§2. Работа уэ с нагрузкой. Динамические х-ки.

Уравнение нагрузочного режима.

Включение сопротивления нагрузки в цепь УЭ существенно влияет на его токи и напряжения. Рассмотрим схему бип. VT_ес ОЭ (рис. 2). В цепь источника питания с ЭДС Е_кпоследовательно включены сопротивление нагрузкиR_киVT. На основании закона Кирхгофа

Е_к = U_кэ + U_н, (1)

где U_кэиU_н– соответственно напряжения наVT_еи нагрузке в действующих значениях. Т. к. ЭДС источника питания Е_кявляется постоянной, то с изменением токаI_к, протекающего по сопротивлениюR_к, падение напряжения на немU_низменится, а значит, напряжениеU_кэтакже изменится. Эту зависимость в соответствии с уравнением (1) можно выразить следующим образом:

U_кэ = Е_к - I_кR_к (2)

Таким образом, при работе УЭ с нагрузкой в вых. цепи напряжение U_УЭявляется функцией вых. тока, который, в свою очередь, меняется при изменении вх. напряжения. Например, ↑_иепрямого напряжения на входе бип.VT_априведет к возрастанию к_готокаI_к, что вызовет ↑_иепадения напряжения на нагрузке, а напряжениеU_кэсоответственно ↓_ся. => при наличии нагрузки вых. токI_к, являясь функцией вых. напряжения, в свою очередь, приводит к изменению этого напряжения.

Нагруз. Линии у и их построение.

Зависимости между мгновенными значениями напряжений и токов в цепях УЭ при наличии в этих цепях внешних сопротивлений называетсянагрузочными характеристиками.

Вых. динамическая характеристика представляет собой зависимость вых. тока УЭ от его вых. напряжения при наличии сопротивления нагрузки в вых. цепи. Динамическая характеристика, построенная на статических выходных характеристиках УЭ в соответствии с (2) , называется нагрузочной характеристикой УЭ.Различают нагрузочные линии для постоянного и переменного токов.

Построим нагрузочную линию постоянного тока для бип. VT_a, собранного по схеме с ОЭ. Уравнение нагрузочного режима для этого случая имеет вид уравнения (2). Представим уравнение (2) как зависимостьIк = f(Uкэ).

IкRк = Eк – Uкэ , Iк = (Eк – Uкэ)/Rк (3)

Уравнение (3) является уравнением прямой линии, которую можно построить по двум точкам А и В, отложенным на осях координат (рис. 5). Точку А на оси абсцисс получим, приравнявIкк 0. При этом напряжениеUкэ = Ек. Точку В на оси ординат получим приUкэ = 0. В этой точкеI= Eк / Rк.. Проведенная через эти точки прямая является нагрузочной линиейпо постоянному току для бип. VT_a в схеме с ОЭ. Нагрузочная прямая позволяет определить для каждого значения токаIксоотв-ие ему значенияUкэпри данном сопротивлении нагрузкиRки ЭДС источника питанияЕк.

Аналогично строят нагрузочные

прямые для полевого VT_a и эл. лампы.

Угол наклона нагрузочной прямой к оси абсцисс φ определяется сопротивлением нагрузки (рис.6)

ctg φ = Rн = Ек/ IкТочка пересечения нагрузочной прямой со статической вых. характеристикой, построенной при постоянномUвх, равном напряжению смещения для полевых транзисторов, а для бип. транзисторов при вх. токе, равном току

смещения, являетсяточкой покоя Mв

семействе вых. характеристик усилительного элемента.В точке покоя определяются соответственно ток покоя и напряжение покоя. Если в схеме У цепи переменного и постоянного токов на выходе разделяются, то нагрузка УЭ по постоянному и переменному токам будет различной.При построении нагрузочных характеристик для переменного тока надо учитывать наличие реактивных элементов – емкостей и индуктивностей в схеме, т.е. то, что в общем случае сопротивление нагрузки комплексное:

Uуэ = E – Iвых · Žн (4)

Однако сопротивление нагрузки подбирают обычно так, чтобы можно было пренебречь влияние реактивных сопротивлений не общееэквивалентное сопротивление. В этом случае нагрузку по переменному току допустимо считать активной. Например на рис. 7 конденсатор Ср разделяет пути постоянной и переменной составляющихвых. тока, так как для постоянной составляющей сопротивлениеXс близко к ∞. В данной схеме нагрузкой для постоянного тока являетсяRк, а для переменного – результирующее сопротивление при параллельном соединенииRк иRн.

R_~= Rк·Rн/ (Rк + Rн)

Очевидно, что сопротивление R_~меньше, чемRк, и поэтому уравнение нагрузочного режима и линии нагрузочного режима для постоянного и переменного токов будут отличаться между собой. При активном характере сопротивления нагрузки , линия нагрузочного режима для переменного тока также будет прямой. Эта прямая обязательно (будет) пройдет через точку покоя М (рис. 5), так как в отсутствие с-ла в режиме покоя вых. токIк =Iко.

При подаче на выход транзистора вместе с постоянным напряжением смещения переменного напряжения с-ла Uвх =Uвхm·sinωt, ток в вых. цепи будет меняться в такт с изменением входного с-ла. При этом вых. токi_выхбудет представлять собой сумму двух токов – постоянногоIко и переменногоiк =Iкm·sinωt:

i_вых = Iко + Iк · sinωt

Выходное напряжение также будет меняться в зависимости от мгновенного значения переменной составляющей выходного тока, и уравнение нагрузочного режима можно представить следующим образом:

Uкэ = Eк – (IкоRн + iн R_~) = (E – IкоRн) – iк R_~ = Uкэо – iк R_~

Точка М является общей для обеих нагрузочных прямых. Вторую точку С найдем на оси токов, взяв Uкэ = 0. В этой точкеUкэо =iкR_~ и, следовательно, мгновенное значение переменной составляющейiк =Uкэо/ R_~.

I = Iко + Uкэо/ R_~.

Нагрузочная прямая переменного тока СД проходит под большим углом к оси напряжений, чем нагрузочная прямая постоянного тока АВ. Если сопротивление Rн>>Rк, то сопротивление по переменному токуR_~ ≈Rк и обе нагрузочные прямые практически совпадают. Кроме выходных имеются также и входные динамические характеристики. Так как полевые транзисторы и эл. лампы в основном работают бех выходных токов, то для них входные динамические характеристики специально не строят.

У бип. транзисторов в большинстве случаев сопротивление нагрузки переменному току R_~намного меньше выходного сопротивленияRвых. В этом случае нагрузки в выходной цепи, работающей практически в режиме КЗ, не влияет на входное сопротивление транзистора, поэтому и в случае бип. транзистора динамическая входная характеристика практически совпадает со статической.

На основе нагрузочной линии по переменному току проведем графический анализ работы бип. транзистора в нагрузочном режиме (рис.8)

На вход схемы в точки база-эмиттер поданы напряжение смещения U_БЭО для выбора точки покоя М при данном напряженииUкэо и входном напряженииUкэо и входное напряжениеUвх =Uвхm·sinωt. Под действием

Рис.8. Зависимости, поясняющие работу VTв нагрузочном режиме.

этого напряжения соответственно изменяются токи I_БиI_К. Токи покоя переносим на вх. характерстикиVT_аи, знаяI_БmaxиI_Бmin, определяем на нагрузочной прямой для переменного тока соответствующие им, точкиI_КmaxиI_Kmin . Проекции этих точек на осьV_КЭ позволяют соответственно определить напряжениеV_КЭminиV_КЭmax. Следует обратить внимание на то, что токуI_Кmax соответствует напряжениеU_КЭmin, и токуI_Kmin-U_КЭmax.

Т.О. , при подаче на вход переменного напряжения меняется соответственно и ток I_к., и напряжениеU_КЭ. С помощью выходной нагрузочной линии (рис.8) можно определить выходную мощность усиленного сигнала.

Р_вых =I_km*U_km/2

мощность, потребляемую от источника в режиме покоя:

P₀=I_K0*E_K

а также КПД:

 = P_ВЫХ/P₀

С ростом амплитуды входного сигнала увеличивается амплитуда тока I_К, а амплитуда напряженияU_КЭсоответственно уменьшается и в т.NVTвходит в режим насыщения. Напомним, что в режиме насыщения оба перехода открыты, а это означает, что прямое входное напряжение на этом Э_ом переходе по абсолютной величине превысило обратное напряжениеV_КЭи К_ыйпереход тоже открылся. При подаче на вход биполярногоVT, работающего в акт. режиме, обратного напряжения, которое по абсолютной величине больше, прямого напряжения смещения, Э_ый переход закроется, иVTпопадает в режим отсечки.

Т.о. работа У на биполярном VTограничена в двух точках - в точкахNVTвходит в режим насыщения, а в точке К - в режиме отсечки.