Нагрузочная прямая

Графический метод расчёта каскада на полевом транзистореШаблон:Ref+ 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 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 $R_H$ и питающемся от источника напряжения $U_{bb}$, напряжение между выходными электродами $U_x$ и протекающий между ними ток $I_x$ (ток анода, ток коллектора, ток стокаШаблон:Ref+) связаны уравнением

$U_{bb}=U_x+I_x{R}_H$Шаблон:SfnШаблон:Sfn.

Возможные решения уравнения лежат на нагрузочной прямой, соединяющей точки $(0,U_{bb}/R_H)$ и $(U_{bb},0)$. Первая из них соответствует короткому замыканию выходных электродов, вторая — режиму отсечки (усилительный прибор заперт)Шаблон:SfnШаблон:Sfn. При увеличении $R_H$ наклон нагрузочной прямой уменьшается (прямая сдвигается в область меньших токов), при уменьшении $R_H$ наклон увеличиваетсяШаблон:Sfn. В предельном случае $R_H=0$ (сток, коллектор или анод коротко замкнуты на шину питания) нагрузочная прямая строго вертикальнаШаблон:Sfn. В предельном случае $R_H=\mathrm{\infty }$ 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. $U_x$, $I_x$ и выделяемая на усилительном приборе мощность не должны превышать предельно допустимые для данного прибора значения $U_{max}$, $I_{max}$ и $P_{max}$. 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 $Z$ может быть и больше, и меньше сопротивления постоянному току $R_H$, поэтому нагрузочные прямые постоянного и переменного тока пересекаются в рабочей точке, но не совпадаютШаблон:Sfn. Нагрузочная прямая переменного тока, учитывающая отличие $Z$ от $R_H$, обычно строится для чисто активной нагрузки ($R_{\mathrm{\Pi }}$) и для области частот, в которой можно пренебречь влиянием реактивности разделительного конденсатора или разделительного трансформатораШаблон:Sfn.

При ёмкостной связи с нагрузкой $Z<R_H$Шаблон:Sfn. На достаточно высоких частотах, когда реактивное сопротивление конденсатора снижается до пренебрежимо малых значений,

$Z=R_H||R_{\mathrm{\Pi }}=\frac{R_H{R}_{\mathrm{\Pi }}}{R_H+R_{\mathrm{\Pi }}}$Шаблон:Sfn.

При трансформаторной связи с нагрузкой $Z>>R_H$Шаблон:Sfn. В первом приближении можно считать, что активное сопротивление первичной обмотки $R_H=0$, 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

$Z=R_H+R_{2^{\prime }}+R_{{\mathrm{\Pi }}^{\prime }}=R_H+\frac{R_2+R_{\mathrm{\Pi }}}{K^2}$, где $R_2$ - активное сопротивление вторичной обмотки, $K$ - коэффициент трансформацииШаблон:Sfn.

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 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.

Литература

• Шаблон:Публикация
• Шаблон:Публикация
• Шаблон:Публикация