В этой статье обсуждаются идеи, связанные с измерением и интерпретацией вольт-амперных характеристик солнечных элементов, батарей и неизвестных материалов.
В этой технической статье обсуждается использование кривых IV идеальных линейных компонентов для понимания и интерпретации различных материалов и того, как они используются в качестве электронных устройств. В частности, в статье рассматриваются солнечные элементы, батареи и новые материалы. В то время как будут предоставлены внешние ссылки для работы этих устройств, эта статья будет посвящена только кривым IV этих устройств.
Рекомендуемое чтение
Понимание кривых тока
Понимание кривых тока на нелинейных устройствах
IV Кривые 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 от фотонов переходит на материал, который производит свободно движущиеся заряды.
Для завершенной схемы с нагрузочным резистором в цепи генерируется ток, когда солнечный элемент подвергается воздействию света. Поскольку солнечный элемент генерирует электрический ток, его кривая IV получается путем переключения нагрузки.
Переключение нагрузки включает в себя использование различных нагрузок резисторов, подключенных к источнику питания, и измерение напряжения на устройстве (с использованием вольтметра), а также ток через него (с использованием амперметра). Чтобы увидеть, насколько солнечный элемент может обеспечить ток в цепи, мы измеряем IV характеристику устройства с помощью метода переключения нагрузки. Типичная кривая показана на рисунке 1.
Image
Рисунок 1. Схема IV измерительной схемы для солнечного элемента для фиксированного освещения (сверху) и типичной кривой IV солнечного элемента (снизу). $$ I_ {SC} $$ - ток короткого замыкания, а $$ V_ {OC} $$ - напряжение разомкнутой цепи. Для малых значений резисторов солнечные элементы ведут себя как идеальные источники тока
При нагрузке на резистор 0 Ом (короткое замыкание) максимальный ток, создаваемый солнечным элементом для данной падающей освещенности, известен как ток короткого замыкания, $$ I_ {SC} $$. С другой стороны, для нагрузки резистора бесконечных Ом (разомкнутая цепь) ток в цепи не будет, тогда как напряжение, генерируемое солнечным элементом при данной освещенности, называется напряжением разомкнутой цепи, $$ V_ {OC } $$.
Из IV отклика солнечного элемента, показанного на рисунке 1, мы видим, что типичные солнечные элементы ведут себя скорее как источник тока для меньших значений нагрузочных резисторов. С другой стороны, батарея имеет тенденцию вести себя как источник напряжения, как мы увидим в следующем разделе.
IV Кривые аккумуляторов
Батарея, представляющая собой коллекцию вольтовых элементов, представляет собой устройство, которое преобразует химическую энергию в электрическую энергию посредством электрохимических реакций. Батарея рассчитана на конкретное напряжение и мощность (A-hr), исходя из ее химической конструкции и состава. Примерами типов батарей являются никель-кадмий (Ni-Cd) или литий-ионный (Li-Ion).
Поскольку аккумулятор является источником питания, IV-ответ батареи получается с помощью переключения нагрузки. Схема IV кривой батареи показана на рисунке 2.
Image
Рисунок 2. Измерение переключения нагрузки идеальной батареи (сверху) и кривой IV идеальной батареи, а также типичной реальной батареи (снизу). Реальная батарея обычно моделируется как идеальная батарея в серии с внутренним сопротивлением из-за линейного характера кривой IV
Идеальная батарея работает как идеальный источник напряжения. Реальная батарея, которая все еще полностью функционирует, ведет себя как идеальный источник напряжения, но имеет наклон, как показано сплошной линией на рисунке 2.
Наклон кривой IV представляет собой сопротивление (как описано в статье на IV кривых идеальных компонентов). Таким образом, реальная батарея часто представляется идеальной батареей последовательно с внутренним сопротивлением, как описано здесь. IV характеристика солнечного элемента и батареи не проходит через источник, что указывает на то, что они хранят некоторую форму энергии.
IV Кривые новых материалов
Мы видели кривые тока-напряжения идеальных компонентов, которые являются линейными и пассивными устройствами, такими как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности. Мы также рассмотрели активные устройства, которые питают такие источники питания, как идеальные источники напряжения и источники тока.
Используя идеальные графики, мы рассмотрели кривые IV нелинейных пассивных устройств, таких как диоды и транзисторы, а также активные устройства, такие как солнечные элементы и батареи. В какой-то момент времени устройства, такие как диоды и солнечные элементы, были неизвестны, и измерение характеристики тока и напряжения было способом моделирования устройства с использованием линейных компонентов. Наличие базовой интуиции позади кривых IV может помочь инженерам найти новые возможности использования материалов.
В этом разделе мы рассмотрим кривую IV стимулирующего электрода, используемую для отправки электрических импульсов у млекопитающих. Этот раздел статьи просто дает представление о том, как мы можем использовать кривые IV линейных компонентов для визуализации неизвестного ответа IV и иметь интуицию относительно того, как он себя ведет.
Электролиз нейростимуляции
Электрод представляет собой проводящий материал, который контактирует с неметаллической частью контура. Например, батареи сконструированы с электродами, помещенными в электролит. Для изучения материала, используемого в электроде, электрохимики выполняют измерение, известное как циклическая вольтамперометрия, которое по существу является измерением кривой IV 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 выполняются развертки напряжения. Здесь вы можете узнать больше о циклической вольтамперометрии.
Установка измерения для кривой IV электрода обычно представляет собой трехэлектродную систему. Электрод помещают в солевой раствор (NaCl), и имеется платиновый противоэлектрод, а также электрод сравнения. На следующем рисунке показан пример ответа IV или график циклической вольтамперометрии иридий-оксидного пленочного электрода, используемый для биологических стимуляций.
Image
Рисунок 3. IV кривая материала из иридиевого оксида, помещенного в раствор соли (синяя кривая). Также накладывается кривая зависимости IV от конденсатора и резистора. Это показывает, что материал обладает емкостными свойствами хранения заряда (гистерезиса)
График на рисунке 3 показывает кривую CV электрода оксида иридия. В отличие от резистора, обратите внимание, что электродный отклик оксида иридия в солевом растворе включает свойства конденсатора, то есть он хранит заряд. Это свойство хранения заряда, как и многие другие, является причиной того, что этот материал используется для биологической стимуляции, которая представляет собой инъекцию заряда в биологическую ткань.
Резюме интерпретации IV кривых различных материалов
приборы
Требуется сила «text-align: center; width: 150px;»> IV Method
Обычно используется как?
Проходит через Происхождение ?
Солнечная батарея
нет
Переключение нагрузки
Источник тока для малых нагрузок
да
батареи
нет
Переключение нагрузки
Источник напряжения для больших нагрузок
да
Стимуляционный электрод
да
Напряжение развертки
Ведет себя как конденсатор, используемый для введения заряда в ткань
