Interpretatie van stroom-spanningscurven van verschillende materialen

Dit artikel bespreekt de ideeën die betrokken zijn bij het meten en interpreteren van de stroom-spanningscurves van zonnecellen, batterijen en onbekende materialen.

Dit artikel bespreekt de ideeën die betrokken zijn bij het meten en interpreteren van de stroom-spanningscurven van zonnecellen, batterijen en onbekende materialen.

Dit technische artikel bespreekt het gebruik van IV-curven van ideale, lineaire componenten om verschillende materialen te begrijpen en te interpreteren en hoe ze worden gebruikt als elektronische apparaten. In het bijzonder gaat het artikel over zonnecellen, batterijen en nieuwe materialen. Hoewel externe referenties worden gegeven over hoe deze apparaten werken, richt dit artikel zich alleen op de IV-curves van deze apparaten.

Voorgestelde lezing

• Inzicht in stroom-spanningscurven
• Inzicht in stroom-spanningscurven van niet-lineaire apparaten

I-V-krommen van zonnecellen

Zonnecellen zijn foto-elektrische apparaten die lichtenergie omzetten in elektrische energie. Met andere woorden, ze genereren stroom wanneer ze worden blootgesteld aan licht. Wanneer licht op een fotovoltaïsch halfgeleidermateriaal (zonnecel) valt, wordt de energie van de fotonen overgebracht naar het materiaal, dat vrij bewegende ladingen produceert.

Bij een voltooid circuit met een belastingsweerstand wordt er een stroom gegenereerd in het circuit wanneer de zonnecel wordt blootgesteld aan licht. Omdat de zonnecel elektrische stroom genereert, wordt de I-V-curve verkregen door belastingomschakeling.

Belastingomschakeling omvat het gebruik van verschillende weerstandsbelastingen die zijn aangesloten op een stroombron en het meten van de spanning over het apparaat (met behulp van een voltmeter), evenals de stroom erdoorheen (met behulp van een ampèremeter). Om te zien in hoeverre een zonnecel stroom kan leveren aan een circuit, meten we de I-V-karakteristiek van het apparaat met behulp van de load-switching-methode. Een typische curve wordt getoond in figuur 1.

Figuur 1. Schema van een I-V-meetcircuit voor een zonnecel voor een vaste verlichting (boven) en een typische I-V-curve van een zonnecel (onder). $$I_{SC}$$ is de kortsluitstroom en $$V_{OC}$$ is de nullastspanning. Voor kleine weerstandswaarden gedragen de zonnecellen zich meestal als ideale stroombronnen.

Voor een weerstandsbelasting van 0 ohm (kortsluiting) staat de maximale stroom die een zonnecel kan produceren voor een bepaalde invallende verlichting bekend als de kortsluitstroom, $$I_{SC}$$. Aan de andere kant, voor een weerstandsbelasting van oneindige ohm (open circuit), zal er geen stroom in het circuit zijn, terwijl de spanning die door de zonnecel wordt gegenereerd voor een bepaalde verlichting de nullastspanning wordt genoemd, $$V_{OC }$$.

Uit de I-V-respons van de zonnecel die in figuur 1 wordt getoond, zien we dat typische zonnecellen zich meer als een stroombron gedragen voor kleinere waarden van belastingsweerstanden. Aan de andere kant heeft een batterij de neiging zich als een spanningsbron te gedragen, zoals we in het volgende gedeelte zullen zien.

I-V-curven van batterijen

Een batterij, een verzameling voltaïsche cellen, is een apparaat dat chemische energie omzet in elektrische energie door middel van elektrochemische reacties. Een batterij is geclassificeerd voor een bepaalde spanning en capaciteit (A-uur), op basis van de chemische constructie en samenstelling. Voorbeelden van batterijtypes zijn Nikkel-Cadmium (Ni-Cd) of Lithium-Ion (Li-Ion).

Omdat de batterij een stroombron is, wordt de I-V-respons van een batterij verkregen met behulp van load-switching. Een schematische weergave van de IV-curve van een batterij wordt getoond in figuur 2.

Figuur 2. Laadschakelmeting van een ideale batterij (boven) en de I-V-curve van een ideale batterij en een typische echte batterij (onder). De echte batterij wordt meestal gemodelleerd als een ideale batterij in serie met een interne weerstand, vanwege het lineaire karakter van de IV-curve.

Een ideale batterij werkt als een ideale spanningsbron. Een echte batterij die nog steeds volledig functioneel is, gedraagt ​​zich als een ideale spanningsbron, maar heeft een helling zoals weergegeven door de ononderbroken lijn in figuur 2.

Een helling op een IV-curve is een weerstand (zoals beschreven in het artikel over IV-curven van ideale componenten). Daarom wordt een echte batterij vaak voorgesteld als een ideale batterij in serie met een interne weerstand, zoals hier beschreven. De I-V-karakteristiek van een zonnecel en een batterij gaat niet door de oorsprong, wat aangeeft dat ze een vorm van energie opslaan.

I-V-curven van nieuwe materialen

We hebben de stroom-spanningscurven gezien van ideale componenten, dit zijn lineaire en passieve apparaten zoals weerstanden, condensatoren en inductoren. We hebben ook gekeken naar actieve apparaten die stroom leveren, zoals ideale spanningsbronnen en stroombronnen.

Met behulp van de ideale plots hebben we gekeken naar de IV-curven van niet-lineaire, passieve apparaten zoals diodes en transistors, maar ook naar actieve apparaten zoals zonnecellen en batterijen. Op een gegeven moment waren apparaten zoals diodes en zonnecellen onbekend, en het meten van de stroom versus spanningskarakteristiek was een manier van modellering het apparaat met behulp van lineaire componenten. Het hebben van een basisintuïtie achter IV-curven kan ingenieurs helpen nieuwe toepassingen voor materialen te ontdekken.

In deze sectie zullen we kijken naar de IV-curve van een stimulatie-elektrode, die wordt gebruikt voor het verzenden van elektrische pulsen bij zoogdieren. Dit gedeelte van het artikel geeft alleen inzicht in hoe we de IV-curven van lineaire componenten kunnen gebruiken om een ​​onbekende IV-respons te visualiseren en een idee te krijgen van hoe deze zich gedraagt.

Neurale stimulatie-elektrode

Een elektrode is een geleidend materiaal dat contact maakt met een niet-metalen deel van het circuit. Batterijen worden bijvoorbeeld geconstrueerd met elektroden die in een elektrolyt zijn geplaatst. Om het materiaal dat in een elektrode wordt gebruikt te bestuderen, voeren elektrochemici een meting uit die bekend staat als cyclische voltammetrie , wat in wezen een IV-curvemeting is met behulp van de spanningszwaaimethode.

Cyclische voltammetrie (CV) grafieken zijn methoden om de spanningen te bestuderen waarbij elektrochemische reacties het meest voorkomen. In dit opzicht houdt CV ook rekening met de snelheid waarmee de spanningszwaaien worden uitgevoerd. U kunt hier meer leren over cyclische voltammetrie.

De meetopstelling voor een IV-curve van een elektrode is meestal een systeem met drie elektroden. De elektrode wordt in een zoutoplossing (NaCl) geplaatst en er is een platina-tegenelektrode, evenals een referentie-elektrode. De onderstaande afbeelding is een voorbeeld van de IV-respons, of cyclische voltammetriegrafiek van een iridiumoxidefilmelektrode, die wordt gebruikt voor biologische stimulatietoepassingen.

Figuur 3. IV-curve van een iridiumoxide-elektrodemateriaal geplaatst in een zoutoplossing (blauwe curve). Ook gesuperponeerd is de IV-curverespons van een condensator en een weerstand. Dit toont aan dat het materiaal capacitieve eigenschappen van ladingsopslag (hysterese) vertoont

De grafiek in figuur 3 toont de CV-curve van een iridiumoxide-elektrode. Merk op dat, in tegenstelling tot een weerstand, de elektroderespons van iridiumoxide in een zoutoplossing de eigenschappen van een condensator bevat, dat wil zeggen, het slaat lading op. Deze eigenschap van ladingsopslag, samen met vele andere, is de reden dat dit materiaal wordt gebruikt voor biologische stimulatie, namelijk het injecteren van lading in biologisch weefsel.

Samenvatting van het interpreteren van IV-curven van verschillende materialen