В графическом анализе нелинейных электронных схем линия нагрузки — это линия, нарисованная на графике вольт-амперной характеристики нелинейного устройства, такого как диод или транзистор . Он представляет собой ограничение, налагаемое на напряжение и ток в нелинейном устройстве внешней цепью. Линия нагрузки, обычно прямая, представляет собой реакцию линейной части схемы, 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, включен последовательно с линейной цепью, состоящей из резистора R и источника напряжения V DD . Характеристическая кривая (кривая линия) , представляющая ток I через диод для любого заданного напряжения на диоде V D , представляет собой экспоненциальную кривую. Линия нагрузки (диагональная линия) , представляющая соотношение между током и напряжением, обусловленное законом напряжения Кирхгофа, приложенным к резистору и источнику напряжения, равна
Поскольку через каждый из трех элементов, включенных последовательно, протекает одинаковый ток, а напряжение, создаваемое источником напряжения и резистором, является напряжением на выводах диода, рабочая точка схемы будет находиться на пересечении кривой с линия нагрузки.
В цепи с трехвыводным устройством, например транзистором , вольт-амперная характеристика тока коллектор-эмиттер зависит от тока базы. На графиках это изображается серией кривых (IC –V CE ) при различных токах базы. Линия нагрузки, нарисованная на этом графике, показывает, как ток базы повлияет на рабочую точку цепи.
Диаграмма нагрузочной линии справа предназначена для резистивной нагрузки в цепи с общим эмиттером . Линия нагрузки показывает, как резистор нагрузки коллектора (RL ) ограничивает напряжение и ток цепи. На диаграмме также изображена зависимость тока коллектора транзистора I C от напряжения коллектора V CE для различных значений тока базы I base . Пересечения линии нагрузки с характеристическими кривыми транзистора представляют собой ограниченные цепью значения I C и V CE при различных базовых токах. [2]
Если бы транзистор мог пропускать весь доступный ток без падения напряжения на нем, ток коллектора был бы напряжением питания V CC на R L . Это точка, где линия нагрузки пересекает вертикальную ось. Однако даже при насыщении всегда будет некоторое напряжение между коллектором и эмиттером.
Там, где линия нагрузки пересекает горизонтальную ось, ток транзистора минимален (примерно равен нулю). Говорят, что транзистор отключен, пропуская лишь очень небольшой ток утечки, поэтому почти все напряжение питания отображается как V CE .
Рабочая точка схемы в этой конфигурации (обозначенная Q) обычно располагается в активной области , примерно в середине активной области линии нагрузки для усилителей . Настройка тока базы таким образом, чтобы схема находилась в этой рабочей точке без приложенного сигнала, называется смещением транзистора . Для стабилизации рабочей точки при незначительных изменениях температуры или рабочих характеристик транзистора используется несколько методов. При подаче сигнала ток базы меняется, а напряжение коллектор-эмиттер, в свою очередь, меняется, следуя линии нагрузки – в результате получается усилительный каскад с усилением.
Линия нагрузки обычно рисуется на кривых характеристик Ic -V ce для транзистора, используемого в схеме усилителя. Тот же метод применяется к другим типам нелинейных элементов, таких как электронные лампы или полевые транзисторы .
Полупроводниковые схемы обычно содержат как постоянный , так и переменный ток, с источником постоянного тока для смещения нелинейного полупроводника в правильную 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 схемы постоянного тока , определяемая путем сведения реактивных составляющих к нулю (замена конденсаторов разомкнутыми цепями и катушек индуктивности короткими замыканиями). Он используется для определения правильной рабочей точки постоянного тока, часто называемой точкой Q.
Как только рабочая точка постоянного тока определена линией нагрузки постоянного тока, через точку Q можно провести линию нагрузки переменного тока. Линия нагрузки переменного тока представляет собой прямую линию с наклоном, равным полному сопротивлению переменного тока , обращенному к нелинейному устройству, которое в целом отличается от сопротивления постоянному току. Отношение переменного напряжения к току в устройстве определяется этой линией. Поскольку импеданс реактивных компонентов будет меняться в зависимости от частоты, наклон линии нагрузки переменного тока зависит от частоты приложенного сигнала. Таким образом, существует множество линий нагрузки переменного тока, которые варьируются от линии нагрузки постоянного тока (на низкой частоте) до линии предельной нагрузки переменного тока, и все они имеют общее пересечение в рабочей точке постоянного тока. Эта линия предельной нагрузки, обычно называемая линией нагрузки переменного тока , представляет собой линию нагрузки цепи на «бесконечной частоте», и ее можно найти, заменив конденсаторы с короткими замыканиями и катушки индуктивности с разомкнутыми цепями.
