Перейти к содержанию

Нагрузочная прямая

Эта статья находится на начальном уровне проработки, в одной из её версий выборочно используется текст из источника, распространяемого под свободной лицензией
Материал из энциклопедии Руниверсалис
Графический метод расчёта каскада на полевом транзисторе[комм. 1] в режиме с общим истоком. Рабочая точка А выбрана примерно посередине диапазона доступных токов и напряжений. Сплошная синяя линия — нагрузочная прямая по постоянному току, пунктирная синяя линия — нагрузочная прямая по переменному току при ёмкостной связи с нагрузкой

Нагрузочная прямая, или динамическая прямая[1] в электронике и электротехнике — линия на графике вольт-амперной характеристики, отображающая зависимость выходного тока, протекающего через активный усилительный прибор (биполярный, полевой транзистор или вакуумную лампу), от напряжения на его выходных электродах (напряжения коллектор—эмиттер, сток—исток, анод—катод)[2]. Для линейных реактивных нагрузок зависимость приобретает форму замкнутого эллипса, для нелинейных нагрузок — форму нагрузочной кривой.

Исторически, основной целью применения нагрузочных прямых был графический расчёт каскадов, работающих при больших амплитудах выходного напряжения, когда нельзя пренебрегать нелинейностью передаточной характеристики, а средства малосигнального анализа не применимы[3]. Графический метод позволял достаточно точно рассчитывать выходные напряжения и мощности, вносимые каскадом искажения, и оптимизировать выбор рабочей точки[3].

Нагрузочная прямая постоянного тока

Метод нагрузочных прямых применяется для графического анализа усилительных каскадов на вакуумных лампах в режимах с общим катодом или с общей сеткой, на биполярных транзисторах в режимах с общим эмиттером или с общей базой, и на полевых транзисторах в режимах с общим истоком или с общим затвором. В таком каскаде, нагруженном на активное сопротивление [math]\displaystyle{ R_H }[/math] и питающемся от источника напряжения [math]\displaystyle{ U_{bb} }[/math], напряжение между выходными электродами [math]\displaystyle{ U_x }[/math] и протекающий между ними ток [math]\displaystyle{ I_x }[/math] (ток анода, ток коллектора, ток стока[комм. 2]) связаны уравнением

[math]\displaystyle{ U_{bb} = U_{x} + I_{x} R_{H} }[/math][4][2].

Возможные решения уравнения лежат на нагрузочной прямой, соединяющей точки [math]\displaystyle{ ( 0, U_{bb}/R_H ) }[/math] и [math]\displaystyle{ ( U_{bb}, 0) }[/math]. Первая из них соответствует короткому замыканию выходных электродов, вторая — режиму отсечки (усилительный прибор заперт)[1][2]. При увеличении [math]\displaystyle{ R_{H} }[/math] наклон нагрузочной прямой уменьшается (прямая сдвигается в область меньших токов), при уменьшении [math]\displaystyle{ R_{H} }[/math] наклон увеличивается[1]. В предельном случае [math]\displaystyle{ R_{H}=0 }[/math] (сток, коллектор или анод коротко замкнуты на шину питания) нагрузочная прямая строго вертикальна[1]. В предельном случае [math]\displaystyle{ R_{H}=\infty }[/math] нагрузочная прямая строго горизонтальна[1]. Если при этом нагрузкой служит активный источник стабильного тока, то прямая отстоит от горизонтальной оси на величину этого тока.

Ток и напряжение в точке пересечения нагрузочной прямой с вольт-амперной характеристикой транзистора или триода для заданного управляющего напряжения характеризуют режим покоя каскада, и называются соответственно током покоя и напряжением покоя[1]. Совместно эти значения образуют точку покоя (рабочую точку) для заданного напряжения смещения[1]. [math]\displaystyle{ U_x }[/math], [math]\displaystyle{ I_x }[/math] и выделяемая на усилительном приборе мощность не должны превышать предельно допустимые для данного прибора значения [math]\displaystyle{ U_{max} }[/math], [math]\displaystyle{ I_{max} }[/math] и [math]\displaystyle{ P_{max} }[/math]. Кроме того, рабочая точка не должна заходить в область низких выходных напряжений, в которой резко возрастают искажения формы сигнала[комм. 3]. Для приёмно-усилительных вакуумных ламп нежелателен заход в область положительных управляющих напряжений[комм. 4], для полевых транзисторов недопустимы управляющие напряжения, при которых открывается переход между затвором и каналом.

В малосигнальных каскадах выбор рабочей точки определяется компромиссом между затратами мощности и допустимой потерей усилительных свойств транзистора[5]. В дискретной схемотехнике ток коллектора маломощного биполярного транзистора обычно выбирается в окрестности 1 мА, ток стока полевого транзистора — от 1 до 10 мА[5]. В каскадах усиления больших сигналов, в которых амплитуды переменных напряжений и токов сопоставимы с напряжением и током покоя, оптимальное напряжение покоя (точка А) полевого транзистора выбирается на уровне примерно половины интервала между границей перехода из линейного режима в режим насыщения и напряжением питания[6]. Для биполярного транзистора оптимальное напряжение покоя равно половине напряжения питания[6].

Нагрузочная прямая переменного тока

Полезная нагрузка может соединяться с выходом усилительного прибора непосредственно, или через разделительный конденсатор, или через разделительный трансформатор. В первом случае сопротивления нагрузки переменному и постоянному току равны, и нагрузочная прямая переменного тока совпадает с нагрузочной прямой постоянному току. При связи через реактивный элемент сопротивление выходной цепи переменному току [math]\displaystyle{ Z }[/math] может быть и больше, и меньше сопротивления постоянному току [math]\displaystyle{ R_H }[/math], поэтому нагрузочные прямые постоянного и переменного тока пересекаются в рабочей точке, но не совпадают[7]. Нагрузочная прямая переменного тока, учитывающая отличие [math]\displaystyle{ Z }[/math] от [math]\displaystyle{ R_H }[/math], обычно строится для чисто активной нагрузки ([math]\displaystyle{ R_{\Pi} }[/math]) и для области частот, в которой можно пренебречь влиянием реактивности разделительного конденсатора или разделительного трансформатора[8].

При ёмкостной связи с нагрузкой [math]\displaystyle{ Z \lt R_H }[/math][7]. На достаточно высоких частотах, когда реактивное сопротивление конденсатора снижается до пренебрежимо малых значений,

[math]\displaystyle{ Z=R_{H} || R_{\Pi}=\frac {R_{H} R_{\Pi}} {R_{H} + R_{\Pi}} }[/math][7].

При трансформаторной связи с нагрузкой [math]\displaystyle{ Z \gt \gt R_H }[/math][7]. В первом приближении можно считать, что активное сопротивление первичной обмотки [math]\displaystyle{ R_H=0 }[/math], и нагрузочная прямая по постоянному току проходит вертикально. На рабочих частотах трансформатора, когда можно пренебречь влиянием индуктивности его первичной обмотки и индуктивностью рассеяния, сопротивление переменному току возрастает до

[math]\displaystyle{ Z=R_{H} + R_{2'} + R_{\Pi'} = R_{H} + \frac { R_2 + R_{\Pi} } {K^2 } }[/math], где [math]\displaystyle{ R_2 }[/math] - активное сопротивление вторичной обмотки, [math]\displaystyle{ K }[/math] - коэффициент трансформации[7].

Нагрузочные линии переменного тока для реактивной нагрузки

Нагрузочные линии (эллипсы) для комплексной нагрузки (А) и чисто индуктивной нагрузки (B). Во втором случае мгновенные значения напряжения на стоке или коллекторе выходят за допустимые рамки: необходимо снижать напряжение питания, демпфировать индуктивность сопротивлением, или использовать транзистор с большим предельно допустимым напряжением

Если нагрузка имеет комплексный характер, то между протекающим через неё током и падающим на ней напряжением возникает сдвиг фаз[9]. Динамическая характеристика такого каскада имеет форму не прямой, но наклонного эллипса с центром в точке покоя; одна из осей эллипса совпадает с нагрузочной прямой для активной части комплексной нагрузки[10]. Если же нагрузка имеет чисто ёмкостный или чисто индуктивный характер, то оси эллипса параллельны координатным осям[10].

Графический анализ нагрузочных эллипсов не применялся из-за чрезмерной сложности[10]. Взамен, комплексная нагрузка замещалась чисто активным сопротивлением, величина которого равнялась модулю полного сопротивления комплексной нагрузки[10].

Комментарии

  1. ↑ Вольт-амперные характеристики биполярных транзисторов, тетродов и пентодов имеют качественно сходный характер, вольт-амперные характеристики вакуумных триодов отличаются относительно низким выходным сопротивлением.
  2. ↑ При допущении, что выходная цепь изолирована от входной, то есть ток сетки, затвора или базы равен нулю.
  3. ↑ Для биполярного транзистора нежелателен режим насыщения, для вакуумных ламп — упомянутый далее режим работы с сеточными токами, а для полевого транзистора — линейный (начальный) режим. Заход нагрузочной прямой в линейный режим полевого транзистора приводит к росту нелинейных искажений на границе линейного, нежелательного, режима и режима насыщения (в котором и должен работать усилитель на полевом транзисторе). Работа при обратной полярности (переполюсовке) выходных электродов исключается для приборов всех типов.
  4. ↑ Точнее, в область напряжений сетка-катод, при которых возникают заметные сеточные токи — что обычно происходит при напряжении сетка-катод около −1…-0,5 В и выше. Исключение составляют усилители мощности, специально спроектированные для работы с сеточными токами.

Примечания

  1. ↑ Перейти обратно: 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 Цыкин, 1963, с. 62.
  2. ↑ Перейти обратно: 2,0 2,1 2,2 Попов и Николаев, 1972, с. 369.
  3. ↑ Перейти обратно: 3,0 3,1 Цыкин, 1963, с. 66.
  4. ↑ Цыкин, 1963, с. 61.
  5. ↑ Перейти обратно: 5,0 5,1 Гаврилов, 2016, с. 73.
  6. ↑ Перейти обратно: 6,0 6,1 Гаврилов, 2016, с. 75.
  7. ↑ Перейти обратно: 7,0 7,1 7,2 7,3 7,4 Цыкин, 1963, с. 64.
  8. ↑ Цыкин, 1963, с. 65.
  9. ↑ Цыкин, 1963, с. 67.
  10. ↑ Перейти обратно: 10,0 10,1 10,2 10,3 Цыкин, 1963, с. 68.

Литература

  • Гаврилов С. А. Схемотехника. Мастер-класс. — СПБ. : Наука и Техника, 2016. — 384 с. — ISBN 9785943878695.
  • Попов В. С., Николаев С. А. Общая электротехника с основами электроники. — М. : Энергия, 1972.
  • Цыкин, Г. С. Электронные усилители. — 2-е изд. — М. : Связьиздат, 1963. — 512 с. — 21,000 экз.
Источник — https://xn--h1ajim.xn--p1ai/index.php?title=Нагрузочная_прямая&oldid=11677489