전류-전압 특성

전류-전압 특성(current–voltage characteristic) 또는 I-V 곡선(전류-전압 곡선)은 일반적으로 차트나 그래프로 표현되는, 회로, 장치 또는 재료를 통과하는 전류와 그에 상응하는 전압, 또는 전위차 사이의 관계이다.

네 가지 장치의 전류-전압 특성: 높은 전기저항을 가진 저항기, 낮은 저항을 가진 저항기, P-N 접합 다이오드, 그리고 내부 저항이 0이 아닌 배터리 (전기). 가로축은 전압 강하를, 세로축은 전류를 나타낸다. 네 그래프 모두 수동 부호 규약을 사용한다.

일렉트로닉스

오버드라이브 전압 ${\displaystyle V_{GS}-V_{th}}$의 여러 값에 대한 MOSFET의 드레인 전류 대 드레인-소스 전압; 선형(옴성) 모드와 포화(활성) 모드 사이의 경계는 위로 휘어지는 포물선으로 표시된다.

일렉트로닉스에서 전자 장치를 통과하는 직류와 단자 간의 전압 사이의 관계를 장치의 전류-전압 특성이라고 한다. 전자공학 기술자들은 이 차트를 사용하여 장치의 기본 매개변수를 결정하고 전기 회로 내에서 장치의 동작을 모델링한다. 이 특성들은 전류와 전압의 표준 기호를 참조하여 I-V 곡선으로도 알려져 있다.

진공관 및 트랜지스터와 같이 두 개 이상의 단자를 가진 전자 부품에서는 한 쌍의 단자에서 전류-전압 관계가 세 번째 단자의 전류 또는 전압에 따라 달라질 수 있다. 이는 일반적으로 여러 곡선으로 이루어진 더 복잡한 전류-전압 그래프로 표시되며, 각 곡선은 세 번째 단자의 다른 전류 또는 전압 값에서의 전류-전압 관계를 나타낸다.^[1]

예를 들어, 오른쪽 그림은 과전압(V_GS − V_th)을 매개변수로 하여 드레인 전압에 대한 MOSFET의 I-V 곡선 패밀리를 보여준다.

가장 간단한 I-V 곡선은 저항기의 곡선으로, 옴의 법칙에 따라 인가된 전압과 결과 전류 사이에 선형 관계를 나타낸다. 전류는 전압에 비례하므로 I-V 곡선은 양의 기울기를 가지며 원점을 통과하는 직선이다. 이 기울기의 곱셈 역원은 전기저항과 같다.

전기 부품의 I-V 곡선은 곡선 추적기라는 장비로 측정할 수 있다. 트랜스컨덕턴스와 얼리 효과는 장치의 I-V 곡선에서 전통적으로 측정되는 매개변수의 예이다.

I-V 곡선의 종류

전기 부품의 특성 곡선 형태는 작동 특성에 대해 많은 것을 알려준다. 여러 장치의 I-V 곡선은 다음과 같은 범주로 분류할 수 있다.

I-V 평면의 사분면. 전원은 빨간색 영역을 통과하는 곡선을 갖는다.

• 능동 vs 수동: I-V 평면의 첫 번째 및 세 번째 사분면에 한정되어 원점을 통과하는 I-V 곡선을 갖는 장치는 회로에서 전력을 소비하는 수동소자(부하)이다. 저항기, 전구 및 전동기가 그 예이다. 전통적인 전류는 항상 이 장치들을 통해 전기장의 방향으로, 양의 전압 단자에서 음의 전압 단자로 흐르므로, 전하는 장치 내에서 위치 에너지를 잃고 열 또는 다른 형태의 에너지로 변환된다.

대조적으로, 두 번째 또는 네 번째 사분면을 통과하는 I-V 곡선을 가진 장치는 능동 부품, 즉 전원으로, 전력을 생산할 수 있다. 배터리와 발전기가 그 예이다. 두 번째 또는 네 번째 사분면에서 작동할 때, 전류는 전기장의 반대 힘에 맞서 음에서 양 전압 단자로 장치를 통해 흐르도록 강제되므로, 전하는 위치 에너지를 얻는다. 따라서 장치는 다른 형태의 에너지를 전기 에너지로 변환하고 있다.

• 선형 vs 비선형: 원점을 통과하는 직선은 선형 회로 요소를 나타내는 반면, 곡선은 비선형 요소를 나타낸다. 예를 들어, 저항기, 커패시터, 인덕터는 선형이지만, 다이오드와 트랜지스터는 비선형이다. 원점을 통과하고 양의 기울기를 가진 직선 I-V 곡선은 회로에서 가장 흔히 접하는 저항 유형인 선형 또는 옴성 저항기를 나타낸다. 이는 옴의 법칙을 따르며, 전류는 넓은 범위에서 인가 전압에 비례한다. 선의 기울기의 역수와 같은 전기저항은 일정하다. 곡선 I-V 선은 다이오드와 같은 비선형 저항을 나타낸다. 이 유형에서는 저항이 인가 전압 또는 전류에 따라 달라진다.
• 부저항 vs 양의 저항: I-V 곡선이 전체적으로 양의 기울기(오른쪽으로 증가)를 가지면 양의 저항을 나타낸다. 비단조적인(정점과 골짜기가 있는) I-V 곡선은 부저항을 가진 장치를 나타낸다. 곡선 중 음의 기울기(오른쪽으로 감소)를 가진 영역은 장치가 음의 미분 저항을 가진 작동 영역을 나타내고, 양의 기울기 영역은 양의 미분 저항을 나타낸다. 부저항 장치는 앰프와 발진기를 만드는 데 사용될 수 있다. 터널 다이오드와 건 다이오드는 부저항을 가진 부품의 예이다.
• 이력 현상 vs 단일 값: 이력 현상을 가진 장치, 즉 전류-전압 관계가 현재 인가된 입력뿐만 아니라 과거 입력의 이력에도 의존하는 장치는 닫힌 루프 패밀리로 구성된 I-V 곡선을 갖는다. 루프의 각 가지는 화살표로 표시된 방향으로 표시된다. 이력 현상을 가진 장치의 예로는 철심 유도자와 변압기, SCR 및 DIAC와 같은 사이리스터, 그리고 네온등과 같은 가스 방전관이 있다.

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  터널 다이오드 특성 곡선과 유사한 I-V 곡선. v₁과 v₂ 사이의 음영 처리된 전압 영역에서 부저항을 가진다.
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  DIAC I-V 곡선. V_BO는 브레이크오버 전압이다.
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  꼬인 이력 현상을 보여주는 멤리스터 I-V 곡선
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  이력 현상이 있는 부성 미분 저항을 보여주는 건 다이오드 I-V 곡선(화살표에 주목)

전기생리학

뉴런의 소위 "전체 세포" I-V 곡선 중 칼륨 및 나트륨 이온 구성 요소의 근사치.

I-V 곡선은 모든 전기 시스템에 적용 가능하지만, 생체 전기 분야, 특히 전기생리학 하위 분야에서 널리 사용된다. 이 경우 전압은 생체막을 가로지르는 전압, 즉 막 전위를 나타내고, 전류는 이 막의 이온 통로를 통한 전하를 띤 이온의 흐름을 나타낸다. 전류는 이러한 통로의 전도도에 의해 결정된다.

생체막을 가로지르는 이온 전류의 경우, 전류는 내부에서 외부로 측정된다. 즉, "외향 전류"라고 알려진 양의 전류는 양전하를 띤 이온이 세포막을 내부에서 외부로 건너거나, 음전하를 띤 이온이 외부에서 내부로 건너는 것에 해당한다. 유사하게, 음의 값을 가진 전류는 "내향 전류"라고 불리며, 양전하를 띤 이온이 세포막을 외부에서 내부로 건너거나, 음전하를 띤 이온이 내부에서 외부로 건너는 것에 해당한다.

오른쪽 그림은 흥분성 생체막(예: 뉴런의 축삭돌기) 내 전류와 더 관련이 있는 I-V 곡선을 보여준다. 파란색 선은 칼륨 이온에 대한 I-V 관계를 나타낸다. 이는 선형이며, 칼륨 이온 통로의 전압 의존성 게이팅이 없음을 나타낸다. 노란색 선은 나트륨 이온에 대한 I-V 관계를 나타낸다. 이는 선형이 아니며, 나트륨 이온 통로가 전압 의존성임을 나타낸다. 녹색 선은 나트륨 및 칼륨 전류를 합산하여 얻은 I-V 관계를 나타낸다. 이는 두 가지 유형의 통로를 모두 포함하는 세포의 실제 막 전위 및 전류 관계를 근사화한다.

같이 보기

• 최대 전력점 추적
• 전압전류법