Linea de carga

Línea recta de carga , o línea recta dinámica [1] en electrónica e ingeniería eléctrica : una línea en el gráfico de la característica de voltaje de corriente , que muestra la dependencia de la corriente de salida que fluye a través de un dispositivo amplificador activo ( bipolar , transistor de efecto de campo o tubo de vacío ), sobre el voltaje en sus electrodos de salida (voltaje colector-emisor , drenaje-fuente , ánodo-cátodo ) [2] . Para cargas reactivas lineales , la dependencia toma la forma de una elipse cerrada , para cargas no lineales toma la forma de una curva de carga.

Históricamente, el objetivo principal del uso de líneas de carga era el cálculo gráfico de cascadas que operaban a grandes amplitudes del voltaje de salida, cuando no se puede despreciar la no linealidad de la característica de transferencia y las herramientas de análisis de pequeña señal no son aplicables [3] . El método gráfico permitió calcular con precisión las tensiones y potencias de salida introducidas por la etapa de distorsión y optimizar la elección del punto de operación [3] .

Carga DC directa

El método de línea de carga se utiliza para analizar gráficamente etapas de amplificadores de válvulas en modos de cátodo común o de rejilla común , transistores bipolares en modos de emisor común o de base común , y FET en modos de fuente común o de puerta común . En tal cascada, cargada con resistencia activa y alimentada por una fuente de voltaje , el voltaje entre los electrodos de salida y la corriente que fluye entre ellos (corriente de ánodo, corriente de colector, corriente de drenaje [com. 2] ) están relacionados por la ecuación $RH}$ $U_{bb}$ $U_x$ ${\ estilo de visualización I_ {x}}$

U_{bb}=U_{x}+I_{x}R_{H}

[4] [2] .

Las posibles soluciones de la ecuación se encuentran en la línea de carga que conecta los puntos y . El primero de ellos corresponde a un cortocircuito de los electrodos de salida, el segundo, al modo de corte (el dispositivo amplificador está bloqueado) [1] [2] . Con un aumento , la pendiente de la línea recta de carga disminuye (la línea recta se desplaza hacia la región de corrientes más bajas), con una disminución, la pendiente aumenta [1] . En el caso límite (drenaje, colector o ánodo en cortocircuito con el bus de alimentación), la línea de carga es estrictamente vertical [1] . En el caso límite, la línea de carga es estrictamente horizontal [1] . Si al mismo tiempo la carga es una fuente activa de corriente estable , entonces la línea recta está separada del eje horizontal por el valor de esta corriente. ${\ estilo de visualización (0, U_ {bb}/R_ {H})}$ ${\ estilo de visualización (U_ {bb}, 0)}$ $RH}}$ $RH}}$ ${\ estilo de visualización R_ {H} = 0}$ $R_{H}=\infty$

La corriente y el voltaje en el punto de intersección de la línea de carga con la característica corriente-voltaje de un transistor o triodo para un voltaje de control dado caracterizan el modo de reposo de la cascada, y se denominan corriente de reposo y voltaje de reposo, respectivamente [1 ] . Juntos, estos valores forman un punto de reposo (punto de trabajo) para un voltaje de polarización dado [1] . , y la potencia asignada al dispositivo amplificador no debe exceder los valores máximos permitidos para este dispositivo , y . Además, el punto de operación no debe entrar en la región de voltajes de salida bajos, en los que la distorsión de la forma de onda aumenta bruscamente [comm. 3] . Para tubos de vacío amplificadores de recepción, no es deseable entrar en la región de voltajes de control positivos [comm. 4] , para transistores de efecto de campo, los voltajes de control son inaceptables, en los cuales se abre la transición entre la puerta y el canal. $U_x$ ${\ estilo de visualización I_ {x}}$ ${\ Displaystyle U_ {máx})$ $I_{máx}$ ${\ Displaystyle P_ {máx}}$

En las etapas de pequeña señal, la elección del punto de operación está determinada por un compromiso entre los costos de energía y la pérdida permisible de las propiedades amplificadoras del transistor [5] . En circuitos discretos, la corriente de colector de un transistor bipolar de baja potencia generalmente se elige en la vecindad de 1 mA, la corriente de drenaje del transistor de efecto de campo es de 1 a 10 mA [5] . En las etapas de amplificación de señal grande, en las que las amplitudes de los voltajes y corrientes alternas son comparables al voltaje y la corriente de reposo, el voltaje de reposo óptimo (punto A) del transistor de efecto de campo se selecciona en aproximadamente la mitad del intervalo entre el límite de transición del modo lineal al modo de saturación y la tensión de alimentación [6] . Para un transistor bipolar, la tensión de reposo óptima es igual a la mitad de la tensión de alimentación [6] .

Carga de CA directa

La carga útil se puede conectar directamente a la salida del dispositivo amplificador, a través de un condensador de aislamiento o a través de un transformador de aislamiento. En el primer caso, las resistencias de carga de CA y CC son iguales y la línea de carga de CA coincide con la línea de carga de CC. Cuando se conecta a través de un elemento reactivo, la resistencia del circuito de salida a la corriente alterna puede ser tanto mayor como menor que la resistencia a la corriente continua , por lo tanto, las líneas de carga de corriente continua y alterna se cruzan en el punto de operación, pero no coinciden [ 7] . La línea de carga de CA, teniendo en cuenta la diferencia de , suele construirse para una carga puramente resistiva ( ) y para el rango de frecuencia en el que se puede despreciar la influencia de la reactividad de un condensador de aislamiento o un transformador de aislamiento [8] . $Z$ $RH}$ $Z$ $RH}$ ${\ Displaystyle R_ {\ Pi}}$

Con acoplamiento capacitivo con la carga [7] . A frecuencias suficientemente altas, cuando la reactancia del capacitor disminuye a valores insignificantes, $Z<R_{H}$

Z=R_{H}||R_{\Pi }={\frac {R_{H}R_{\Pi }}{R_{H}+R_{\Pi }}}

[7] .

Cuando la conexión del transformador con la carga [7] . Como primera aproximación, podemos suponer que la resistencia activa del devanado primario y la línea de carga de corriente continua corren verticalmente. A las frecuencias de operación del transformador, cuando se puede despreciar la influencia de la inductancia de su devanado primario y la inductancia de fuga , la resistencia a la corriente alterna aumenta a $Z>>R_{H}$ ${\ estilo de visualización R_ {H} = 0}$

Z=R_{H}+R_{2'}+R_{\Pi '}=R_{H}+{\frac {R_{2}+R_{\Pi }}{K^{2}} }

, donde es la resistencia activa del devanado secundario, es la relación de transformación [7] .

R_{2}

k

Líneas de carga AC para carga reactiva

Si la carga tiene un carácter complejo, se produce un cambio de fase entre la corriente que fluye a través de ella y el voltaje que cae sobre ella [9] . La característica dinámica de tal cascada no tiene la forma de una línea recta, sino de una elipse inclinada centrada en el punto de reposo; uno de los ejes de la elipse coincide con la línea de carga de la parte activa de la carga compleja [10] . Si la carga es puramente capacitiva o puramente inductiva, entonces los ejes de la elipse son paralelos a los ejes de coordenadas [10] .

No se utilizó el análisis gráfico de las elipses de carga debido a su excesiva complejidad [10] . En cambio, la carga compleja fue reemplazada por una resistencia puramente activa, cuyo valor era igual al módulo de resistencia total de la carga compleja [10] .

Comentarios

↑ Las características de corriente-voltaje de los transistores bipolares, tetrodos y pentodos son cualitativamente similares, las características de corriente-voltaje de los triodos de vacío se caracterizan por una resistencia de salida relativamente baja.
↑ Suponiendo que el circuito de salida está aislado del circuito de entrada, es decir, la corriente de rejilla, puerta o base es cero.
↑ Para un transistor bipolar, el modo de saturación no es deseable, para válvulas de vacío, el modo de operación con corrientes de red que se menciona a continuación, y para un transistor de efecto de campo, un modo lineal (inicial). La entrada de la línea de carga en el modo lineal del transistor de efecto de campo conduce a un aumento de las distorsiones no lineales en el límite del modo lineal, indeseable, y modo de saturación (en el que debería operar el amplificador del transistor de efecto de campo). El funcionamiento con polaridad inversa (inversión de polaridad) de los electrodos de salida está excluido para dispositivos de todo tipo.
↑ Más precisamente, en el rango de voltajes de cátodo de red, en el que se producen corrientes de red notables, lo que generalmente ocurre cuando el voltaje de cátodo de red es de aproximadamente -1 ... -0,5 V y más. La excepción son los amplificadores de potencia especialmente diseñados para trabajar con corrientes de red.

Notas

↑ 1 2 3 4 5 6 7 Tsykin, 1963 , pág. 62.
↑ 1 2 3 Popov y Nikolaev, 1972 , p. 369.
↑ 1 2 Tsykin, 1963 , pág. 66.
↑ Tsykin, 1963 , pág. 61.
↑ 1 2 Gavrilov, 2016 , pág. 73.
↑ 1 2 Gavrilov, 2016 , pág. 75.
↑ 1 2 3 4 5 Tsykin, 1963 , pág. 64.
↑ Tsykin, 1963 , pág. sesenta y cinco.
↑ Tsykin, 1963 , pág. 67.
↑ 1 2 3 4 Tsykin, 1963 , pág. 68.

Literatura

Gavrilov S. A. Circuitos. Clase maestra. - San Petersburgo. : Ciencia y Tecnología, 2016. - 384 p. — ISBN 9785943878695 .
Popov V.S., Nikolaev S.A. Ingeniería eléctrica general con los fundamentos de la electrónica. - M. : Energía, 1972.
Tsykin, G.S. Amplificadores electrónicos. - 2ª ed. - M. : Svyazizdat, 1963. - 512 p. — 21.000 copias.