Нагрузочная прямая

Нагрузочная прямая, или динамическая прямая^[1] 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)^[2]. 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 применимы^[3]. Графический метод позволял достаточно точно рассчитывать выходные напряжения и мощности, вносимые каскадом искажения, и оптимизировать выбор рабочей точки^[3].

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 ${\displaystyle R_{H}}$ и питающемся от источника напряжения ${\displaystyle U_{bb}}$, напряжение между выходными электродами ${\displaystyle U_{x}}$ и протекающий между ними ток ${\displaystyle I_{x}}$ (ток анода, ток коллектора, ток стока^{[комм. 2]}) связаны уравнением

${\displaystyle U_{bb}=U_{x}+I_{x}R_{H}}$^[4][2].

Возможные решения уравнения лежат на нагрузочной прямой, соединяющей точки ${\displaystyle (0,U_{bb}/R_{H})}$ и ${\displaystyle (U_{bb},0)}$. Первая из них соответствует короткому замыканию выходных электродов, вторая — режиму отсечки (усилительный прибор заперт)^[1][2]. При увеличении ${\displaystyle R_{H}}$ наклон нагрузочной прямой уменьшается (прямая сдвигается в область меньших токов), при уменьшении ${\displaystyle R_{H}}$ наклон увеличивается^[1]. В предельном случае ${\displaystyle R_{H}=0}$ (сток, коллектор или анод коротко замкнуты на шину питания) нагрузочная прямая строго вертикальна^[1]. В предельном случае ${\displaystyle R_{H}=\infty }$ нагрузочная прямая строго горизонтальна^[1]. 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 покоя^[1]. Совместно эти значения образуют точку покоя (рабочую точку) для заданного напряжения смещения^[1]. ${\displaystyle U_{x}}$, ${\displaystyle I_{x}}$ и выделяемая на усилительном приборе мощность не должны превышать предельно допустимые для данного прибора значения ${\displaystyle U_{max}}$, ${\displaystyle I_{max}}$ и ${\displaystyle P_{max}}$. Кроме того, рабочая точка не должна заходить в область низких выходных напряжений, в которой резко возрастают искажения формы сигнала^{[комм. 3]}. Для приёмно-усилительных вакуумных ламп нежелателен заход в область положительных управляющих напряжений^{[комм. 4]}, 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 транзистора^[5]. В дискретной схемотехнике ток коллектора маломощного биполярного транзистора обычно выбирается в окрестности 1 мА, ток стока полевого транзистора — от 1 до 10 мА^[5]. 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 питания^[6]. Для биполярного транзистора оптимальное напряжение покоя равно половине напряжения питания^[6].

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 ${\displaystyle Z}$ может быть и больше, и меньше сопротивления постоянному току ${\displaystyle R_{H}}$, поэтому нагрузочные прямые постоянного и переменного тока пересекаются в рабочей точке, но не совпадают^[7]. Нагрузочная прямая переменного тока, учитывающая отличие ${\displaystyle Z}$ от ${\displaystyle R_{H}}$, обычно строится для чисто активной нагрузки (${\displaystyle R_{\Pi }}$) и для области частот, в которой можно пренебречь влиянием реактивности разделительного конденсатора или разделительного трансформатора^[8].

При ёмкостной связи с нагрузкой ${\displaystyle Z<R_{H}}$^[7]. На достаточно высоких частотах, когда реактивное сопротивление конденсатора снижается до пренебрежимо малых значений,

${\displaystyle Z=R_{H}||R_{\Pi }={\frac {R_{H}R_{\Pi }}{R_{H}+R_{\Pi }}}}$^[7].

При трансформаторной связи с нагрузкой ${\displaystyle Z>>R_{H}}$^[7]. В первом приближении можно считать, что активное сопротивление первичной обмотки ${\displaystyle R_{H}=0}$, 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

${\displaystyle Z=R_{H}+R_{2'}+R_{\Pi '}=R_{H}+{\frac {R_{2}+R_{\Pi }}{K^{2}}}}$, где ${\displaystyle R_{2}}$ - активное сопротивление вторичной обмотки, ${\displaystyle K}$ - коэффициент трансформации^[7].

Если нагрузка имеет комплексный характер, то между протекающим через неё током и падающим на ней напряжением возникает сдвиг фаз^[9]. 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 нагрузки^[10]. Если же нагрузка имеет чисто ёмкостный или чисто индуктивный характер, то оси эллипса параллельны координатным осям^[10].

Графический анализ нагрузочных эллипсов не применялся из-за чрезмерной сложности^[10]. Взамен, комплексная нагрузка замещалась чисто активным сопротивлением, величина которого равнялась модулю полного сопротивления комплексной нагрузки^[10].

• Гаврилов С. А. Схемотехника. Мастер-класс. — СПБ. : Наука и Техника, 2016. — 384 с. — ISBN 9785943878695.
• Попов В. С., Николаев С. А. Общая электротехника с основами электроники. — М. : Энергия, 1972.
• Цыкин, Г. С. Электронные усилители. — 2-е изд. — М. : Связьиздат, 1963. — 512 с. — 21,000 экз.