Característica corriente-voltaje

Salida de corriente en función del voltaje aplicado a un material o dispositivo

Características de corriente-voltaje de cuatro dispositivos: un resistor con una resistencia grande , un resistor con una resistencia pequeña, un diodo de unión P-N y una batería con una resistencia interna distinta de cero. El eje horizontal representa la caída de voltaje y el eje vertical la corriente . Los cuatro gráficos utilizan la convención de signos pasiva .

Una característica de corriente-voltaje o curva I–V (curva corriente-voltaje) es una relación, normalmente representada como un gráfico , entre la corriente eléctrica a través de un circuito, dispositivo o material y el voltaje correspondiente , o diferencia de potencial, a través de él.

En electrónica

{\displaystyle V_{GS}-V_{th}} — Corriente de drenaje del MOSFET frente a voltaje de drenaje a fuente para varios valores del *voltaje de sobremarcha* ; el límite entre los modos **lineal** ( **óhmico** ) y **de saturación** ( **activo** ) está indicado por la parábola curvada hacia arriba. $V_{GS}-V_{th}$

En electrónica , la relación entre la corriente continua (CC) que pasa por un dispositivo electrónico y el voltaje de CC a través de sus terminales se denomina característica de corriente-voltaje del dispositivo. Los ingenieros electrónicos utilizan estos diagramas para determinar los parámetros básicos de un dispositivo y para modelar su comportamiento en un circuito eléctrico . Estas características también se conocen como curvas I-V, que hacen referencia a los símbolos estándar para corriente y voltaje.

En los componentes electrónicos con más de dos terminales, como los tubos de vacío y los transistores , la relación corriente-voltaje en un par de terminales puede depender de la corriente o el voltaje en un tercer terminal. Esto suele representarse en un gráfico de corriente-voltaje más complejo con múltiples curvas, cada una de las cuales representa la relación corriente-voltaje en un valor diferente de corriente o voltaje en el tercer terminal. ^[1]

Por ejemplo, el diagrama de la derecha muestra una familia de curvas I–V para un MOSFET en función del voltaje de drenaje con sobrevoltaje ( V _GS − V _th ) como parámetro.

La curva I–V más simple es la de una resistencia , que según la ley de Ohm muestra una relación lineal entre el voltaje aplicado y la corriente eléctrica resultante ; la corriente es proporcional al voltaje, por lo que la curva I–V es una línea recta que pasa por el origen con pendiente positiva . El recíproco de la pendiente es igual a la resistencia .

La curva I–V de un componente eléctrico se puede medir con un instrumento llamado trazador de curvas . La transconductancia y el voltaje inicial de un transistor son ejemplos de parámetros que tradicionalmente se miden a partir de la curva I–V del dispositivo.

Tipos de curvas I-V

La forma de la curva característica de un componente eléctrico revela mucho sobre sus propiedades operativas. Las curvas I–V de diferentes dispositivos se pueden agrupar en categorías:

Activo vs pasivo : Los dispositivos que tienen curvas I–V limitadas al primer y tercer cuadrante del plano I–V, pasando por el origen , son componentes pasivos (cargas), que consumen energía eléctrica del circuito. Algunos ejemplos son las resistencias y los motores eléctricos . La corriente convencional siempre fluye a través de estos dispositivos en la dirección del campo eléctrico , desde el terminal de voltaje positivo al negativo, por lo que las cargas pierden energía potencial en el dispositivo, que se convierte en calor o alguna otra forma de energía.

Por el contrario, los dispositivos con curvas I–V que pasan por el segundo o cuarto cuadrante son componentes activos , fuentes de energía , que pueden producir energía eléctrica. Algunos ejemplos son las baterías y los generadores . Cuando está funcionando en el segundo o cuarto cuadrante, la corriente se ve obligada a fluir a través del dispositivo desde el terminal de voltaje negativo al positivo, contra la fuerza opuesta del campo eléctrico, por lo que las cargas eléctricas están ganando energía potencial . Por lo tanto, el dispositivo está convirtiendo alguna otra forma de energía en energía eléctrica.

Lineal vs no lineal : Una línea recta que pasa por el origen representa un elemento de circuito lineal , mientras que una línea curva representa un elemento no lineal . Por ejemplo, las resistencias, los condensadores y los inductores son lineales, mientras que los diodos y transistores son no lineales. Una curva I–V, que es una línea recta que pasa por el origen con pendiente positiva , representa una resistencia lineal u óhmica, el tipo de resistencia más común que se encuentra en los circuitos. Obedece la ley de Ohm ; la corriente es proporcional al voltaje aplicado en un amplio rango. Su resistencia , igual al recíproco de la pendiente de la línea, es constante. Una línea curva I–V representa una resistencia no lineal, como un diodo. En este tipo, la resistencia varía con el voltaje o la corriente aplicados.
Resistencia negativa vs resistencia positiva : si la curva I–V tiene una pendiente positiva (que aumenta hacia la derecha) en todo momento, representa una resistencia positiva. Una curva I–V que no es monótona (que tiene picos y valles) representa un dispositivo que tiene resistencia negativa . Las regiones de la curva que tienen una pendiente negativa (que disminuye hacia la derecha) representan regiones operativas donde el dispositivo tiene resistencia diferencial negativa , mientras que las regiones de pendiente positiva representan resistencia diferencial positiva. Los dispositivos de resistencia negativa se pueden utilizar para hacer amplificadores y osciladores . Los diodos de túnel y los diodos Gunn son ejemplos de componentes que tienen resistencia negativa.
Histéresis vs. valor único : los dispositivos que tienen histéresis , es decir, en los que la relación corriente-voltaje depende no solo de la entrada aplicada actual sino también del historial pasado de entradas, tienen curvas I-V que consisten en familias de bucles cerrados. Cada rama del bucle está marcada con una dirección representada por una flecha. Algunos ejemplos de dispositivos con histéresis incluyen inductores y transformadores con núcleo de hierro , tiristores como SCR y DIAC , y tubos de descarga de gas como luces de neón .

Curva I–V similar a la curva característica de un diodo túnel . Tiene resistencia negativa en la región de voltaje sombreada, entre v ₁ y v ₂
Curva DIAC I–V. V _BO es la tensión de ruptura .
Curva I–V del memristor , que muestra una histéresis estrecha
Curva I–V del diodo Gunn , que muestra una resistencia diferencial negativa con histéresis (observe las flechas)

En electrofisiología

Si bien las curvas I–V son aplicables a cualquier sistema eléctrico, se utilizan ampliamente en el campo de la electricidad biológica, en particular en el subcampo de la electrofisiología . En este caso, el voltaje se refiere al voltaje a través de una membrana biológica, un potencial de membrana , y la corriente es el flujo de iones cargados a través de canales en esta membrana. La corriente está determinada por las conductancias de estos canales.

En el caso de la corriente iónica a través de las membranas biológicas, las corrientes se miden de dentro hacia fuera. Es decir, las corrientes positivas, conocidas como "corriente de salida", corresponden a iones con carga positiva que atraviesan una membrana celular de dentro hacia fuera, o un ion con carga negativa que la cruza de fuera hacia dentro. De manera similar, las corrientes con un valor negativo se denominan "corriente de entrada", que corresponden a iones con carga positiva que atraviesan una membrana celular de fuera hacia dentro, o un ion con carga negativa que la cruza de dentro hacia fuera.

La figura de la derecha muestra una curva I–V que es más relevante para las corrientes en membranas biológicas excitables (como un axón neuronal ). La línea azul muestra la relación I–V para el ion potasio. Es lineal, lo que indica que no hay una activación dependiente del voltaje del canal del ion potasio. La línea amarilla muestra la relación I–V para el ion sodio. No es lineal, lo que indica que el canal del ion sodio depende del voltaje. La línea verde indica la relación I–V derivada de la suma de las corrientes de sodio y potasio. Esto aproxima el potencial de membrana real y la relación de corriente de una célula que contiene ambos tipos de canal.

Véase también

Referencias

^ HJ van der Bijl (1919). "Teoría y características operativas del amplificador termiónico". Actas del IRE . 7 (2). Instituto de Ingenieros de Radio: 97–126. doi :10.1109/JRPROC.1919.217425.

[1] HJ van der Bijl (1919). "Teoría y características operativas del amplificador termiónico". Actas del IRE . 7 (2). Instituto de Ingenieros de Radio: 97–126. doi :10.1109/JRPROC.1919.217425.