Пряма навантаження (електроніка)

Пряма навантаження в електроніці — вихідна динамічна вольт-амперна характеристика, яка використовується при графічному аналізі нелінійних електронних схем.

Визначення робочої точки (струм, напруга) по ВАХ транзистора і прямій навантаження

Дві точки для побудови прямої знаходять із початкових умов. Зазвичай це режими короткого замикання і холостого ходу.

Точка перетину навантажувальної прямої з однією з гілок вихідної статичної характеристики для заданого струму бази називається робочою точкою транзистора. При зміні струму бази (вхідним сигналом) струм колектора ${\displaystyle I_{c}}$ і напруга колектор-емітер ${\displaystyle U_{ce}}$ будуть змінюватися, але для лінійного характеру навантаження всі миттєві значення будуть лежати на одній прямій.

Зазвичай схеми проєктують так, щоб опір навантаження був значно більшим, ніж внутрішній опір каскада, що працює на це навантаження. Тому становить інтерес відношення невеликої зміни прикладеної напруги до відповідної зміни струму через схему. Це відношення називають опором для малих сигналів, диференціальним або динамічним опором.

Пряма навантаження постійного струму

Графічний метод розрахунку каскаду на польовому транзисторі^{[ком. 1]} у режимі із загальним джерелом. Робоча точка А обрана приблизно посередині діапазону доступних струмів та напруг. Суцільна синя лінія — пряма навантажувальна по постійному струму, пунктирна синя лінія — пряма навантажувальна по змінному струму при ємнісному зв'язку з навантаженням

Метод прямих навантаження застосовують для графічного аналізу підсилювальних каскадів на електровакуумних лампах у режимах зі спільним катодом або зі спільною сіткою, на біполярних транзисторах у режимах зі спільним емітером або зі спільною базою, і на польових транзисторах у режимах зі спільним витоком або зі спільним затвором. У такому каскаді, за навантаження на активний опір ${\displaystyle R_{H}}$ і живлення від джерела напруги ${\displaystyle U_{bb}}$, напруга між вихідними електродами ${\displaystyle U_{x}}$ і струм, що протікає між ними ${\displaystyle I_{x}}$ (струм анода, струм колектора, струм стока^{[ком. 2]}) пов'язані рівнянням

${\displaystyle U_{bb}=U_{x}+I_{x}R_{H}}$^[1][2].

Можливі розв'язки рівняння лежать на прямій навантаження, яка з'єднує точки ${\displaystyle (0,U_{bb}/R_{H})}$ і ${\displaystyle (U_{bb},0)}$. Перша з них відповідає короткому замиканню вихідних електродів, друга — режиму відсікання (підсилювальний прилад закрито).^[3][2] При збільшенні ${\displaystyle R_{H}}$ нахил прямої навантаження зменшується (пряма зміщується в ділянку менших струмів), при зменшенні ${\displaystyle R_{H}}$ нахил збільшується.^[3] У граничному випадку ${\displaystyle R_{H}=0}$ (стік, колектор або анод коротко замкнуті на шину живлення) пряма навантаження строго вертикальна.^[3] У граничному випадку ${\displaystyle R_{H}=\infty }$ пряма навантаження строго горизонтальна.^[3] Якщо при цьому навантаженням слугує активне джерело стабільного струму, то пряма лежить від горизонтальної осі на величину цього струму.

Струм і напруга в точці перетину прямої навантаження з вольт-амперною характеристикою транзистора або тріода для заданої керувальної напруги характеризують режим спокою каскаду, і називаються відповідно струмом спокою і напругою спокою.^[3] Спільно ці значення утворюють точку спокою (робочу точку) для заданої напруги зміщення.^[3] ${\displaystyle U_{x}}$, ${\displaystyle I_{x}}$ і потужність, що виділяється на підсилювальному приладі, не повинні перевищувати гранично допустимих для цього приладу значень ${\displaystyle U_{max}}$, ${\displaystyle I_{max}}$ і ${\displaystyle P_{max}}$. Крім того, робоча точка не повинна заходити в ділянку низьких вихідних напруг, де різко зростають спотворення форми сигналу.^{[ком. 3]} Для приймально-підсилювальних вакуумних ламп небажаний захі́д в ділянку додатних керувальних напруг,^{[ком. 4]}, для польових транзисторів неприпустимі керувальні напруги, за яких відкривається перехід між затвором і каналом.

У малосигнальних каскадах вибір робочої точки визначається компромісом між витратами потужності та допустимою втратою підсилювальних властивостей транзистора.^[4] У дискретній схемотехніці струм колектора малопотужного біполярного транзистора зазвичай вибирають близько 1 мА, струм стока польового транзистора — від 1 до 10 мА.^[4] У каскадах підсилення великих сигналів, у яких амплітуди змінних напруг і струмів порівнянні з напругою і струмом спокою, оптимальну напругу спокою (точка А) польового транзистора вибирають на рівні близько половини інтервалу між межею переходу з лінійного режиму в режим насичення і напругою живлення.^[5] Для біполярного транзистора оптимальна напруга спокою дорівнює половині напруги живлення.^[5]

Пряма навантаження змінного струму

Корисне навантаження може з'єднуватися з виходом підсилювального приладу безпосередньо, або через розподільний конденсатор, або через розділювальний трансформатор. У першому випадку опори навантаження змінному і постійному струму рівні, і пряма навантаження змінного струму збігається з прямою навантаження постійному струму. При зв'язку через реактивний елемент опір вихідного ланцюга змінному струму ${\displaystyle Z}$ може бути і більшим, і меншим від опору постійному струму ${\displaystyle R_{H}}$, тому прямі навантаження постійного і змінного струму перетинаються в робочій точці, але не збігаються.^[6] Пряму навантаження змінного струму, що враховує відмінність ${\displaystyle Z}$ від ${\displaystyle R_{H}}$ зазвичай будують для чисто активного навантаження (${\displaystyle R_{\Pi }}$) і для діапазону частот, у якому можна знехтувати впливом реактивності розділювального конденсатора або розділювального трансформатора.^[7]

За ємнісного зв'язку з навантаженням ${\displaystyle Z<R_{H}}$.^[6] На досить високих частотах, коли реактивний опір конденсатора знижується до знехтовних значень,

${\displaystyle Z=R_{H}||R_{\Pi }={\frac {R_{H}R_{\Pi }}{R_{H}+R_{\Pi }}}}$^[6].

За трансформаторного зв'язку із навантаженням ${\displaystyle Z>>R_{H}}$.^[6] У першому наближенні можна вважати, що активний опір первинної обмотки ${\displaystyle R_{H}=0}$, і пряма навантаження за постійним струмом проходить вертикально. На робочих частотах трансформатора, коли можна знехтувати впливом індуктивності його первинної обмотки та індуктивністю розсіювання, опір змінному струму зростає до

${\displaystyle Z=R_{H}+R_{2'}+R_{\Pi '}=R_{H}+{\frac {R_{2}+R_{\Pi }}{K^{2}}}}$, де ${\displaystyle R_{2}}$ — активний опір вторинної обмотки, ${\displaystyle K}$ — коефіцієнт трансформації.^[6]

Лінії навантаження змінного струму для реактивного навантаження

Лінії навантаження (еліпси) для комплексного навантаження (А) і суто індуктивного навантаження (B). У другому випадку миттєві значення напруги на стоці або колекторі виходять за допустимі рамки: необхідно знижувати напругу живлення, демпфувати індуктивність опором або використовувати транзистор із більшою гранично допустимою напругою

Якщо навантаження має комплексний характер, то між струмом, що проходить у ньому, спадом на ньому напруги виникає зсув фаз.^[8] Динамічна характеристика такого каскаду має форму не прямої, але похилого еліпса із центром у точці спокою; одна з осей еліпса збігається з прямою навантаження для активної частини комплексного навантаження.^[9] Якщо ж навантаження має суто ємнісний або суто індуктивний характер, то осі еліпса паралельні координатним осям.^[9]

Графічний аналіз навантажувальних еліпсів не застосовувався через надмірну складність.^[9] Натомість, комплексне навантаження заміщувалося суто активним опором, величина якого дорівнювала модулю повного опору комплексного навантаження.^[9]

Див. також

• Підсилювальний каскад зі спільним емітером
• Біполярний транзистор
• Внутрішній опір