Особенностью верхнего ключа является то, что база ключевого транзистора находится под потенциалом источника питания. Необходим согласующий каскад, который преобразует логические сигналы управления, привязанные к земле, в сигналы управления ключевого транзистора. Предпочтительнее в качестве верхнего ключа использовать транзистор p-n-p, включенный по схеме с общим эмиттером. В насыщенном состоянии на нем падает минимальное остаточное напряжение. Если в качестве ключа использовать транзистор n-p-n, то его приходиться включать по схеме с общим коллектором, при этом на нем падает заметно большее напряжение. Хотя транзисторы p-n-p уступают по быстродействию транзисторам n-p-n типа, но в современной элементной базе достаточный выбор транзисторов на различные токи и напряжения и схема верхнего ключа с p-n-p транзистором широко используется особенно в регуляторах с импульсным или ШИМ управлением. Типовая схема верхнего ключа показана на рис П4.4.
Соберем схему ключа на транзисторах модели “Ideal”, но с разработанной моделью двигателя MG1 24V1A.
Рис П4.4. Схема верхнего ключа и его характеристика управления
В качестве управляющего сигнала для удобства моделирования используем источник ток I1. Транзистор Q1 является преобразователем уровня. Когда транзистор Q1 открыт и насыщен, потенциал его коллектора близок к потенциалу земли. Резистор R1 задает ток базы ключевого транзистора Q2 Iб2=Еп/R1. Ток Iб2 должен быть больше тока базы насыщения Q2, чтобы Q2 находился в режиме насыщения. Iб2³Iб_нас=Iк_нас/b2, где Iк_нас=Iротор=1.5 А (см. рис П4.1).
Пусть b2=50. Тогда Iб_нас=1.5 А/50=0.03 А.
Резистор должен быть R1£ Еп/R1=24 В/0.03 А=800 Ом.
В схеме П4.4. возьмем его равным 1 кОм, а при моделировании уточним его величину.
Резистор R2 обеспечивает гальваническую связь эмиттера и коллектора транзистора Q2 для надежного запирания; чтобы начальный базовый ток запертого транзистора создавал падение напряжения на R2 менее 0.6 В. Поэтому также пока возьмем R2=1 кОм.
Диод D1 защищает транзистор от импульсов напряжения, возникающих при коммутации индуктивной нагрузки.
Проверим работу схемы в режиме ручного моделирования, нажав клавишу Activate Stimulation в правом верхнем углу рабочего поля. Вольтметр М2 должен показывать доли вольта, что подтверждает насыщение транзистора Q2. Двигатель дожжен обеспечивать максимальные обороты.
Убедившись в работоспособности схемы на идеальных транзисторах, выбираем из библиотеки EWB реальные транзисторы; последовательно начиная с Q2 и убедившись, что режим насыщения выполняется, а затем выбираем библиотечный транзистор Q1.
После выбора транзисторов, проводим детальное исследование схемы и уточнение параметров резисторов.
Моделирование ведется в режиме Analysis/Parameter Sweep. Исследование переключательной характеристики ключа. Варьируется ток входного источника I1. Выходной параметр – напряжение на коллекторе ключевого транзистора Q2. Результат моделирования приведен на рис П4.4. Видно, что при входном токе I1 более 80 мкА выходное напряжение перестает изменяться, т.е. транзистор Q2 вошел в режим насыщения. Такой входной управляющий ток легко получить от логического элемента.
Оптимизация резистора R1. Режим моделирования Analysis/Parameter Sweep. Варьируется параметр R1 в пределах от 100 Ом до 5 кОм. Режим свипирования DC Operation Point. Выход – напряжение на коллекторе Q2.
Рис П4.5. Результаты оптимизации номиналов резисторов R1 и R2.
Оптимизация резистора R2. Режим моделирования Analysis/Parameter Sweep. Варьируется параметр R2 в пределах от 100 Ом до 10 кОм. Режим свипирования DC Operation Point. Выход – напряжение на коллекторе Q2. Результаты моделирования для обоих резисторов показаны на рис П4.5.
Транзистор Q2 насыщен, пока резистор R1 не превышает 2 кОм. При больших значениях растет остаточное напряжение Uкэ Q2, падает выходное напряжение, транзистор выходит из насыщения.
Из результатов свипирования в широком диапазоне R2 видно, что на насыщения транзистора величина резистора R2 особой роли не влияет.
Вывод: выбираем резисторы R1 и R2 одинаковыми по 1 кОм; транзисторы Q1 – 2N2712, Q2 – ZTX955.
