Как нагрузочная прямая используется в проектировании схем

Добавлено 16 февраля 2020 в 02:12

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 Rэкв, 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 Vпит. Мы также знаем, что ток через диод не может быть выше, чем Vпит/Rэкв, потому что ток цепи ограничен этим значением резисторов; диод может оказывать дополнительное сопротивление току и, следовательно, создавать значение ниже, чем Vпит/Rэкв, 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.

Оригинал статьи:

  • Robert Keim. How Is a Load Line Used in Circuit Design?

Теги

FAQFEQ / Частые технические вопросыLED / СветодиодАнализ цепейВАХ (вольт-амперная характеристика)ДиодНагрузочная прямаяОбучениеПроектирование схем

Диод в режиме нагрузки — Я Студик

На рис. 2.3,а приведена электрическая схема, содержащая источник питания UП, диод VD1 и резистор RН. Расчѐт такой электрической цепи, содержащей нелинейные элементы, можно выполнить графоаналитическим методом двумя способами:

с помощью нагрузочной прямой;

путѐм построения суммарной вольтамперной характеристики.

Выполним последовательно расчѐт схемы, представленной на рис. 2.3,а, одним и другим способом.

Графоаналитический расчѐт с помощью нагрузочной прямой следует начать с определения электрического состояния цепи (рис.

2.3,а), которое описывается вторым законом Кирхгофа

UП=IНRН+UVD,

откуда

I           UП

RН

UVD

RН

.           (2.1)

Это уравнение называют аналитическим выражением нагрузочной прямой, так как в рассматриваемой схеме резистор RН выполняет функцию нагрузки.

Из уравнения (2.1) требуется определить ток IH=IVD и напряжение UVD. Этот расчѐт проводится графоаналитическим построением нагрузочной характеристики. Нагрузочная характеристика представляет собой прямую линию, отсекающую на

осях координат (рис. 2.3,б) отрезки: на оси абсцисс UVD=UП при IН=0; на оси ординат IН=UП/RH при UVD=0. Построенная по двум этим точкам характеристика называется нагрузочной прямой. Она отражает все возможные режимы электрической цепи: от режима

короткого замыкания диода UVD=0 до холостого хода IН=0.

R н

+

Uп       I н      VD1

 

Uвых

а          б

в          г

Рис. 2.3. Графоаналитическое решение цепи, содержащей диод

Изменение сопротивления Rн  вызывает изменение наклона нагрузочной прямой (линия 2 на рис. 2.3,в).

Изменение Uп  при фиксированном значении Rн  приводит к параллельному смещению нагрузочной прямой относительно еѐ исходного положения (линия 3). На рис. 2.3,в нагрузочная прямая изображена совместно с ВАХ диода.

В  электрической  последовательной  цепи  (см.  рис.  2.3,а) течѐт единый ток IН=IVD, который одновременно должен удовлетворять закономерностям ВАХ и нагрузочной прямой.

Для графоаналитического расчѐта с помощью нагрузочной прямой такой электрической цепи (рис. 2.3,а), содержащей нелинейный элемент диод VD1, построим в одних осях (рис. 2.3,б) ВАХ диода VD1 и конкретную нагрузочную прямую по заданным значениям напряжения источника питания Uп  и сопротивления нагрузки Rн. Точка А пересечения ВАХ диода и нагрузочной прямой одновременно удовлетворяет их закономерностям и поэтому является   графоаналитическим   решением   системы   уравнений,

описывающих ВАХ диода IVD=f(UVD) и нагрузочную прямую

IVD

UП      UVD

RН      RН

Таким образом, приведѐнные выше построения позволили определить общий ток Iобщ=IVD=IН, падение напряжения на диоде UVD и нагрузке UH.

Для расчѐта по второму способу построим суммарную ВАХ

нелинейного прибора, напряжение на котором при заданном токе IVD=Iобщ=IН  равно сумме падений напряжений на диоде VD1 и нагрузке Rн  (рис. 2.3,г). Для еѐ построения при конкретных значениях общего тока Iобщ=IVD= IН  находим значения напряжений UVD и UH и их сумму UП= UVD+ UH откладываем по оси напряжения.

Полученные  результаты,  как  видно  из  рис.  2.3,б  и  2.3,г,

совпадают. Первый метод более удобен и он будет использован в дальнейшем  при  решении  подобных  задач,  когда  нагрузка  и

нелинейный элемент включены последовательно. В более сложных случаях приходится использовать оба метода.

Так на рис. 2.4,а представлена схема, для расчѐта которой графоаналитическим        методом            необходимо   использовать оба

способа.

R 1

+

I Σ       VD1

Uп       I VD    I H       R 2

I

UП2

I= R1

I’Σ

а

IΣ        I VD

I R2

IΣ

I’VD

I VD

A

I’R2

I R2

U П1

U Σ

IΣ R1

U П2   UΣ

U VD

б

Рис. 2.4. Графоаналитическое решение цепи, содержащей диод,

несколькими способами

На  первом  этапе  строится  ВАХ  нового  нелинейного элемента, состоящего из параллельно-включѐнных резистора R2  и диода VD1 (рис. 2.4,б). Для этого при  конкретных значениях Uп

определяются  токи  диода  VD1  и  резистора  R2   и  по  оси  тока

откладывается их сумма: I’

 

‘           ‘

R2       VD

(рис. 2.4,б).

На втором этапе строится нагрузочная прямая по уравнению

U         U’

 

I           П2

R2

, где

1

U’        – напряжение, определяемое по ВАХ нового

нелинейного элемента, построенной на первом этапе. Полученная при этом построении точка А является графоаналитическим решением. Из рис. 2.4,б можно определить суммарный ток IΣ, протекающий по резистору R1, и падение напряжения UR1; токи IR2 и IVD и падение напряжения UΣ=UVD= UR2.

Материал взят из книги Полупроводниковые приборы в системах транспортной телематики (Асмолов, Г. И.)

втадиев грузовых линий ? | Telecaster Guitar Forum

JavaScript отключен. Для лучшего опыта, пожалуйста, включите JavaScript в вашем браузере, прежде чем продолжить.