Русская Википедия:Нагрузочная прямая
Нагрузочная прямая, или динамическая прямаяШаблон:Sfn 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)Шаблон:Sfn. 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 применимыШаблон:Sfn. Графический метод позволял достаточно точно рассчитывать выходные напряжения и мощности, вносимые каскадом искажения, и оптимизировать выбор рабочей точкиШаблон:Sfn.
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>R_H</math> и питающемся от источника напряжения <math>U_{bb}</math>, напряжение между выходными электродами <math>U_x</math> и протекающий между ними ток <math>I_x</math> (ток анода, ток коллектора, ток стокаШаблон:Ref+) связаны уравнением
- <math>U_{bb} = U_{x} + I_{x} R_{H}</math>Шаблон:SfnШаблон:Sfn.
Возможные решения уравнения лежат на нагрузочной прямой, соединяющей точки <math>( 0, U_{bb}/R_H )</math> и <math>( U_{bb}, 0)</math>. Первая из них соответствует короткому замыканию выходных электродов, вторая — режиму отсечки (усилительный прибор заперт)Шаблон:SfnШаблон:Sfn. При увеличении <math>R_{H}</math> наклон нагрузочной прямой уменьшается (прямая сдвигается в область меньших токов), при уменьшении <math>R_{H}</math> наклон увеличиваетсяШаблон:Sfn. В предельном случае <math>R_{H}=0</math> (сток, коллектор или анод коротко замкнуты на шину питания) нагрузочная прямая строго вертикальнаШаблон:Sfn. В предельном случае <math>R_{H}=\infty</math> нагрузочная прямая строго горизонтальнаШаблон:Sfn. 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 покояШаблон:Sfn. Совместно эти значения образуют точку покоя (рабочую точку) для заданного напряжения смещенияШаблон:Sfn. <math>U_x</math>, <math>I_x</math> и выделяемая на усилительном приборе мощность не должны превышать предельно допустимые для данного прибора значения <math>U_{max}</math>, <math>I_{max}</math> и <math>P_{max}</math>. Кроме того, рабочая точка не должна заходить в область низких выходных напряжений, в которой резко возрастают искажения формы сигналаШаблон:Ref+. Для приёмно-усилительных вакуумных ламп нежелателен заход в область положительных управляющих напряженийШаблон:Ref+, 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 транзистораШаблон:Sfn. В дискретной схемотехнике ток коллектора маломощного биполярного транзистора обычно выбирается в окрестности 1 мА, ток стока полевого транзистора — от 1 до 10 мАШаблон:Sfn. 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 питанияШаблон:Sfn. Для биполярного транзистора оптимальное напряжение покоя равно половине напряжения питанияШаблон:Sfn.
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>Z</math> может быть и больше, и меньше сопротивления постоянному току <math>R_H</math>, поэтому нагрузочные прямые постоянного и переменного тока пересекаются в рабочей точке, но не совпадаютШаблон:Sfn. Нагрузочная прямая переменного тока, учитывающая отличие <math>Z</math> от <math>R_H</math>, обычно строится для чисто активной нагрузки (<math>R_{\Pi}</math>) и для области частот, в которой можно пренебречь влиянием реактивности разделительного конденсатора или разделительного трансформатораШаблон:Sfn.
При ёмкостной связи с нагрузкой <math>Z < R_H</math>Шаблон:Sfn. На достаточно высоких частотах, когда реактивное сопротивление конденсатора снижается до пренебрежимо малых значений,
- <math>Z=R_{H} || R_{\Pi}=\frac {R_{H} R_{\Pi}} {R_{H} + R_{\Pi}}</math>Шаблон:Sfn.
При трансформаторной связи с нагрузкой <math>Z >> R_H</math>Шаблон:Sfn. В первом приближении можно считать, что активное сопротивление первичной обмотки <math>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>Z=R_{H} + R_{2'} + R_{\Pi'} = R_{H} + \frac { R_2 + R_{\Pi} } {K^2 }</math>, где <math>R_2</math> - активное сопротивление вторичной обмотки, <math>K</math> - коэффициент трансформацииШаблон:Sfn.
Нагрузочные линии переменного тока для реактивной нагрузки
Если нагрузка имеет комплексный характер, то между протекающим через неё током и падающим на ней напряжением возникает сдвиг фазШаблон:Sfn. 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 нагрузкиШаблон:Sfn. Если же нагрузка имеет чисто ёмкостный или чисто индуктивный характер, то оси эллипса параллельны координатным осямШаблон:Sfn.
Графический анализ нагрузочных эллипсов не применялся из-за чрезмерной сложностиШаблон:Sfn. Взамен, комплексная нагрузка замещалась чисто активным сопротивлением, величина которого равнялась модулю полного сопротивления комплексной нагрузкиШаблон:Sfn.
Комментарии
Примечания
Литература
