Volt-Ampérová charakteristika

Pro hlubší ponor do elektroniky je nutné znát i vnitřní fungování elektronických součástek, ale pro praktické využití si často vystačíme s volt-ampérovou charakteristikou. Charakteristika je grafickým vyjádřením vztahu mezi napětím a proudem.

VA charakteristika rezistoru

Vztah mezi napětím a proudem, o kterém jsme se už bavili v předchozím článku, byl Ohmův zákon a charakteristika do jisté míry popisuje odpor součástky, ale není to až tak samozřejmé, k tomu se postupně dostaneme. Zatím začneme charakteristikou rezistoru s hodnotou odporu 1 Ω.

Na takový odpor, pokud budeme postupně přidávat napětí 1 V, 2 V… dostaneme odpovídající proudy dle Ohmova zákona. Body zaneseme do grafu a propojíme je. VA charakteristika rezistoru s odporem 1 Ω je na světě. (obr. VA ch R=1)

Je zvykem, že napětí je na vodorovné ose a proud na svislé, ale například u zdrojů

je naopak typické osy prohazovat. Zatím se držme tohoto popisu viz obrázek.

Nyní si vezměme rezistor s hodnotou 2 Ω. Ním poteče proud 1 A až při 2 V, takže charakteristika je „plošší“ (více vodorovná). Kdybychom došli až do nekonečného odporu, což je odpor ideálního izolantu, tak můžeme přikládat na materiál jakékoliv napětí, přesto bude proud stále 0 A. Charakteristika je vodorovná.

U dokonalého vodiče je situace taková, že sebemenší napětí na takovém vodiči způsobí nekonečný proud, takže charakteristika je v našem rozložení os svislá čára. Ve skutečnosti je samozřejmě proud omezen možnostmi zdroje nebo jističem 🙂

VA charakteristika tyristoru

Z něčeho tak jednoduchého, jako je rezistor, přeskočíme rovnou na tyristor. To je součástka fungující jako spínač řízený signálem, který po krátkém impulzu sepne a zůstane sepnutý, dokud jím protéká dostatečný proud. V praxi se tyristor spíná řídicím impulzem na elektrodě gate, ale VA charakteristika popisuje jeho chování mezi anodou a katodou.

Teď se můžeme podívat, jak toto chování popisuje VA charakteristika. Nejprve

vidíme, že charakteristika není symetrická. To znamená, že funkce tyristoru záleží na tom, kde připojíme plus a mínus.

V jednom směru je při jakémkoliv napětí proud nulový, takže součástka je stále zavřená – tyristor se chová stejně jako dioda v závěrném směru.

V propustném směru je také nejprve zavřená, charakteristika je vodorovná, součástka se chová jako izolant. Pokud ale napětí překročí určitou hodnotu (např. kolem 5 V), přejde tyristor do otevřeného stavu a začne vést. Vidíme, že na tyristoru je malé napětí, ale teče jím proud – součástka je otevřená.

Nelineární charakteristiky a diferenční odpor

U rezistoru jsme si ukázali, že voltampérovou charakteristiku můžeme dopočítat pomocí Ohmova zákona. A jak dopočítat charakteristiku pro tyristor? Nijak.

Nelineární charakteristiky polovodičových součástek nejdou popsat jednoduchou rovnicí, takže jejich tvary vycházejí z měření. My jsme v měření změřili charakteristiku řárovky.

Nelinearita charakteristik vede k dalšímu zásadnímu problému při řešení elektronických obvodů. Právě protože napětí a proud nejsou úměrné, není možné ve výpočtech přímo využít Ohmův zákon, což by nám začátečníkům prakticky znemožnilo obvody řešit.

Naštěstí se v praxi součástky málokdy využívají v celém rozsahu napětí a proudu. Naopak pracují v úzké oblasti, kterou už je možné nahradit přímkou, a tu lze popsat Ohmovým zákonem. Jinými slovy určujeme odpor pouze v konkrétním bodě charakteristiky, tedy v místě, kde součástka skutečně pracuje.

Vezměme si například VA charakteristiku žárovky, vycházející z naměřených dat viz. zabulka . Ta vlivem měnícího se tepla mění odpor svého vlákna, a proto poměr mezi napětím a proudem není konstantní.

Jenže kdybychom chtěli žárovku zakomponovat do obvodu, potřebujeme pro ji nějaký odpor určit. Například žárovka 24V na 2W měla při měření bez napětí  68 Ohmů, ale z charakteristiky vidíme, že sklon charakteristiky se s rostoucím napětím mění, tím pádem se mění i odpor žárovky. Pokud bude žárovka pracovat na 24 V,  nemůžeme tuto hodnotu použít a tak musíme určit odpor pro tuto pracovní oblast.

Takže dopočítáme tzv. diferenční (rozdílový) odpor. Stačí vzít dva blízké body měření (24V; 72,4mA a 20V; 65,1mA) , napětí a proudy stačí odečíst a rozdíly podělit, stejně jako v Ohmově zákoně. Tím dostaneme odpor žárovky za provozu v dané pracovní oblasti. 

$$
\Delta R=\frac{\Delta U}{\Delta I}=\frac{U_1-U_2}{I_1-I_2}=\frac{(24-20)\,\mathrm{V}}{(72.4-65.1)\,\mathrm{mA}}=548\,\Omega
$$

Kdybychom s žárovkou pracovali v obvodu při 24V, byla by nahrazena odporem s hodnotou 548Ohmů.