Линия нагрузки (электроника)

В графическом анализе нелинейных электронных цепей линия нагрузки — это линия, нарисованная на графике вольт-амперной характеристики для нелинейного устройства, такого как диод или транзистор . Она представляет собой ограничение, накладываемое на напряжение и ток в нелинейном устройстве внешней цепью. Линия нагрузки, обычно прямая линия, представляет собой реакцию линейной части цепи, подключенной к рассматриваемому нелинейному устройству. Точки пересечения характеристической кривой и линии нагрузки являются возможными рабочими точками ( точками Q ) цепи; в этих точках параметры тока и напряжения обеих частей цепи совпадают. ^[1]

Пример справа показывает, как линия нагрузки используется для определения тока и напряжения в простой диодной цепи. Диод, нелинейное устройство, последовательно соединен с линейной цепью, состоящей из резистора R и источника напряжения V _DD . Характеристическая кривая (изогнутая линия) , представляющая ток I через диод для любого заданного напряжения на диоде V _D , является экспоненциальной кривой. Линия нагрузки (диагональная линия) , представляющая связь между током и напряжением из-за закона напряжения Кирхгофа, примененного к резистору и источнику напряжения, является

${\displaystyle V_{D}=V_{DD}-IR\,}$

Поскольку через каждый из трех последовательно соединенных элементов протекает один и тот же ток, а напряжение, создаваемое источником напряжения и резистором, является напряжением на клеммах диода, рабочая точка схемы будет находиться на пересечении кривой с линией нагрузки.

В схеме с трехконтактным устройством, например, транзистором , вольт-амперная характеристика тока коллектор-эмиттер зависит от тока базы. На графиках это изображается серией кривых (I _C –V _CE ) при различных токах базы. Нагрузочная линия, нарисованная на этом графике, показывает, как ток базы повлияет на рабочую точку схемы.

Диаграмма линии нагрузки справа относится к резистивной нагрузке в схеме с общим эмиттером . Линия нагрузки показывает, как резистор нагрузки коллектора (R _L ) ограничивает напряжение и ток цепи. Диаграмма также отображает ток коллектора транзистора I _C в зависимости от напряжения коллектора V _CE для различных значений тока базы I _{base . Пересечения линии нагрузки с кривыми характеристик транзистора представляют собой значения} I _C и V _CE , ограниченные схемой, при различных токах базы. ^[2]

Если бы транзистор мог пропускать весь доступный ток без падения напряжения на нем, ток коллектора был бы равен напряжению питания V _CC на R _L . Это точка, где линия нагрузки пересекает вертикальную ось. Однако даже при насыщении всегда будет некоторое напряжение от коллектора к эмиттеру.

Там, где линия нагрузки пересекает горизонтальную ось, ток транзистора минимален (приблизительно равен нулю). Транзистор считается отсеченным, пропуская только очень малый ток утечки, и поэтому почти все напряжение питания отображается как V _CE .

Рабочая точка схемы в этой конфигурации (обозначенная Q) обычно разрабатывается так, чтобы находиться в активной области , примерно в середине активной области линии нагрузки для усилительных приложений. Регулировка тока базы таким образом, чтобы схема находилась в этой рабочей точке без подачи сигнала, называется смещением транзистора . Для стабилизации рабочей точки от незначительных изменений температуры или рабочих характеристик транзистора используется несколько методов. При подаче сигнала ток базы изменяется, а напряжение коллектор-эмиттер, в свою очередь, изменяется, следуя линии нагрузки — в результате получается каскад усилителя с усилением.

Линия нагрузки обычно рисуется на кривых характеристик I _c -V _ce для транзистора, используемого в схеме усилителя. Та же техника применяется к другим типам нелинейных элементов, таким как электронные лампы или полевые транзисторы .

В полупроводниковых схемах обычно присутствуют как постоянный, так и переменный ток, при этом источник постоянного тока смещает нелинейный полупроводник в нужную рабочую точку, а сигнал переменного тока накладывается на постоянный ток. Линии нагрузки можно использовать отдельно для анализа постоянного и переменного тока. Линия нагрузки постоянного тока — это линия нагрузки эквивалентной цепи постоянного тока , определяемая путем сведения реактивных компонентов к нулю (заменой конденсаторов на разомкнутые цепи, а индукторов на короткие замыкания). Она используется для определения правильной рабочей точки постоянного тока, часто называемой точкой Q.

После того, как рабочая точка постоянного тока определена линией нагрузки постоянного тока, линия нагрузки переменного тока может быть проведена через точку Q. Линия нагрузки переменного тока представляет собой прямую линию с наклоном, равным сопротивлению переменного тока , обращенному к нелинейному устройству, которое в общем случае отличается от сопротивления постоянного тока. Отношение напряжения переменного тока к току в устройстве определяется этой линией. Поскольку сопротивление реактивных компонентов будет меняться с частотой, наклон линии нагрузки переменного тока зависит от частоты приложенного сигнала. Таким образом, существует множество линий нагрузки переменного тока, которые изменяются от линии нагрузки постоянного тока (на низкой частоте) до предельной линии нагрузки переменного тока, все из которых имеют общее пересечение в рабочей точке постоянного тока. Эта предельная линия нагрузки, обычно называемая линией нагрузки переменного тока , является линией нагрузки цепи на «бесконечной частоте» и может быть найдена путем замены конденсаторов короткими замыканиями, а индукторов — разомкнутыми цепями.