Интерпретация кривых тока-напряжения для различных материалов

В этой статье обсуждаются идеи, связанные с измерением и интерпретацией кривых вольт-амперной характеристики солнечных элементов, батарей и неизвестных материалов.

В этой статье обсуждаются идеи, связанные с измерением и интерпретацией вольт-амперных кривых солнечных элементов, батарей и неизвестных материалов.

В этой технической статье обсуждается использование ВАХ идеальных линейных компонентов для понимания и интерпретации различных материалов и их использования в качестве электронных устройств. В частности, в статье рассматриваются солнечные элементы, батареи и новые материалы. Хотя внешние ссылки будут предоставлены о том, как эти устройства работают, в этой статье мы сосредоточимся только на кривых I-V этих устройств.

Предлагаемое чтение

• Анализ кривых "ток-напряжение"
• Анализ вольт-амперных характеристик нелинейных устройств.

ВАХ солнечных элементов

Солнечные элементы - это фотоэлектрические устройства, которые преобразуют световую энергию в электрическую. Другими словами, они генерируют энергию при воздействии света. Когда свет падает на фотоэлектрический полупроводниковый материал (солнечный элемент), энергия фотонов передается материалу, который производит свободно движущиеся заряды.

В замкнутой цепи с нагрузочным резистором ток генерируется в цепи, когда солнечный элемент подвергается воздействию света. Поскольку солнечный элемент генерирует электрический ток, его ВАХ получается переключением нагрузки.

Коммутация нагрузки включает использование различных резисторных нагрузок, подключенных к источнику питания, и измерение напряжения на устройстве (с помощью вольтметра), а также тока через него (с помощью амперметра). Чтобы увидеть, в какой степени солнечный элемент может обеспечить ток в цепи, мы измеряем ВАХ устройства, используя метод переключения нагрузки. Типичная кривая показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема цепи измерения ВА для солнечного элемента для фиксированного освещения (вверху) и типичная кривая ВА для солнечного элемента (внизу). $$ I_ {SC} $$ - ток короткого замыкания, а $$ V_ {OC} $$ - напряжение холостого хода. При малых значениях резистора солнечные элементы ведут себя как идеальные источники тока.

Для резистивной нагрузки 0 Ом (короткое замыкание) максимальный ток, который солнечный элемент может производить при заданном падающем освещении, известен как ток короткого замыкания, $$ I_ {SC} $$. С другой стороны, для резистивной нагрузки с бесконечным сопротивлением (разомкнутая цепь) в цепи не будет тока, тогда как напряжение, генерируемое солнечным элементом для данного освещения, называется напряжением холостого хода, $$ V_ {OC } $$.

Из ВАХ солнечного элемента, показанного на рисунке 1, мы видим, что типичные солнечные элементы имеют тенденцию вести себя больше как источник тока при меньших значениях нагрузочных резисторов. С другой стороны, батарея ведет себя как источник напряжения, как мы увидим в следующем разделе.

ВАХ батарей

Батарея, представляющая собой совокупность гальванических элементов, представляет собой устройство, преобразующее химическую энергию в электрическую посредством электрохимических реакций. Батарея рассчитана на определенное напряжение и номинальную емкость (А-ч) в зависимости от ее химического строения и состава. Примеры типов батарей:никель-кадмиевые (Ni-Cd) или литий-ионные (Li-Ion).

Поскольку аккумулятор является источником питания, ВАХ аккумулятора получается с помощью переключения нагрузки. Схема I-V кривой батареи показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Измерение переключения нагрузки идеальной батареи (вверху) и кривой ВАХ идеальной батареи, а также типичной реальной батареи (внизу). Настоящая батарея обычно моделируется как идеальная батарея, включенная последовательно с внутренним сопротивлением, из-за линейного характера кривой ВАХ.

Идеальная батарея работает как идеальный источник напряжения. Настоящая батарея, которая все еще полностью работоспособна, ведет себя как идеальный источник напряжения, но имеет наклон, как показано сплошной линией на рисунке 2.

Наклон на кривой ВАХ - это сопротивление (как описано в статье "Кривые ВАХ идеальных компонентов"). Поэтому настоящую батарею часто представляют как идеальную батарею, включенную последовательно с внутренним сопротивлением, как описано здесь. ВАХ солнечного элемента и батареи не проходит через источник, указывая на то, что они хранят некоторую форму энергии.

ВАХ новых материалов

Мы видели кривые вольт-амперной характеристики идеальных компонентов, которые являются линейными и пассивными устройствами, такими как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности. Мы также рассмотрели активные устройства, обеспечивающие питание, например идеальные источники напряжения и тока.

Используя идеальные графики, мы рассмотрели ВАХ нелинейных пассивных устройств, таких как диоды и транзисторы, а также активных устройств, таких как солнечные элементы и батареи. Когда-то такие устройства, как диоды и солнечные элементы были неизвестны, и измерение зависимости тока от напряжения было способом моделирования устройство с использованием линейных компонентов. Базовое понимание кривых I-V может помочь инженерам открывать новые возможности использования материалов.

В этом разделе мы рассмотрим ВАХ стимулирующего электрода, используемого для отправки электрических импульсов млекопитающим. Этот раздел статьи просто дает представление о том, как мы можем использовать кривые ВАХ линейных компонентов для визуализации неизвестного отклика ВАХ и иметь интуитивное представление о том, как он себя ведет.

Электрод нервной стимуляции

электрод представляет собой проводящий материал, который контактирует с неметаллической частью цепи. Например, батареи сконструированы с электродами, помещенными в электролит. Чтобы изучить материал, из которого изготовлен электрод, электрохимики проводят измерение, известное как циклическая вольтамперометрия . , который, по сути, представляет собой измерение ВАХ с использованием метода развертки напряжения.

Графики циклической вольтамперометрии (CV) - это методы исследования напряжений, при которых наиболее распространены электрохимические реакции. В этом отношении CV также учитывает скорость, с которой выполняется развертка напряжения. Вы можете узнать больше о циклической вольтамперометрии здесь.

Установка для измерения ВАХ электрода обычно представляет собой трехэлектродную систему. Электрод помещен в солевой раствор (NaCl), и есть платиновый противоэлектрод, а также электрод сравнения. На приведенном ниже рисунке показан пример ВАХ или графика циклической вольтамперометрии пленочного электрода из оксида иридия, используемого для приложений биологической стимуляции.

Рисунок 3. ВАХ материала электрода из оксида иридия, помещенного в раствор соли (синяя кривая). Также наложена характеристика ВАХ конденсатора и резистора. Это показывает, что материал демонстрирует емкостные свойства накопления заряда (гистерезис)

График на Рисунке 3 показывает CV-кривую электрода из оксида иридия. В отличие от резистора, обратите внимание, что отклик электрода оксида иридия в солевом растворе включает в себя свойства конденсатора, то есть он сохраняет заряд. Это свойство накопления заряда, наряду со многими другими, является причиной того, что этот материал используется для биологической стимуляции, то есть введения заряда в биологическую ткань.

Сводка интерпретации кривых ВАХ различных материалов

Устройства	Требуется питание?	Метод I-V	Как часто используется?	Проходит через исходную точку ?
Солнечная батарея	Нет	Переключение нагрузки	Текущий источник малых нагрузок	Да
Батарейки	Нет	Переключение нагрузки	Источник напряжения для больших нагрузок	Да
Электрод стимуляции	Да	Развертка напряжения	Действует как конденсатор, используемый для введения заряда в ткани	Нет