что такое нагрузочная прямая как она строится

Как нагрузочная прямая используется в проектировании схем

Из данной статьи из серии часто задаваемых инженерных вопросах (FEQ, Frequent Engineering Questions) вы узнаете, как использовать нагрузочную прямую при проектировании схем.

В этом учебном пособии будет описано, как нагрузочная прямая влияет на проектирование схемы, и как анализировать работу схемы, выбирая нагрузку по вольт-амперной характеристике.

Анализ цепей с выпрямительными диодами, светодиодами и транзисторами

Цепи, которые содержат нелинейные компоненты, такие как выпрямительные диоды, светодиоды или транзисторы, не могут быть всесторонне проанализированы с использованием методов, которые мы обычно применяем к цепям, состоящим только из резисторов, катушек индуктивности и конденсаторов.

Например, в следующей схеме мы не можем точно рассчитать напряжение на диоде, объединив два резистора в R_экв, и затем применив закон Ома.

Рисунок 1 – Пример диодной схемы

В таких случаях мы можем выполнить необходимый анализ, нарисовав диаграмму, состоящую из нагрузочной прямой и вольт-амперной характеристики нелинейного устройства.

Чтобы создать эту диаграмму, нам сначала нужно знать зависимость между током и напряжением нелинейного устройства. Эта информация может быть получена из технического описания устройства, или мы можем использовать кривые, которые представляют типовое поведение устройств, которые относятся к обобщенной категории, которая нас интересует, – например, стандартные кремниевые диоды или низковольтные NPN-транзисторы.

Затем мы создаем нагрузочную прямую на основе ограничений, налагаемых другими элементами схемы.

Создание нагрузочной прямой по вольт-амперной характеристике диода

В диодной схеме, показанной выше, мы знаем, что напряжение на диоде не может быть выше, чем напряжение питания V_пит. Мы также знаем, что ток через диод не может быть выше, чем V_пит/R_экв, потому что ток цепи ограничен этим значением резисторов; диод может оказывать дополнительное сопротивление току и, следовательно, создавать значение ниже, чем V_пит/R_экв, но он не может увеличить ток выше уровня, установленного резисторами.

Таким образом, мы имеем ограничение как для падения напряжения на диоде, так и для тока, протекающего через диод. Все точки, лежащие на прямой линии между этими двумя ограничениями, представляют все возможные комбинации тока и напряжения, которые возможны в ограничивающей обстановке, создаваемой линейными элементами цепи.

Рисунок 2 – График, показывающий пересечение нагрузочной прямой и ВАХ диода

Эта прямая линия – это то, что мы называем нагрузочной прямой.

Только одна из этих точек соответствует сочетанию тока и напряжения, которое возможно при электрическом поведении диода, которое описывается «диодным уравнением». Мы находим эту точку, отмечая пересечение нагрузочной прямой и кривой вольт-амперной характеристики диода, как показано выше. Точка пересечения соответствует рабочей точке цепи.

Заключение

Что вам нужно узнать о нагрузочных прямых? Поделитесь своими вопросами в комментариях ниже.

Источник

Ключ на биполярном транзисторе. Нагрузочная прямая.

Приветствую всех снова на нашем сайте 🙂 Мы продолжаем активно погружаться в нюансы работы биполярных транзисторов и сегодня мы перейдем к практическому рассмотрению одной из схем использования БТ — схеме ключа на транзисторе!

Суть схемы довольно проста и заключается в том, что как и любой переключатель, транзистор должен находиться в одном из двух состояний — открытом (включенном) и закрытом (выключенном). То есть либо транзистор пропускает ток, либо не пропускает. Давайте разбираться!

И, первым делом, давайте саму схему и рассмотрим:

Здесь у нас используется n-p-n транзистор. А вот вариант для p-n-p:

И по нашей уже устоявшейся традиции будем разбирать все аспекты работы на примере n-p-n транзистора 🙂 Суть и основные принципы остаются неизменными и для p-n-p. Так что работаем с этой схемой (здесь мы добавили протекающие по цепи токи):

Как вы уже заметили, схема очень напоминает включение транзистора с общим эмиттером. И действительно именно схема с ОЭ чаще всего используется при построении ключей. Только здесь у нас добавились два резистора ( R_б и R_к ). Вот с них и начнем!

Зачем же нужен резистор в цепи базы?

Таким образом, получаем, что при 3.3 В на входе напряжение на резисторе R_б составит:

А теперь вспоминаем, что управление биполярным транзистором осуществляется изменением тока базы — а как его менять? Верно — изменяя сопротивление этого самого резистора! То есть, варьируя сопротивление резистора, мы меняем ток базы и, соответственно, этим самым вносим изменения в работу выходной цепи нашей схемы. Чуть позже мы рассмотрим практический пример для конкретных номиналов и величин и посмотрим на деле, как это работает.

Мы уже несколько раз использовали термины «транзистор открыт» и «закрыт». Понятно, что это означает наличие, либо отсутствие коллекторного тока, но давайте рассмотрим эти понятия применительно к режимам работы транзистора. И тут все достаточно просто:

То есть при проектировании ключа на биполярном транзисторе мы преследуем цель переводить транзистор то в режим отсечки, то в режим насыщения в зависимости от управляющего сигнала на входе!

Переходим к рассмотрению коллекторной цепи разбираемой схемы. В данном резистор R_к выполняет роль нагрузки, а также ограничивает ток в цепи во избежания короткого замыкания источника питания E_ <вых>. И вот теперь пришло время вспомнить выходные характеристики, которые мы совсем недавно обсуждали 🙂

Но в данном случае выходные параметры схемы определяются помимо всего прочего еще и нагрузкой (то есть резистором R_к ). Для коллекторной цепи мы можем записать:

Этим уравнением задается так называемая нагрузочная характеристика цепи. Поскольку резистор — линейный элемент ( U_R = I_R R ), то характеристика представляет из себя прямую (которую так и называют — нагрузочная прямая). Наносим ее на выходные характеристики транзистора и получаем следующее:

Рабочая точка в данной схеме будем перемещаться по нагрузочной прямой. То есть величины U_ <кэ>и I_к могут принимать только те значения, которые соответствуют точкам пересечения выходной характеристики транзистора и нагрузочной прямой. Иначе быть не может 🙂

И нам нужно обеспечить, чтобы в открытом состоянии рабочая точка оказалась в положении 1. В данном случае падение напряжения U_ <кэ>на транзисторе будет минимальным, то есть почти вся полезная мощность от источника окажется на нагрузке. В закрытом же состоянии рабочая точка должна быть в положении 2. Тогда почти все напряжение упадет на транзисторе, а нагрузка будет выключена.

Теперь, когда мы разобрались с теоретическими аспектами работы ключа на транзисторе, давайте рассмотрим как же на практике производятся расчеты и выбор номиналов элементов!

Расчет ключа на биполярном транзисторе.

Добавим в схему полезную нагрузку в виде светодиода. Резистор R_к при этом остается на месте, он будет ограничивать ток через нагрузку и обеспечивать необходимый режим работы:

Пусть для включения светодиода нужно подать на него напряжение 3В ( U_д ). При этом диод будет потреблять ток равный 50 мА ( I_д ). Зададим параметры транзистора (в реальных схемах эти значения берутся из документации на используемый транзистор):

Мы берем конкретные значения для расчетов, но на практике все бывает несколько иначе. Как вы помните, параметры транзисторов зависят от многих факторов, в частности, от режима работы, а также от температуры. А температура окружающей среды, естественно, может меняться. Определить четкие значения из характеристик при этом бывает не так просто, поэтому нужно стараться обеспечить небольшой запас. К примеру, коэффициент усиления по току при расчете лучше принять равным минимальному из значений, приведенных в даташите. Ведь если коэффициент в реальности будет больше, то это не нарушит работоспособности схемы, конечно, при этом КПД будет ниже, но тем не менее схема будет работать. А если взять максимальное значение h_ <21э>, то при определенных условиях может оказаться, что реальное значение оказалось меньше, и его уже недостаточно для обеспечения требуемого режима работы транзистора.

Итак, возвращаемся к примеру 🙂 Входными данными для расчета кроме прочего являются напряжения источников. В данном случае:

Первым делом нам необходимо рассчитать сопротивление резистора в цепи коллектора. Напряжения и ток выходной цепи во включенном состоянии связаны следующим образом:

А ток у нас задан, поскольку мы знаем, какой ток потребляет нагрузка (в данном случае диод) во включенном состоянии. Тогда:

Итак, в этой формуле нам известно все, кроме сопротивления, которое и требуется определить:

Пересчитаем величину коллекторного тока для выбранного значения сопротивления:

Пришло время определить ток базы, для этого используем минимальное значение коэффициента усиления:

А падение напряжения на резисторе R_б :

Теперь мы можем легко определить величину сопротивления:

Опять обращаемся к ряду допустимых номиналов. Но теперь нам нужно выбрать значение, мЕньшее рассчитанного. Если сопротивление резистора будет больше расчетного, то ток базы будет, напротив, меньше. А это может привести к тому, что транзистор откроется не до конца, и во включенном состоянии бОльшая часть напряжения упадет на транзисторе ( U_ <кэ>), что, конечно, нежелательно.

Поэтому выбираем для резистора базы значение 5.1 КОм. И этот этап расчета был последним! Давайте резюмируем, наши рассчитанные номиналы составили:

Кстати в схеме ключа на транзисторе обычно добавляют резистор между базой и эмиттером, номиналом, например, 10 КОм. Он нужен для подтяжки базы при отсутствии сигнала на входе. В нашем примере, когда S1 разомкнут, то вход просто висит в воздухе. И под воздействием наводок транзистор будет хаотично открываться и закрываться. Поэтому и добавляется резистор подтяжки, чтобы при отсутствии входного сигнала потенциал базы был равен потенциалу эмиттеру. В этом случае транзистор будет гарантированно закрыт.

Сегодня мы прошлись по классической схеме, которой я стараюсь придерживаться, то есть — от теории к практике 🙂 Надеюсь, что материал будет полезен, а если возникнут какие-либо вопросы, пишите в комментарии, я буду рад помочь!

Источник

Нагрузочная прямая переменного тока пересекается с нагрузочной прямой постоянного тока в рабочей точке, а ее наклон определяется величиной активного сопротивления нагрузки для переменного тока R_пер. Для схемы рис. 1.2

Таким образом, нагрузочная прямая переменного тока описывается уравнением прямой, проходящей через заданную точку (точку покоя) под заданным углом, определяемым величиной активного сопротивления нагрузки R_пер.

Если координаты рабочей точки (точки покоя) обозначить I_К и U_КЭ, то уравнение нагрузочной прямой переменного тока примет вид

(2.4)

Рис. 2.6. Вид окна установки параметров при расчете выходных статических и динамических характеристик биполярного транзистора

Чтобы построить нагрузочные прямые по постоянному и переменному току, необходимо в окне рис. 2.2 добавить еще две строки спецификации вывода результатов (рис. 2.6). В этих строках в поле Y Expression следует привести аналитические выражения (2.3) и (2.4) для нагрузочных прямых постоянного и переменного тока. Аргументом этих функций будет коллекторное напряжение VC(Q1).

После выполнения команды Запуск на экран будет выведено семейство выходных статических характеристик и нагрузочные прямые (рис. 2.7).

2.1.5. Построение нагрузочных прямых

1. Откройте файл CASCAD.CIR, созданный в работе № 1.

2. В меню Анализ установите режим Расчет по постоянному току и определите потенциалы всех узлов и токи, протекающие через элементы схемы.

3. Проверьте правильность законов Кирхгофа для всех узлов и замкнутых контуров схемы.

Рис. 2.7. Выходные статические и динамические характеристики биполярного транзистора

4. Рассчитайте мощность, потребляемую от источника питания.

5. Определите резистор, на котором рассеивается наибольшая мощность, и приведите ее значение.

7. Создайте файл VAX_OUT.CIR, введите схему для снятия вольт-амперных статических характеристик транзистора.

8. Постройте семейство выходных статических характеристик, выбрав такой диапазон изменения токов и напряжений, чтобы точка покоя лежала примерно посередине этого диапазона.

9. Создайте файл VAX_IN.CIR, введите схему рис. 2.1 и постройте семейство входных статических характеристик вашего транзистора.

10. На семействе выходных статических характеристик постройте нагрузочные прямые по постоянному и переменному току.

Рис. 2.8. Выходные статические и динамические характеристики биполярного транзистора

Рис. 2.9 Входные статические характеристики биполярного транзистора

2.2. Порядок выполнения работы

Исследуйте усилительный каскад из лабораторной работы № 1 (рис. 1.2) в статическом режиме, а именно:

1) определите потенциалы всех узлов и токи, протекающие через элементы схемы;

2) проверьте правильность законов Кирхгофа для всех узлов и замкнутых контуров схемы;

3) рассчитайте мощность, потребляемую от источника питания.

4) определите резистор, на котором рассеивается наибольшая мощность, и привести ее значение;

6) постройте семейство выходных и входных статических характеристик транзистора;

7) на семействе выходных статических характеристик постройте нагрузочные прямые по постоянному и переменному току;

8) оформите полученные характеристики так, как это показано на рис. 2.8 и 2.9.

2.3. Форма отчетности

Лабораторная работа должна содержать:

· результаты по всем пунктам задания;

Требования к оформлению и защите лабораторных работ по данной дисциплине приведены в лабораторной работе № 1.

2.4. Контрольные вопросы

1. Что такое статический режим работы схемы?

2. Для чего нужен анализ схем в статическом режиме?

3. Какими уравнениями описывается поведение схемы в режиме DС? Какие методы решения таких уравнений вы знаете?

Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).

Источник

Работа диода с нагрузкой. Понятие нагрузочной прямой, методы ее построения. Графический метод решения задачи.

Рассмотрим переходные процессы, происходящие в ключе при подаче на его вход прямоугольного импульса. В исходном состоянии транзистор находится в режиме отсечки, поскольку напряжение на входе Uвх = U0 меньше порога отпирания.

Включение. В момент t=t1 на вход ключа подается положительный импульс, амплитуда которого больше порогового значения. Этот импульс вызывает появление в цепи базы перепада тока. Ток базы во время действия входного импульса можно считать практически неизменным, так как входное сопротивление транзистора обычно много меньше сопротивления R. Под воздействием входного перепада тока транзистор переходит последовательно из области отсечки в активную область и далее в область насыщения. Процесс включения транзисторного ключа подразделяют на два этапа: задержка включения (или подготовка включения) и формирование фронта выходного импульса.

Задержка включения. Интервал времени t1-t2 от момента подачи входного импульса до начала нарастания коллекторного тока, определяет время задержки включения tЗ. Транзистор в это время находится в режиме отсечки. Возникновение задержки при включении ключа объясняется зарядом барьерных емкостей Сэ и Ск током БАЗЫ. В процессе заряда напряжение на емкостях Сэ и Ск под действием входного импульса нарастает от значения U0, стремясь к U1. В тот момент, когда напряжение на базе достигает порогового значения Un, ЭП открывается и транзистор переходит из режима отсечки в активный режим. Рабочая точка на нагрузочной прямой за время задержки не меняет своего положения.

Заряд барьерных емкостей происходит в цепи первого порядка с постоянной времени rЗ=R(Ск+Сэ). Практически время задержки весьма мало, поэтому им часто пренебрегают.

В момент t3, когда заряд достигает граничного значения КП смещается в прямом направлении и транзистор переходит в состояние насыщения. Рост коллекторного тока прекращается, поскольку он оказывается ограниченным параметрами внешней цепи:

IК = I К нас = Ек / Rк

В режиме насыщения рабочая точка на нагрузочной прямой остается в точке Б, а на передаточной характеристике перемещается из точки Д в точку Б.

Выключение. В момент времени t4 действие входного отпирающего импульса заканчивается. Возникает обратный ток базы. Под воздействием процесса рекомбинации заряд неосновных носителей в базе уменьшается. Спустя некоторое время транзистор выходит из насыщения и переходит в активную область, а затем запирается.

Процесс выключения можно разделить на два этапа: рассасывание избыточного заряда и формирование спада импульса.

Рассасывание избыточного заряда. Происходит в течение интервала времени t4-t5. Этот процесс является причиной возникновения задержки при выключении ключа. Заряд неосновных носителей в базе мгновенно измениться не может, поэтому требуется время, чтобы он уменьшился от стационарного значения в режиме насыщения Qст до граничного значения. В течение этого времени транзистор остается в режиме насыщения, ток коллектора постоянен и равен IКнас, а Uк_=Uк нас=Uo.

Время, в течение которого транзистор продолжает оставаться в режиме насыщения после окончания входного импульса, называется временем рассасывания.

К концу процесса рассасывания рабочая точка на передаточной характеристике перемещается в точку Д, а положение рабочей точки на нагрузочной прямой не меняется.

Формирование среза импульса. Начинается в момент времени t5,, когда избыточный заряд уменьшается до нуля. Коллекторный переход смещается в обратном направлении, и транзистор из режима насыщения переходит в активный режим. В течение интервала t5-t6, называемого длительностью среза, заряд в базе продолжает убывать, уменьшаясь от Qrp до нуля, рабочая точка как на нагрузочной прямой, так и на передаточной характеристике возвращается в точку А. Коллекторный ток в активном режиме пропорционален заряду и изменяется от IКнас, стремясь по экспоненциальному закону к 0. В момент t6 транзистор запирается и Iк=0.

Далее в течение некоторого времени t6,-t7 происходит изменение заряда барьерных емкостей переходов Сэ и Ск. За время этого процесса ток базы уменьшается до нуля, а на базе устанавливается исходное напряжение Uo.

Кремниевые стабилитроны. ВАХ стабилитрона и ее параметры. Зависимость ВАХ от степени легирования и температуры. Термостабилизация стабилитронов. Схема и параметры простейшего стабилизатора напряжения. Области применения стабилитронов.

П/п стабилитрон – это полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя при обратном смещении слабо зависит от тока в заданном его диапазоне и который предназначен для стабилизации напряжения. (Рабочая точка находится в области эл.пробоя). В стабилитронах должен быть либо лавинный, либо туннельный пробой, т.к. только при них получаются ВАХ, необходимые для стабилизации. Лавинный пробой характерен для материала с большой шириной запрещенной зоны, исходным является кремний.

ВАХ стабилитронов:

№1 – полевой пробой, №2 – смешанный, №3 – лавинный

1) Напряжение стабилизации U_ct=3-400 В, U_пр.лав.=А*ρ_б В ;

6) Дифференциальное сопротивление примерно 0,6-200 Ом;

7) Сопротивление постоянному току ;

9)Температурный коэффициент напряжения стабилизации ;

Зав-ть ТКН от напряжения стабилизации: Схема параметрического стабилизатора:

Область применения: используют для стабилизации напряжения в цепях, и защиты схем от перегрузки. Прецизионный термокомпенсированный стабилитрон, заключается в последовательном соединении с обр. включенным р-n-переходом стабилитрона доп. pn-перехода, включенного в прямом направлении. С повышением Т напряжение на pn-переходе, включенном в прямом направлении, уменьшается, что компенсирует увеличение напряжения на обратно включенном pn-переходе при лавинном пробое.

Импульсные диоды. Особенности конструкции, ВАХ импульсных диодов. Основные параметры, применение. Переходный процесс прямого и обратного переключения диодов. Работа диодов от источника тока. Методы повышения быстродействия диодов.

Импульсный диод – это п/п диоды, которые применяются в режимах переключения из прямо смещенного состояния в обр. смещ. состояние. Требование: должны иметь мин. время перехода.

Особенности конструкции – точечный диод состоит из кристалла германия, припаянного к кристаллодержателю, контактного электрода в виде тонкой проволоки и стеклянного баллона. Получают методом электроформовки или приваркой проволоки к полупроводнику при прохождении импульса тока, и образования аналогового p-n-перехода.

ВАХ импульсного диода: Осн. назначение имп. диодов – работа в качестве коммутирующих элементов, применение их для детектирования ВЧ сигналов и для других целей.

1) прямой средний ток I_пр

2) прямое падение напряжения при I=I_пр есть U_пр

4) макс. допустимое обр. напряжение U_обр.max=(0,5-0,8)U_пробоя

7) τ_уст-время установления U_пр диода, равное времени от момента подачи имп. прям. тока на диод (при 0 нач. напр-ии смещения) до достижения заданного значения прямого напряжения на диоде.

Факторы, влияющие на инерционность работы импульсного полупроводникового диода:

1) Накопление неравновесных носителей заряда в базе при прямом смещении

2) Влияние барьерной емкости

Имп. диоды: 1) Быстро действующие τ_вос 100 мс

1) Создание рекомбинационных центров в области базы (золото)

2) Применение диодов с накопление зарядов ДНЗ-диоды

При переключении диода с прям. направления на обр. в начальные момент временя через диод идет большой I_обр, ограниченный объемным сопр. базы. Накопленные в базе неосн. носители заряда рекомбинируют или уходят из базы через pn-переход, после чего I_обр уменьшается до своего стац. знач-ия. Переходный процесс, в течение которого обр. сопротивление п/п диода вост. до постоянного значения, наз-ся временем восстановления обр. сопр. диода.

Переходный процесс, в течение которого прямое сопротивление п/п диода устанавливается до постоянного значения, называется временем установления прямого напряжения диода.

Работа имп. п/п диода от генератора постоянного тока:

6) Рассеивание избыточ. конц-ии неосн. носителей.

Меры повышения быстродействия диодов:

3) Работа диода при малых входных воздействиях

4) ¯W(толщ. базы)=>0.1L_P ®­быстродействия в 100 раз

5) ¯времени пути неосн. носителей заряда в базе диода

6) Подключение малых величин R_Н, С_Н

7) Изготовление pn-перехода (от плоского к точечному)

8) Использование диодов шотки

9) Исп-ние ДНЗ-диодов (диоды накапливающие заряд)

8. Варикапы. Принцип работы, основные параметры и применение.

Варикапы – это п/п диод, действие которого основано на использовании зависимости емкости от обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.

1) Емкость варикапа С_в измеренная между выводами варикапа при заданном напряжении. Для разных варикапов емкость может быть от нескольких единиц до нескольких сотен пикофарад.

2) Коэф. перекрытия по емкости К_с— отношение емкостей варикапа при двух заданных значениях обратных напряжения. Значение этого параметра составляет обычно несколько единиц.

3) Добротность варикапа Q_в – отношение реакт. сопр. варикапа на заданной частоте переменного сигнала к сопр. потерь при заданном значении емкости или обр. напряжения. Добротность – это величина обратная тангенсу угла д/э потерь.

Диоды обладают барьерной и диффузионной емкостями. В качестве варикапов используются только диоды при обратном постоянном смещении, когда проявляется только барьерная емкость. Диффузионная емкость проявляется при прямом смещении диода.

Строение варикапов: База варикапов состоит из 2х слоев. Для получения резкой зав-ти емкости варикапа от напряжения смещения необходимо создать в базе варикапа аномальное распределение нескомпенсированных примесей с градиентом концентрации другого знака по сравнению со знаком градиента концентрации в базе диффузионного диода. Сопротивление базы варикапов должно быть малым. Одновременно для большего пробивного напряжения необходимо большее удельное сопротивление слоев базы, прилегающих к p-n-переходу. Таким образом, база варикапа должна состоять из двух слоев.

Варикапы применяют в устройствах управления частотой колебательного контура, в параметрических схемах усиления, деления и умножения частот, в схемах частотной модуляции, управляемых фазовращателях и д.р.

Исходным материалом для варикапов является кремний, а в последнее время – арсенид галлия.

9. Эквивалентные схемы полупроводниковых диодов для малого переменного сигнала, низкой и высокой частоты. Физическое содержание элементов схемы, методы определения.

1) С_дф конденсатор, характеризующий наличие в диоде диффузионной емкости

2) r_Б, r_диф резисторы, определяют дифференциальное сопротивления и сопротивление базы диода.

;

Источник