Charakterystyka prądowo‑napięciowa, to zależność natężenia prądu płynącego przez badany element od napięcia przyłożonego do jego końców. Służy ona poznaniu własności elektrycznych tego elementu, w celu wykorzystania ich do budowy obwodów. Możemy ją badać dla chociażby takich elementów, jak oporniki (dla których zależność natężenia od napięcia ma charakter liniowy) lub różnego rodzaju diody (które, jak widać na poniższych wykresach, nie są już elementami liniowymi).
Charakterystykę taką sporządza się, zmieniając wartość oraz kierunek przyłożonego napięcia i rejestrując wartość oraz kierunek otrzymanych za każdym razem natężeń prądu. Więcej o doświadczalnych metodach badania elementów można przeczytać w e‑materiale „Jak doświadczalnie wyznaczyć charakterystykę prądowo‑napięciową elementu obwodu?”.
Charakterystyka prądowo‑napięciowa elementu jest więc zbiorem danych, najczęściej umieszczonych w tabeli. Przykładem może być Tab. 1.
[V]
-9,41
-9,39
-9,37
-9,35
-9,33
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
[A]
-4,4
-3,4
-2,4
-1,4
-0,4
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
[V]
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
0,55
0,57
[mA]
0
0
0
0
0
0
0
0,1
0,6
2,7
12
53,9
95,2
Tab. 1. Wyniki pomiaru charakterystyki prądowo‑napięciowej diody ZeneraDioda Zeneradiody Zenera.
Aby można było łatwiej korzystać z wyników badań danego elementu, zebrane dane prezentuje się w formie graficznej. Przykładem jest wykres na Rys. 1., sporządzony na podstawie danych z Tab. 1. Lewy wykres obrazuje dane dotyczące kierunku zaporowegoKierunek zaporowykierunku zaporowego, a prawy - kierunku przewodzeniaKierunek przewodzeniakierunku przewodzenia.
Rh8qvJ7s36Uyw
Rys. 1. Ilustracja podzielona jest na dwie części, prawą oraz lewą. Obie części przedstawiają prostokątne układy współrzędnych narysowane czarnymi strzałkami. W lewej części oś pionowa układu skierowana jest w górę i przedstawia natężenie prądu wyrażone w amperach wielka litera I i w nawiasie kwadratowym wielka litera A. Os pozioma układu skierowana jest w prawo i przedstawia napięcia elektryczne wyrażone w woltach wielka litera U i w nawiasie kwadratowym wielka litera V. Z lewej strony układu zaznaczono w kierunku pionowym wartości natężenia prądu od minus czterech i pięciu dziesiątych ampera do plus pięciu dziesiątych ampera, co pięć dziesiątych ampera. Po układem w kierunku poziomym zaznaczono wartości napięcia elektrycznego od minus dziesięciu do jednego wolta, co jeden wolt. W układzie widoczna jest funkcja narysowana ciągłą i niebieską linią, która przedstawia charakterystykę prądowo napięciową diody Zenera w kierunku zaporowym. Dla napięcia od minus dziesięciu do minus dziewięciu woltów wartość natężenia rośnie od minus nieskończoności do prawie zera. Dla napięcia minus dziewięć i trzydzieści cztery setne wolta wartość funkcji przyjmuje zero. Wraz ze wzrostem napięcia funkcja przyjmuje wartość stałą zero amperów do napięcia równego około plus jednego wolta. Z prawej strony oś pionowa skierowana jest w górę i przedstawia natężenie prądu wyrażone w miliamperach wielka litera I i w nawiasie kwadratowym małą litera m i wielka litera A. Na osi natężenia zaznaczono wartości od zera do stu dziesięciu miliamperów, co dziesięć miliamperów. Os pozioma skierowana jest w prawo i przedstawia napięcie elektryczne wyrażone w woltach wielka litera U i w nawiasie kwadratowym wielka litera V. W układzie widoczna jest funkcja narysowana ciągłą i niebieską linią, która przedstawia charakterystykę prądowa napięciową diody Zenera w kierunku przewodzenia. Dla napięć z zakresu od zera do czterech dziesiątych wolta wartość natężenia jest równa zero miliamperów. Dla napięcia elektrycznego większego od czterech dziesiątych wolta, wartość natężenia gwałtownie rośnie przypominając funkcję liniową. Dla napięcia około pięćdziesięciu pięciu setnych wolta, wartość natężenia jest równa sto dziesięć miliamperów.
Rys. 1. Charakterystyka prądowo‑napięciowa diody Zenera. oznacza napięcie przewodzenia a – napięcie Zenera.
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.
Celem graficznej prezentacji danych doświadczalnych jest przejrzyste przedstawienie jak największej ilości informacji o badanym elemencie obwodu. W tym celu stosuje się pewne zabiegi podczas sporządzania wykresów. Są to:
skale ujemnej i dodatniej części obu osi są różne, by nie zajmować przestrzeni nieistotnymi danymi,
najważniejsze z użytkowego punktu widzenia dane pomiarowe opisano wartościami na osi poziomej,
zamieszczono istotne wyjaśnienia na wykresie.
Taka prezentacja charakterystyki umożliwia szybkie odczytanie istotnych danych i jest poglądowa.
W przypadku, gdy trzeba porównać właściwości elementów tego samego rodzaju o różnych parametrach, ich charakterystyki umieszcza się na tym samym wykresie. Przykład pokazano na Rys. 2.
R1XyPVVvo0IOq
Rys. 2. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym widoczny jest prostokątny układ współrzędnych narysowany czarnymi strzałkami. Os pionowa układu skierowana jest w górę i przedstawia natężenie prądu wyrażone w miliamperach wielka litera I i w nawiasie kwadratowym mała litera m i wielka litera A. Na osi natężenia prądu znaczono wartości od zera jedenastu miliamperów, co jeden miliamper. Oś pozioma układu skierowana jest w prawo i przedstawia napięcie elektryczne wyrażone w woltach wielka litera U i w nawiasie kwadratowym wielka litera V. Na osi napięcia zaznaczono wartości od zera do jednego i dziesięciu setnych wolta, co dziesięć setnych wolta. W układzie widoczne są cztery funkcje narysowane liniami ciągłymi. Trzy z nich są niebieskie i przedstawiają charakterystykę prądowo napięciową diody Schotkyego. Wszystkie trzy niebieskie funkcje mają początek dla napięcia dwudziestu setnych wolta, gdzie wartość natężenia jest równa zero miliamperów. Funkcje początkowo rosną wykładniczo a następnie rosną liniowo. Pierwsza funkcja rośnie najszybciej a jej część liniowa zaczyna się dla napięcia trzydziestu setnych wolta dla których wartość natężenia jest równa dwa miliampery. Dla napięcia około trzydziestu ośmiu setnych wolta wartość natężenia jest równa dziewięć i pięć dziesiątych miliampera. Druga funkcja rośnie wolniej niż pierwsza a jej część liniowa zaczyna się dla napięcia czterdziestu setnych wolta dla których wartość natężenia jest równa dwa miliampery. Dla napięcia około pięćdziesięciu setnych wolta wartość natężenia jest równa dziewięć i pięć dziesiątych miliampera. Trzecia funkcja rośnie wolniej niż druga a jej część liniowa zaczyna się dla napięcia pięćdziesięciu setnych wolta dla których wartość natężenia jest równa dwa miliampery. Dla napięcia około sześćdziesięciu pięciu setnych wolta wartość natężenia jest równa osiem i pięć dziesiątych miliampera. Czwarta funkcja narysowana jest czerwonym kolorem i przedstawia charakterystykę prądowo napięciową dla diody małymi literami pn, która jest diodą krzemową. Funkcja zaczyna się dla napięcia dwudziestu setnych wolta dla której natężenie jest równe zero miliamperów. Funkcja początkowo rośnie wykładniczo a następnie liniowo. Część liniowa funkcja zaczyna się dla napięcia około sześćdziesięciu pięciu setnych wolta gdzie wartość natężenia wynosi około czterech miliamperów. Dla napięcia równego siedemdziesiąt setnych wolta, natężenie jest równe około dziewięciu i pięciu dziesiątych miliampera.
Rys. 2. Charakterystyki diod Schottky’ego i diody pn w kierunku przewodzenia.
Źródło: Jakub Dawidziuk.
Jeśli badany element obwodu elektrycznego jest liniowyLiniowy element obwoduliniowy, jego charakterystyka prądowo‑napięciowa jest linią prostą i wykres nie wymaga żadnych modyfikacji.
Słowniczek
Dioda Zenera
Dioda Zenera
(ang.: Zener diode) szczególny rodzaj diody, dla której powyżej pewnego napięcia przyłożonego w kierunku zaporowym (zwanego napięciem Zenera) opór elektryczny diody staje się niemal równy zero omów. Używana jest do stabilizacji napięcia.
Kierunek przewodzenia
Kierunek przewodzenia
(ang.: forward direction) kierunek przepływu prądu w diodzie, dla którego od pewnego napięcia (zwanego napięciem przewodzenia) dioda ma bardzo mały opór elektryczny.
Kierunek zaporowy
Kierunek zaporowy
(ang.: reverse direction) kierunek przepływu prądu w diodzie, dla którego dioda ma tak duży opór elektryczny, że praktycznie w ogólne nie przewodzi prądu elektrycznego.
Liniowy element obwodu
Liniowy element obwodu
(ang.: linear element) element, który spełnia prawo Ohma, więc jego charakterystyka prądowo‑napięciowa jest linią prostą.