Struktura

Grafické určení pracovního bodu nelineární součástky

Grafické určení pracovního bodu nelineární součástky

Pracovní bod je bodem VA-charakteristiky, který odpovídá skutečným pracovním podmínkám součástky v obvodu. Jeho volbou se volí pracovní podmínky součástky. Nastavit pracovní bod, jeho polohu, znamená přivést do součástky odpovídající hodnoty obvodových veličin (napětí, proud). Velikost proudu se omezuje sériovým rezistorem (obr. 1).

Obr. 1: Sériové zapojení nelineární součástky a rezistoru

Pokud je dáno napětí zdroje U0, hodnota odporu sériového rezistoru RS i VA-charakteristika nelineární součástky, lze polohu klidového pracovního bodu najít (určit) graficky již dříve popsaným způsobem (obr. 2).

Obr. 2: Pracovní bod nelineární součástky a jeho nastavení

P – pracovní bod nelineární součástky

Q – pracovní bod lineární součástky

UP – napětí na nelineární součástce v pracovním bodě P

IP – proud procházející oběma součástkami je-li nastaven pracovní bod P

U0-UP napětí na sériovém rezistoru při nastavení pracovního bodu P

Postup pro nalezení pracovního bodu je následují:

Nejprve se sestrojí výsledná VA-charakteristika sériového spojení RS a RN, na kterou se promítne napětí zdroje U0. Tak se získá bod A. Protože obvodem prochází jen proud označený IP, nachází se hledaný pracovní bod nelineární součástky na její VA-charakteristice při tomto proudu, tj. v bodě P. Pro úplnost, bod Q je pracovní bod lineárního rezistoru.

Polohu pracovního bodu nelineární součástky lze nalézt i jiným (rychlejším) způsobem. Vychází se z úvahy, že rezistor RS je možné považovat za vnitřní odpor zdroje, který napájí nelineární součástku. Zatěžovací charakteristika takového zdroje se nazývá zatěžovací nebo pracovní přímka. Zobrazení této přímky je na obr. 3 .

Obr. 3: Zobrazení pracovního bodu nelineární součástky pomocí zatěžovací přímky

Jak je zřejmé z obr. 3, vychází přímka z bodu U0 na vodorovné ose, který představuje napětí zdroje naprázdno. Druhý bod této přímky je bod IK na svislé ose a určuje tak proud zdroje nakrátko. Pro lepší pochopení je možné si představit, že v obvodu na obr. 1 se nelineární prvek přemostí vodičem a obvodem bude pak procházet zkratový proud IK= U0/RS. Průsečík zatěžovací přímky a VA-charakteristiky nelineárního prvku je hledaný pracovní bod, protože je to jediný bod, kdy oběma součástkami prochází stejný proud.

V praxi je často nutné najít vhodný odpor RS sériového rezistoru pro nastavení zvolené polohy pracovního bodu nelineární součástky při známém napětí napájecího zdroje U0 (klasickým případem je výpočet hodnoty odporu při sériovém spojení rezistoru a svítící diody, která představuje součástku s nelineární VA-charakteristikou).

Řešení:

Na VA-charakteristice nelineární součástky se vyznačí poloha pracovního bodu P (jeho souřadnice musí být zadané), na ose napětí napětí zdroje U0 a vede se spojnice U0 – P, která se prodlouží až na osu proudu a odečte se hodnota IK. Hodnota odporu RS se vypočítá z Ohmova zákona RS=U0/IK. Je také možné přímo použít zadané souřadnice pracovního bodu P (UP, IP) a velikost odporu určit ze vztahu RS=(U0 – UP) /IP.

Jiným případem je nalezení pracovního bodu nelineární součástky pro dané sériové spojení při známém napětí U0 a danou hodnotu RS. Z těchto hodnot se vypočítá proud IK a vynese se na osu proudu. Přímka spojující body IK a U0 protíná VA-charakteristiku nelineární součástky v pracovním bodě P, stačí odečíst jen souřadnice, tj. napětí UP a proud IP.

Zvláštním případem je situace, kdy bod IK je nepřístupný (proud IK je tak velký, že při zvoleném měřítku ho nelze zakreslit, obr. 4). Na tomto místě se využije poznatku, že velikost vnitřní odporu zdroje je určen sklonem zatěžovací přímky, tzn., že všechny lineární zdroje o různém U0, ale se stejným vnitřním odporem RS mají své zatěžovací přímky navzájem rovnoběžné. Zvolí se tedy menší pomocné napětí U0´, vypočítá IK´ a sestrojí přímka U0´- IK´. K této pomocné přímce se vede rovnoběžka z bodu U0, a kde protne VA-charakteristiku nelineární součástky, tam je pracovní bod P.

Obr. 4: Konstrukce pracovní přímky, jestliže bod IK je nepřístupný

Pro úplnost budou ještě uvedeny výkonové poměry sériového spojení lineární a nelineární součástky (obr. 5).

Obr. 5: Výkonové poměry

Přehled výkonů, které se v součástkách mění na teplo:

  • celkový výkon

P_{c}=U_{0}I_{p}

  • výkon v rezistoru RS

P_{RS}=(U_{0}-U_{P})I_{P}

  • výkon v nelineární součástce

P_{RN}=U_{P}I_{P}

Zdroje

  • KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009

Obrázky

  • Obr. 1: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Sériové zapojení nelineární součástky a rezistoru, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
  • Obr. 2: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Pracovní bod nelineární součástky a jeho nastavení, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
  • Obr. 3: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Zobrazení pracovního bodu nelineární součástky pomocí zatěžovací přímky, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
  • Obr. 4: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Konstrukce pracovní přímky, jestliže bod IK je nepřístupný, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
  • Obr. 5: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Výkonové poměry, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
Logolink