منحنی مشخصه جریان-ولتاژ (I-V)

منحنی‌های مشخصه‌های جریان-ولتاژ (I-V) ویژگی‌های عملکرد یک دستگاه الکترونیکی را تعریف می‌کنند.

منحنی‌های مشخصه I-V که مخفف عبارت منحنی­‌های مشخصه‌­های ولتاژ-جریان یا منحنی‌های I-V یک دستگاه یا قطعه الکتریکی است، مجموعه‌ای از منحنی‌های گرافیکی هستند که برای تعریف عملکرد یک قطعه در یک مدار الکتریکی استفاده می‌شوند. همانطور که از نام آن پیداست، منحنی‌­های مشخصه I-V رابطه بین جریان عبوری از یک دستگاه الکترونیکی و ولتاژ اعمال شده در پایانه­‌های آن را نشان می­‌دهند.

منحنی­‌های مشخصه I-V به طور کلی به عنوان ابزاری برای تعیین و درک پارامترهای اساسی یک قطعه یا دستگاه استفاده می‌­شوند و همچنین می­‌توانند برای مدل­سازی ریاضی رفتار آن در یک مدار الکترونیکی استفاده شوند. اما در بسیاری از دستگاه‌­های الکترونیکی، تعداد بی­نهایت منحنی مشخصه I-V وجود دارد که ورودی­‌ها یا پارامترهای مختلف را نشان می‌­دهند و به این ترتیب، می­‌توانیم خانواده یا گروهی از منحنی‌­ها را در همان نمودار نمایش دهیم تا مقادیر مختلف را نشان دهند.

به عنوان مثال، “مشخصه­‌های ولتاژ-جریان” یک ترانزیستور دوقطبی را می­‌توان با مقادیر مختلف تحریک بیس یا منحنی­‌های مشخصه I-V یک دیود که در هر دو ناحیه مستقیم و معکوس آن کار می­‌کند، نشان داد.

اما مشخصه­‌های جریان-ولتاژ استاتیک یک قطعه یا دستگاه لازم نیست که یک خط مستقیم باشد. به عنوان مثال، مشخصه­‌های یک مقاومت با مقدار ثابت را در نظر بگیرید، انتظار داریم که آن­ها به طور منطقی مستقیم و ثابت در محدوده خاصی از جریان، ولتاژ و توان باشند، زیرا مقاومت یک دستگاه خطی یا اهمی است.

با این حال، عناصر مقاومتی دیگری مانند LDR ها، ترمیستورها (thermistors)، وریستورها (varistors) و حتی لامپ‌­ها وجود دارند که منحنی­‌های مشخصه I-V آن­ها خطوط مستقیم یا خطی نیستند، بلکه منحنی یا شکل هستند و به همین دلیل به آن­ها المان های غیر­خطی می­‌گویند زیرا مقاومت آن­ها غیر­خطی است.

اگر ولتاژ تغذیه الکتریکی، V اعمال شده به پایانه­‌های عنصر مقاومتی R در بالا تغییر کرده و جریان حاصل، I اندازه­‌گیری شود، این جریان به صورت: I = V/R خواهد بود که یکی از معادلات قانون اهم است.

منحنی مشخصه I-V مقاومت ایده‌آل

منحنی‌ مشخصه i-v بالا، عنصر مقاومتی را تعریف می‌کند، به این معنا که اگر مقدار ولتاژی را به عنصر مقاومتی اعمال کنیم، جریان حاصل مستقیماً از مشخصه‌ I-V قابل دریافت است. در نتیجه، توان تلف شده (یا تولید شده) توسط عنصر مقاومتی را نیز می­‌توان از منحنی I-V تعیین کرد.

اگر ماهیت ولتاژ و جریان مثبت باشد، منحنی­‌های مشخصه I-V در ربع Ι مثبت خواهند بود، اگر ماهیت ولتاژ و در نتیجه جریان منفی باشد، منحنی در ربع ΙΙΙ نمایش داده می‌شود.

در یک مقاومت خالص، رابطه بین ولتاژ و جریان در دمای ثابت، خطی و ثابت است، به طوری که جریان (i) متناسب با اختلاف پتانسیل V با ثابت تناسب 1/R است که i = (1/R) × V را می­دهد. بنابراین جریان عبوری از مقاومت، تابعی از ولتاژ اعمال شده است و می­‌توانیم این را به صورت بصری با استفاده از منحنی مشخصه­‌های I-V نشان دهیم.

در این مثال ساده، جریان i در برابر اختلاف پتانسیل V، یک خط مستقیم با شیب ثابت 1/R است زیرا این رابطه خطی و اهمی است. با این حال، مقاومت­‌های عملی ممکن است تحت شرایط خاصی رفتار غیر­خطی نشان دهند، به عنوان مثال، زمانی که در معرض دماهای بالا قرار می­‌گیرند.

بسیاری از قطعات و دستگاه‌­های الکترونیکی وجود دارند که مشخصه‌­های غیر­خطی دارند، یعنی نسبت V/I آن­ها ثابت نیست. دیودهای نیمه‌هادی با مشخصه­‌های جریان-ولتاژ غیر­خطی مشخص می­‌شوند. زیرا جریانی که از یک دیود سیلیکونی معمولی بایاس مستقیم عبور می­‌کند، توسط مقاومت اهمی اتصال PN محدود می­‌شود.

منحنی مشخصه I-V نیمه هادی‌ها

المان‌های نیمه هادی مانند دیودها، ترانزیستورها و تریستورها همگی با استفاده از اتصالات PN نیمه‌هادی متصل به هم ساخته می­‌شوند و به این ترتیب منحنی­‌های مشخصه I-V آن­ها عملکرد این اتصالات PN را منعکس می­‌کند. بنابراین، این قطعات برخلاف مقاومت‌هایی که رابطه خطی بین جریان و ولتاژ دارند، ویژگی‌های I-V غیرخطی خواهند داشت.

به عنوان مثال، وظیفه اصلی دیود نیمه‌هادی، یکسوسازی AC به DC است. هنگامی که یک دیود بایاس مستقیم باشد (پتانسیل بالاتر به آند آن متصل است)، جریان عبور می‌کند. هنگامی که دیود بایاس معکوس است (پتانسیل بالاتر به کاتد آن متصل است)، جریان مسدود می­‌شود. بنابراین، یک اتصال PN به یک ولتاژ بایاس با قطبیت و دامنه معینی برای عبور جریان نیاز دارد. این ولتاژ بایاس همچنین مقاومت محل اتصال و در نتیجه عبور جریان از آن را کنترل می کند. مدار دیود زیر را در نظر بگیرید.

منحنی مشخصه جریان ولتاژ دیود

هنگامی که دیود بایاس مستقیم است، آند نسبت به کاتد مثبت بوده و یک جریان مستقیم یا مثبت از دیود می­‌گذرد و در ربع سمت راست بالای منحنی­ مشخصه­‌های I-V آن مانند شکل عمل می­‌کند. با شروع از تقاطع صفر، منحنی به تدریج در ربع مستقیم افزایش می‌­یابد، اما جریان و ولتاژ مستقیم بسیار کم هستند.

هنگامی که ولتاژ مستقیم از ولتاژ سد (barrier voltage) داخلی پیوندهای دیود P-N که برای سیلیکون حدود 0.7 ولت است بیشتر می­‌شود، شکست بهمنی رخ می­‌دهد و جریان مستقیم به سرعت افزایش می‌­یابد تا افزایش بسیار کمی در ولتاژ ایجاد کرده و منحنی غیر­خطی ایجاد کند. نقطه “زانو” (knee) روی منحنی مستقیم را مشاهده کنید.

به همین ترتیب، هنگامی که دیود بایاس معکوس بوده، کاتد نسبت به آند مثبت است، دیود جریان را به جز یک جریان نشتی بسیار کوچک مسدود کرده و در ربع پایین سمت چپ منحنی­ مشخصه I-V خود عمل می­‌کند. دیود همچنان به مسدود کردن عبور جریان از طریق آن ادامه می‌دهد تا زمانی که ولتاژ معکوس در دیود از نقطه ولتاژ شکست آن بیشتر شود که منجر به افزایش ناگهانی جریان معکوس می‌شود که یک منحنی رو به پایین با خط نسبتاً مستقیم را به عنوان کنترل تلفات ولتاژ ایجاد می‌کند. این نقطه ولتاژ شکست معکوس برای تأثیر مثبت در دیودهای زنر استفاده می‌شود.

بنابراین می‌توانیم ببینیم که منحنی‌های مشخصه I-V برای یک دیود سیلیکونی غیرخطی هستند و با منحنی‌های خطی I-V مقاومت‌های قبلی بسیار متفاوت هستند زیرا مشخصه‌های الکتریکی آن­ها متفاوت است. منحنی‌های مشخصه‌های جریان-ولتاژ را می‌توان برای رسم عملکرد هر قطعه الکتریکی یا الکترونیکی از مقاومت‌ها، تقویت‌کننده‌ها، نیمه‌رساناها و سلول‌های خورشیدی استفاده کرد.

مشخصه­‌های جریان-ولتاژ یک قطعه الکترونیکی مطالب زیادی در مورد عملکرد آن به ما می‌گوید و می­تواند ابزار بسیار مفیدی در تعیین ویژگی‌­های عملکرد یک دستگاه یا قطعه خاص با نشان دادن ترکیبات احتمالی جریان و ولتاژ آن باشد و به عنوان یک راهنمای گرافیکی می­‌تواند به صورت بصری به درک بهتر عملکرد مدار کمک کند.