Línea de carga (electrónica)

En el análisis gráfico de circuitos electrónicos no lineales , una línea de carga es una línea dibujada en el gráfico característico de corriente-voltaje para un dispositivo no lineal como un diodo o transistor . Representa la restricción impuesta al voltaje y la corriente en el dispositivo no lineal por el circuito externo. La línea de carga, generalmente una línea recta, representa la respuesta de la parte lineal del circuito, conectada al dispositivo no lineal en cuestión. Los puntos donde se cruzan la curva característica y la línea de carga son los posibles puntos de operación ( puntos Q ) del circuito; en estos puntos, los parámetros de corriente y voltaje de ambas partes del circuito coinciden. ^[1]

El ejemplo de la derecha muestra cómo se utiliza una línea de carga para determinar la corriente y el voltaje en un circuito de diodo simple. El diodo, un dispositivo no lineal, está en serie con un circuito lineal que consta de una resistencia , R y una fuente de voltaje , V _DD . La curva característica (línea curva) , que representa la corriente I a través del diodo para cualquier voltaje dado a través del diodo V _D , es una curva exponencial. La línea de carga (línea diagonal) , que representa la relación entre la corriente y el voltaje debido a la ley de voltaje de Kirchhoff aplicada a la resistencia y la fuente de voltaje, es

${\displaystyle V_{D}=V_{DD}-IR\,}$

Dado que la misma corriente fluye a través de cada uno de los tres elementos en serie, y el voltaje producido por la fuente de voltaje y la resistencia es el voltaje a través de los terminales del diodo, el punto de operación del circuito estará en la intersección de la curva con la línea de carga.

En un circuito con un dispositivo de tres terminales, como un transistor , la curva de corriente-voltaje de la corriente de colector-emisor depende de la corriente de base. Esto se representa en gráficos mediante una serie de curvas (I _C –V _CE ) a diferentes corrientes de base. Una línea de carga dibujada en este gráfico muestra cómo afectará la corriente de base al punto de funcionamiento del circuito.

El diagrama de la línea de carga de la derecha corresponde a una carga resistiva en un circuito de emisor común . La línea de carga muestra cómo la resistencia de carga del colector (R _L ) limita la tensión y la corriente del circuito. El diagrama también representa gráficamente la corriente del colector del transistor I _C en función de la tensión del colector V _CE para diferentes valores de la corriente de base I _{base . Las intersecciones de la línea de carga con las curvas características del transistor representan los valores de} I _C y V _CE restringidos por el circuito para diferentes corrientes de base. ^[2]

Si el transistor pudiera pasar toda la corriente disponible sin que se produjera ninguna caída de tensión, la corriente del colector sería la tensión de alimentación V _CC sobre R _L . Este es el punto en el que la línea de carga cruza el eje vertical. Sin embargo, incluso en la saturación, siempre habrá algo de tensión del colector al emisor.

En el punto donde la línea de carga cruza el eje horizontal, la corriente del transistor es mínima (aproximadamente cero). Se dice que el transistor está desconectado, y que solo pasa una corriente de fuga muy pequeña, por lo que casi toda la tensión de alimentación aparece como V _CE .

El punto de funcionamiento del circuito en esta configuración (etiquetado como Q) generalmente está diseñado para estar en la región activa , aproximadamente en el medio de la región activa de la línea de carga para aplicaciones de amplificador . Ajustar la corriente de base de modo que el circuito esté en este punto de funcionamiento sin ninguna señal aplicada se denomina polarizar el transistor . Se utilizan varias técnicas para estabilizar el punto de funcionamiento frente a cambios menores en la temperatura o en las características de funcionamiento del transistor. Cuando se aplica una señal, la corriente de base varía y, a su vez, el voltaje colector-emisor varía siguiendo la línea de carga; el resultado es una etapa amplificadora con ganancia.

Normalmente se dibuja una línea de carga sobre las curvas características I _c -V _ce del transistor utilizado en un circuito amplificador. La misma técnica se aplica a otros tipos de elementos no lineales, como tubos de vacío o transistores de efecto de campo .

Los circuitos semiconductores suelen tener corrientes de CC y de CA , con una fuente de corriente de CC para polarizar el semiconductor no lineal al punto de funcionamiento correcto y la señal de CA superpuesta a la de CC. Las líneas de carga se pueden utilizar por separado para el análisis de CC y de CA. La línea de carga de CC es la línea de carga del circuito equivalente de CC, definida al reducir los componentes reactivos a cero (reemplazando los condensadores por circuitos abiertos y los inductores por cortocircuitos). Se utiliza para determinar el punto de funcionamiento de CC correcto , a menudo llamado punto Q.

Una vez que se define un punto de operación de CC mediante la línea de carga de CC, se puede dibujar una línea de carga de CA a través del punto Q. La línea de carga de CA es una línea recta con una pendiente igual a la impedancia de CA que enfrenta el dispositivo no lineal, que en general es diferente de la resistencia de CC. La relación entre el voltaje de CA y la corriente en el dispositivo está definida por esta línea. Debido a que la impedancia de los componentes reactivos variará con la frecuencia, la pendiente de la línea de carga de CA depende de la frecuencia de la señal aplicada. Por lo tanto, hay muchas líneas de carga de CA, que varían desde la línea de carga de CC (a baja frecuencia) hasta una línea de carga de CA limitante, todas con una intersección común en el punto de operación de CC. Esta línea de carga limitante, generalmente denominada línea de carga de CA , es la línea de carga del circuito a "frecuencia infinita" y se puede encontrar reemplazando los capacitores con cortocircuitos e inductores con circuitos abiertos.