguma pievadi, daudzas analogās tranzistoru shēmas ir neobjektīvas, izmantojot pastāvīgu strāvas avotu. Arī MOSFET, kas darbojas piesātinājuma reģionā, izturas līdzīgi kā strāvas avota spriegums.

Ideāls kondensators

Rezistorā spriegumu nosaka pretestība un strāva, kas plūst caur rezistoru. Kondensatori un induktori būtībā atšķiras, jo to strāvas sprieguma attiecības ietver pārmaiņu tempu. Kondensatora gadījumā strāva caur kondensatoru jebkurā brīdī ir sprieguma kondensatora kapacitātes un maiņas ātruma (ti, atvasinātais pret laika) līmenis.

$ $ I = C \ cdot \ frac {\ text {d} V} {\ text {d} t} $ $

Tā kā mēs izmantojam lineāru sprieguma slaucīšanu, strāva caur kondensatoru ir nemainīga, kad spriegums palielinās vai samazinās. Kad spriegums mainās no pozitīva slīpuma (parādīts 5. attēlā zilā krāsā) uz negatīvu slīpumu (oranžs), strāvas virziens apvērš; tas ir attēlots pašreizējā vs laika grafikā kā izmaiņas no diagrammas pozitīvās strāvas daļas uz diagrammas negatīvās strāvas sadaļu.

5. attēls a) lineārā sprieguma slaucīšana un (b) atbilstošā kondensatora strāva, salīdzinot ar laiku.

Ideāla kondensatora IV attiecība ir parādīta 6. attēlā. Strāvas lielums ir nemainīgs, taču ir nepieciešamas divas horizontālas līnijas, jo strāvas virziens mainās atkarībā no tā, vai spriegums virzās no V1 uz V2 vai V2 uz V1. Ja spriegumam ir pozitīvs izmaiņu ātrums, strāva ir pozitīva (norādīta ar zilo bultiņas galu); ja spriegumam ir negatīvs izmaiņu ātrums, strāva ir negatīva (norādīta oranža bultiņas gala).

6. attēls. IV līkne ideālam kondensatoram, pamatojoties uz sprieguma slotiņu, kas parādīts 5. attēlā.

Ideāls induktors

Spriegums pāri induktors ir induktivitātes un strāvas mainīšanas ātrums caur induktors:

$ $ V = L \ cdot \ frac {\ text {d} I} {\ text {d} t} $ $

Tas nozīmē, ka strāva ir proporcionāla sprieguma integrācijai, un tas ir tas, ko mēs redzam sekojošos gabalos. Pašreizējais apjoma palielinājums kā (negatīvs) laukums zem sprieguma līknes palielinās. Bet, kad spriegums šķērso laika asi, pozitīvā lauka zem līknes sāk līdzsvarot negatīvo laukumu zem līknes, un tas izraisa pašreizējā lieluma samazināšanos pret nulli.

7. attēls a) lineārā sprieguma slaucīšana un (b) atbilstoša indukcijas strāva, salīdzinot ar laiku.

Ņemiet vērā kondensatora un induktora starpību. Ar kondensatoru strāva ir proporcionāla sprieguma atvasinājumam, līdz ar to lineārā sprieguma slaucīšana pārvēršas par pastāvīgu strāvu. Ar induktors strāva ir proporcionāla sprieguma integrālajai daļai, un līdz ar to lineārais sprieguma slaucīšana pašreizējā laika grafikā pārvērš kvadrātveidīgu formu.

Ideāla induktora IV attiecība ir parādīta 8. attēlā. Strāvas lielums pakāpeniski palielinās un tad samazinās, kad spriegums pārvietojas no V2 uz V1 vai no V1 līdz V2. Strāvas virziens ir negatīvs, jo spriegums pārvietojas no V1 uz V2 un pozitīvs, jo spriegums virzās no V2 uz V1.

8. attēls. IV izeja par ideālu induktoru, pamatojoties uz sprieguma slotiņu, kas parādīts 7. attēlā.

Kopsavilkums

Tālāk esošajā tabulā apkopoti daži no mūsu iegūtajiem atklājumiem, aplūkojot vairāku ideālu ierīču IV līknes. Nākamajā rakstā mēs aplūkosim nelineāro ierīču IV līknes.

IerīceNepieciešama jauda "text-align: center;"> IV metodeGrafikas aprakstsCaur izcelsmi?
Ideāls rezistorsSprieguma slaucīšanaTaisna līnija, kas iet caur izcelsmi
Ideāls sprieguma avotsSlodzes pārslēgšanaTaisna līnija paralēli pašreizējai asij
Ideāls strāvas avotsSlodzes pārslēgšanaTaisna līnija, kas ir paralēla sprieguma asij
Ideāls kondensatorsSprieguma slaucīšanaSlēgts taisnstūris ap izcelsmi
Ideāls induktorsSprieguma slaucīšanaSlēgta paraboliskā cilpa ap izcelsmi