Interpretación de las curvas de corriente-voltaje de diferentes materiales

Este artículo analiza las ideas involucradas en medir e interpretar las curvas de corriente-voltaje de células solares, baterías y materiales desconocidos.

Este artículo analiza las ideas involucradas en la medición e interpretación de las curvas de voltaje de corriente de células solares, baterías y materiales desconocidos.

Este artículo técnico analiza el uso de curvas I-V de componentes lineales ideales para comprender e interpretar diferentes materiales y cómo se utilizan como dispositivos electrónicos. En particular, el artículo cubre células solares, baterías y nuevos materiales. Si bien se proporcionarán referencias externas sobre cómo funcionan estos dispositivos, este artículo solo se centrará en las curvas I-V de estos dispositivos.

Lectura sugerida

• Comprensión de las curvas de corriente-voltaje
• Comprensión de las curvas de corriente-voltaje de dispositivos no lineales

Curvas I-V de células solares

Las células solares son dispositivos fotoeléctricos que convierten la energía luminosa en energía eléctrica. En otras palabras, generan energía cuando se exponen a la luz. Cuando la luz incide sobre un material semiconductor fotovoltaico (célula solar), la energía de los fotones se transfiere al material, que produce cargas que se mueven libremente.

Para un circuito completo con una resistencia de carga, se genera una corriente en el circuito cuando la celda solar se expone a la luz. Debido a que la celda solar genera corriente eléctrica, su curva I-V se obtiene mediante conmutación de carga.

La conmutación de carga implica el uso de diferentes cargas de resistencia conectadas a través de una fuente de energía y midiendo el voltaje en el dispositivo (usando un voltímetro), así como la corriente a través de él (usando un amperímetro). Para ver hasta qué punto una celda solar puede proporcionar corriente a un circuito, medimos la característica I-V del dispositivo mediante el método de conmutación de carga. En la Figura 1 se muestra una curva típica.

Figura 1. Esquema de un circuito de medición I-V para una celda solar para una iluminación fija (arriba) y una curva I-V típica de una celda solar (abajo). $$ I_ {SC} $$ es la corriente de cortocircuito y $$ V_ {OC} $$ es el voltaje de circuito abierto. Para valores de resistencia pequeños, las células solares tienden a comportarse como fuentes de corriente ideales.

Para una carga de resistencia de 0 ohmios (cortocircuito), la corriente máxima que puede producir una célula solar para una iluminación incidente determinada se conoce como corriente de cortocircuito, $$ I_ {SC} $$. En el otro extremo, para una carga de resistencia de infinitos ohmios (circuito abierto), no habrá corriente en el circuito, mientras que el voltaje generado por la celda solar para una iluminación dada se llama voltaje de circuito abierto, $$ V_ {OC } $$.

A partir de la respuesta I-V de la celda solar que se muestra en la Figura 1, vemos que las celdas solares típicas tienden a comportarse más como una fuente de corriente para valores más pequeños de resistencias de carga. Por otro lado, una batería tiende a comportarse como una fuente de voltaje, como veremos en el siguiente apartado.

Curvas I-V de las baterías

Una batería, que es una colección de celdas voltaicas, es un dispositivo que convierte la energía química en energía eléctrica a través de reacciones electroquímicas. Una batería está clasificada para un voltaje particular y una clasificación de capacidad (A-hr), según su construcción química y composición. Algunos ejemplos de tipos de baterías son níquel-cadmio (Ni-Cd) o iones de litio (Li-Ion).

Debido a que la batería es una fuente de energía, la respuesta I-V de una batería se obtiene mediante conmutación de carga. En la Figura 2 se muestra un esquema de la curva I-V de una batería.

Figura 2. Carga de medición de conmutación de una batería ideal (arriba) y la curva I-V de una batería ideal, así como una batería real típica (abajo). La batería real generalmente se modela como una batería ideal en serie con una resistencia interna, debido a la naturaleza lineal de la curva I-V.

Una batería ideal funciona como una fuente de voltaje ideal. Una batería real que todavía es completamente funcional se comporta como una fuente de voltaje ideal, pero tiene una pendiente como se muestra en la línea continua en la Figura 2.

Una pendiente en una curva IV es una resistencia (como se describe en el artículo sobre Curvas IV de componentes ideales). Por lo tanto, una batería real a menudo se representa como una batería ideal en serie con una resistencia interna, como se describe aquí. La característica I-V de una celda solar y una batería no pasa por el origen, lo que indica que almacenan alguna forma de energía.

Curvas I-V de nuevos materiales

Hemos visto las curvas corriente-voltaje de componentes ideales, que son dispositivos lineales y pasivos como resistencias, condensadores e inductores. También analizamos los dispositivos activos que suministran energía, como fuentes de voltaje y fuentes de corriente ideales.

Utilizando los gráficos ideales, observamos las curvas I-V de dispositivos pasivos no lineales como diodos y transistores, así como dispositivos activos como células solares y baterías. En un momento dado, se desconocían dispositivos como diodos y células solares, y medir la característica de corriente frente a voltaje era una forma de modelar el dispositivo utilizando componentes lineales. Tener una intuición básica detrás de las curvas I-V puede ayudar a los ingenieros a descubrir nuevos usos para los materiales.

En esta sección, veremos la curva I-V de un electrodo de estimulación, utilizado para enviar pulsos eléctricos en mamíferos. Esta sección del artículo solo brinda una idea de cómo podemos usar las curvas IV de componentes lineales para visualizar una respuesta IV desconocida y tener una intuición de cómo se comporta.

Electrodo de estimulación neural

Un electrodo es un material conductor que entra en contacto con una parte no metálica del circuito. Por ejemplo, las baterías se construyen con electrodos colocados en un electrolito. Para estudiar el material utilizado en un electrodo, los electroquímicos realizan una medición conocida como voltamperometría cíclica , que es esencialmente una medición de curva I-V utilizando el método de barrido de voltaje.

Los gráficos de voltamperometría cíclica (CV) son métodos para estudiar los voltajes a los que las reacciones electroquímicas son más frecuentes. En este sentido, CV también representa la velocidad a la que se realizan los barridos de voltaje. Puede obtener más información sobre la voltamperometría cíclica aquí.

La configuración de medición para una curva I-V de un electrodo suele ser un sistema de tres electrodos. El electrodo se coloca en solución salina (NaCl) y hay un contraelectrodo de platino, así como un electrodo de referencia. La siguiente figura es un ejemplo de la respuesta I-V, o gráfica de voltamperometría cíclica de un electrodo de película de óxido de iridio, utilizado para aplicaciones de estimulación biológica.

Figura 3. Curva IV de un material de electrodo de óxido de iridio colocado en solución salina (curva azul). También se superpone la respuesta de la curva I-V de un condensador y una resistencia. Esto muestra que el material exhibe propiedades capacitivas de almacenamiento de carga (histéresis)

El gráfico de la Figura 3 muestra la curva CV de un electrodo de óxido de iridio. A diferencia de una resistencia, observe que la respuesta del electrodo de óxido de iridio en solución salina incorpora las propiedades de un capacitor, es decir, almacena carga. Esta propiedad de almacenamiento de carga, junto con muchas otras, es la razón por la que este material se utiliza para la estimulación biológica, que es la inyección de carga en el tejido biológico.

Resumen de la interpretación de curvas IV de diferentes materiales

Dispositivos	¿Requiere energía?	Método I-V	¿Usado comúnmente como?	Pasa por el origen ?
Célula solar	No	Cambio de carga	Fuente de corriente para cargas pequeñas	Sí
Baterías	No	Cambio de carga	Fuente de voltaje para cargas grandes	Sí
Electrodo de estimulación	Sí	Barrido de voltaje	Se comporta como un capacitor, usado para inyectar carga en el tejido	No