Zatěžovací čára

Zátěžová přímka , neboli dynamická přímka [1] v elektronice a elektrotechnice - čára na grafu proudově napěťové charakteristiky , znázorňující závislost výstupního proudu protékajícího aktivním zesilovacím zařízením ( bipolární , tranzistor s řízeným polem popř . vakuová trubice ), na napětí na jejích výstupních elektrodách (napěťový kolektor-emitor , kolektor-zdroj , anoda-katoda ) [2] . Pro lineární reaktivní zatížení má závislost podobu uzavřené elipsy , pro nelineární zatížení má podobu zatěžovací křivky.

Historicky byl hlavním účelem použití silokřivek grafický výpočet kaskád pracujících při velkých amplitudách výstupního napětí, kdy nelze zanedbat nelinearitu přenosové charakteristiky a nástroje pro analýzu malých signálů nejsou použitelné [3] . Grafická metoda umožnila přesně vypočítat výstupní napětí a výkony zavedené stupněm zkreslení a optimalizovat volbu pracovního bodu [3] .

DC Load Direct

Metoda zátěžové linie se používá ke grafické analýze elektronkových zesilovačů v režimech se společnou katodou nebo se společnou mřížkou , bipolárních tranzistorů v režimech se společným emitorem nebo se společnou bází a FET v režimech se společným zdrojem nebo se společnou bránou . V takové kaskádě, zatížené aktivním odporem a napájené zdrojem napětí , jsou napětí mezi výstupními elektrodami a proud tekoucí mezi nimi (anodový proud, kolektorový proud, odvodňovací proud [comm. 2] ) spojeny rovnicí $R_{H}$ ${\displaystyle U_{bb))$ $U_x$ ${\displaystyle I_{x))$

U_{bb}=U_{x}+I_{x}R_{H}

[4] [2] .

Možná řešení rovnice leží na zatěžovací čáře spojující body a . První z nich odpovídá zkratu výstupních elektrod, druhý - režimu cut-off (zesilovací zařízení je zablokováno) [1] [2] . S nárůstem klesá sklon zatěžovací přímky (přímka se posouvá do oblasti nižších proudů), s poklesem se sklon zvyšuje [1] . V omezujícím případě (odtok, kolektor nebo anoda jsou zkratovány k napájecí sběrnici) je zátěžová linie striktně vertikální [1] . V omezujícím případě je čára zatížení přísně vodorovná [1] . Pokud je současně zátěž aktivním zdrojem stabilního proudu , pak je přímka oddělena od vodorovné osy hodnotou tohoto proudu. $(0,U_{bb}/R_{H})$ $(U_{bb},0)$ $R_{{H}}$ $R_{{H}}$ $R_{H}=0$ $R_{H}=\infty$

Proud a napětí v místě průsečíku zatěžovací čáry s proudově-napěťovou charakteristikou tranzistoru nebo triody pro dané řídicí napětí charakterizují klidový režim kaskády a nazývají se klidový proud a klidové napětí [1] ] . Společně tyto hodnoty tvoří klidový bod (pracovní bod) pro dané předpětí [1] . a výkon přidělený zesilovacímu zařízení by neměl překročit maximální povolené hodnoty pro toto zařízení a . Kromě toho by pracovní bod neměl zasahovat do oblasti nízkých výstupních napětí, ve kterých se zkreslení tvaru vlny prudce zvyšuje [comm. 3] . Pro přijímací zesilovací elektronky je nežádoucí vstupovat do oblasti kladných řídicích napětí [comm. 4] , pro tranzistory s efektem pole jsou nepřijatelná řídicí napětí, při kterých se otevírá přechod mezi hradlem a kanálem. $U_x$ ${\displaystyle I_{x))$ ${\displaystyle U_{max))$ ${\displaystyle I_{max))$ ${\displaystyle P_{max))$

Ve stupních s malým signálem je volba pracovního bodu určena kompromisem mezi náklady na výkon a přípustnou ztrátou zesilovacích vlastností tranzistoru [5] . V diskrétních obvodech se kolektorový proud nízkovýkonového bipolárního tranzistoru obvykle volí v blízkosti 1 mA, svodový proud tranzistoru s efektem pole je od 1 do 10 mA [5] . Ve stupních zesílení velkého signálu, ve kterých jsou amplitudy střídavých napětí a proudů srovnatelné s klidovým napětím a proudem, se optimální klidové napětí (bod A) tranzistoru s efektem pole volí přibližně v polovině intervalu mezi přechodovou hranicí. z lineárního režimu do režimu saturace a napájecího napětí [6] . Pro bipolární tranzistor je optimální klidové napětí rovno polovině napájecího napětí [6] .

AC Load Direct

Užitečná zátěž může být připojena přímo k výstupu zesilovacího zařízení nebo přes oddělovací kondenzátor nebo přes oddělovací transformátor. V prvním případě jsou střídavé a stejnosměrné zátěžové odpory stejné a střídavá zátěžová linie se shoduje se stejnosměrnou zátěžovou linkou. Při připojení přes jalový prvek může být odpor výstupního obvodu vůči střídavému proudu větší i menší než odpor stejnosměrnému proudu , proto se zátěžové čáry stejnosměrného a střídavého proudu protínají v pracovním bodě, ale neshodují se [ 7] . Střídavé zatěžovací vedení s přihlédnutím k rozdílu od , bývá stavěno pro čistě odporovou zátěž ( ) a pro frekvenční rozsah, ve kterém lze zanedbat vliv reaktivity oddělovacího kondenzátoru nebo oddělovacího transformátoru [8] . $Z$ $R_{H}$ $Z$ $R_{H}$ ${\displaystyle R_{\Pi ))$

S kapacitní vazbou se zátěží [7] . Při dostatečně vysokých frekvencích, kdy reaktance kondenzátoru klesá na zanedbatelné hodnoty, $Z<R_{H}$

Z=R_{H}||R_{\Pi }={\frac {R_{H}R_{\Pi }}{R_{H}+R_{\Pi }}}

[7] .

Při spojení transformátoru se zátěží [7] . Jako první aproximaci můžeme předpokládat, že aktivní odpor primárního vinutí a stejnosměrná zátěž probíhá vertikálně. Při pracovních frekvencích transformátoru, kdy lze zanedbat vliv indukčnosti jeho primárního vinutí a svodové indukčnosti , se odpor proti střídavému proudu zvyšuje na $Z>>R_{H}$ $R_{H}=0$

Z=R_{H}+R_{2'}+R_{\Pi '}=R_{H}+{\frac {R_{2}+R_{\Pi }}{K^{2}} }

, kde je aktivní odpor sekundárního vinutí, je transformační poměr [7] .

R_{2}

K

AC zátěžové vedení pro reaktivní zátěž

Pokud má zátěž komplexní charakter, pak dochází k fázovému posunu mezi jí protékajícím proudem a napětím na ní dopadajícím [9] . Dynamická charakteristika takové kaskády není ve formě přímky, ale ve formě nakloněné elipsy se středem v klidovém bodě; jedna z os elipsy se shoduje se zatěžovací čarou pro aktivní část komplexního zatížení [10] . Pokud je zátěž čistě kapacitní nebo čistě induktivní, pak jsou osy elipsy rovnoběžné se souřadnicovými osami [10] .

Grafická analýza zátěžových elips nebyla použita z důvodu přílišné složitosti [10] . Místo toho bylo komplexní zatížení nahrazeno čistě aktivním odporem, jehož hodnota se rovnala celkovému modulu odporu komplexního zatížení [10] .

Komentáře

↑ Proudově-napěťové charakteristiky bipolárních tranzistorů, tetrod a pentod jsou kvalitativně podobné, proudově-napěťové charakteristiky vakuových triod se vyznačují relativně nízkým výstupním odporem.
↑ Za předpokladu, že výstupní obvod je izolován od vstupního obvodu, tj. proud sítě, hradla nebo báze je nulový.
↑ Pro bipolární tranzistor je režim saturace nežádoucí, pro elektronky - režim provozu s mřížkovými proudy uvedený níže a pro tranzistor s efektem pole - lineární (počáteční) režim. Vstup zatěžovací čáry do lineárního režimu tranzistoru s efektem pole vede ke zvýšení nelineárních zkreslení na hranici lineárního, nežádoucího, režimu a saturačního režimu (ve kterém by měl pracovat tranzistorový zesilovač s polem). Provoz s obrácenou polaritou (přepólováním) výstupních elektrod je u zařízení všech typů vyloučen.
↑ Přesněji v rozsahu napětí mřížka-katoda, při kterých dochází ke znatelným mřížkovým proudům - ke kterým obvykle dochází, když je napětí mřížka-katoda asi -1 ... -0,5 V a vyšší. Výjimkou jsou výkonové zesilovače speciálně navržené pro práci se síťovými proudy.

Poznámky

↑ 1 2 3 4 5 6 7 Tsykin, 1963 , str. 62.
↑ 1 2 3 Popov a Nikolaev, 1972 , str. 369.
↑ 1 2 Tsykin, 1963 , str. 66.
↑ Tsykin, 1963 , s. 61.
↑ 1 2 Gavrilov, 2016 , str. 73.
↑ 1 2 Gavrilov, 2016 , str. 75.
↑ 1 2 3 4 5 Tsykin, 1963 , str. 64.
↑ Tsykin, 1963 , s. 65.
↑ Tsykin, 1963 , s. 67.
↑ 1 2 3 4 Tsykin, 1963 , str. 68.

Literatura

Obvod Gavrilov S. A. Mistrovská třída. - Petrohrad. : Věda a technika, 2016. - 384 s. — ISBN 9785943878695 .
Popov V.S., Nikolaev S.A. Obecná elektrotechnika se základy elektroniky. - M .: Energie, 1972.
Tsykin, G.S. Elektronické zesilovače. - 2. vyd. - M .: Svyazizdat, 1963. - 512 s. — 21 000 výtisků.