II. Построение линий нагрузки (нагрузочных характеристик)

Характеристики транзистора при наличии нагрузки называются нагрузочными характеристиками. Они имеют иной вид, чем статические характеристики, т.к. в данном режиме напряжение на коллекторе не остается постоянным, а зависит от тока коллектора. Имея статические характеристики транзистора и зная сопротивление нагрузки, можно построить его нагрузочные характеристики. Рассмотрим этот вопрос применительно к схеме с общей базой.

Для коллекторной (выходной) цепи можно записать на основании закона Кирхгофа:

или

.

Это соотношение определяет связь между током и напряжением коллектора при наличии нагрузки и представляет собой выходную нагрузочную характеристику транзистора.

Это выражение в координатах выходных характеристик I_K=f(U_KБ) является уравнением прямой линии с отрицательным угловым коэффициентом. Ее легко построить, вычислив отрезки, отсекаемые этой прямой на осях координат: при I_K=0 U_KБ=E_K (точка ε) и при U_KБ=0, I_K=E_K/R_K (точка F на рис.6). Проведя через точки 0, E_K/R_K и E_K, 0 прямую, получим выходную нагрузочную характеристику.

Рис.6. Выходная нагрузочная характеристика транзистора

В практике часто бывают заданы рабочая точка (например, А на рис.7) и напряжение Е_K. Тогда линию нагрузки строят по этим двум точкам, а необходимое значение R_K вычисляют делением Е_K на ток, определяемый отрезком оси ординат , который отсекается линией нагрузки (отрезок 0 F на рис.7).

Рис.7. Семейство линий нагрузки при различных величинах нагрузки

Если заданы рабочая точка А ( U_K0, I_K(0) ) и сопротивление нагрузки R , то необходимое напряжение источника Е_к получится путем сложения U_K0 с произведением I_K(0)*R (точка ε на рис.7).

С

E^//_K

E^/_K

0

емейство линий нагрузки при различныхR в заданной точке А имеет вид пучка прямых, проходящих через эту точку (рис.7). Чем больше R, тем положе идет линия нагрузки. Предельными случаями являются прямая, параллельная оси ординат (при R =0), и прямая, параллельная оси абсцисс при разомкнутой выходной цепи (R= ∞ ).

U_K

Рис.8. Линии нагрузки при различных величинах Е_к и одном и том же сопротивлении нагрузки R

При R , близких к 0, или R → ∞ построить линии нагрузки по точкам пересечения с осями координат затруднительно, т.к. углы наклона этих линий нагрузки близки к 90 ⁰ и к 0, то есть линии нагрузки должны идти почти параллельно либо оси ординат, либо оси абсцисс. В этих случаях строят эти линии нагрузки путем параллельного переноса линий нагрузки, соответствующих меньшим Е_K. Пример такого построения показан на рис.8. Необходимо построить линию нагрузки 2 для Е_K^// и малом R , при которых линия нагрузки идет почти вертикально и на оси ординат невозможно отложить большой отрезок, соответствующий току Е_K^/// R . Возьмем Е_K^/ на порядок меньше Е_K", R остается неизменным. Для Е_K^/ и R строим (как обычно) новую линию нагрузки 1, отложив по оси абсцисс отрезок, равный Е_K^/, а по оси ординат отрезок, равный Е_K^//R. Затем осуществляем параллельный перенос, например, от точки F (или любой другой точки на линии нагрузки 1) отрезок, равный εε^/ = E^//_K - E^/_K по горизонтали. Через полученную таким образом точку (на рис.8 точка F ) и точку, соответствующую U_K= E^//_K, I_K=0 проводим линию 2 - это и есть линия нагрузки для Е_K^// и R .

Входная нагрузочная характеристика транзистора связывает входное напряжение U_Э с входным током I_Э в рабочем режиме. Эту характеристику можно получить путем переноса на семейство входных статических характеристик точек (I_Э, U_К ) с выходной нагрузочной характеристики.

Рис.9. Построение входной нагрузочной характеристики транзистора

Выходная нагрузочная характеристика - геометрическое место точек, определяющих I_K=f(U_K) в рабочем режиме при заданных элементах внешней цепи: E_K=const, R_K=const, то есть при заданных E_K и R_K рабочая точка должна находиться на линии нагрузки. Где конкретно? Это зависит от режима работы входной цепи, от I_Э. Точки пересечения линии нагрузки со статическими характеристиками I_K=f(U_K) / I_Э=const определяют коллекторный ток и коллекторное напряжение транзистора при заданных I_Э, E_K и R_K. Например, точке L на выходных характеристиках соответствует I_Э^/, I_K^/ (почти равный I_Э^/) и U_K^///= E_K- I_K^/*R_K . Если увеличим I_Э (I_Э^///>I_Э^//>I_Э^/), то рабочая точка по линии нагрузки пойдет вверх (в D или N), возрастет I_K (I_K^///>I_K^//>I_K^/) , возрастет падение напряжения на нагрузке U_R=I_K*R_K , а напряжение между коллектором и базой U_K уменьшится (U_K^/<U_K^//<U_K^///) . Это изменение U_K создает так называемую реакцию выходной цепи: с ростом U_Э, I_Э, I_K напряжение U_KБ падает, вследствие чего оно должно противодействовать увеличению выходного тока I_K . Но поскольку ток I_K в схеме с общей базой практически очень мало зависит от напряжения U_KБ (выходные характеристики идут почти параллельно оси абсцисс), эта реакция весьма незначительна. В схеме с общим эмиттером реакция выходной цепи заметнее, т.к. выходные характеристики I_K=f(U_КЭ)|_IБ=const имеют больший наклон к оси коллекторных напряжений U_KЭ (рис.10).

Рис.10. Линия нагрузки на выходных характеристиках транзистора по схеме с общим эмиттером

Таким образом, построив линию нагрузки и отметив точки пересечения ее со статическими характеристиками I_K=f(U_K)/ I_Э=const :

L(I_Э^/, U_K^///), D(I_Э^//, U_K^//), N(I_Э^///, U_K^/),

можем перенести эти точки на семейство входных статических характеристик I_Э=f(U_Э) - точки L^/, D^/, N^/. Соединяя эти точки плавной кривой, получим нагрузочную входную характеристику (рис.9). Однако у многих транзисторов входные статические характеристики в активном режиме идут узким веером (особенно в схеме с общим эмиттером), что свидетельствует о слабой обратной связи. Поэтому точное построение нагрузочной характеристики затруднительно и нецелесообразно, т.к. входная нагрузочная характеристика практически совпадает со статическими. Поэтому для транзисторов в справочниках и паспортах приводится обычно одна входная характеристика, соответствующая номинальному значению U_КБ, которую принимают в качестве входной нагрузочной характеристики.