【導(dǎo)讀】本文從一個(gè)全新的角度對TL431 的工作原理進(jìn)行了非常詳細(xì)的分析,為大家提供了另一種思路,從側(cè)面幫助大家多進(jìn)行思考,從不同的角度來觀察問題。
TL431 有著較為特殊的動態(tài)抗阻,是一種較為精密的可控穩(wěn)壓源,在電路當(dāng)中,TL431 也作為一種并聯(lián)型的穩(wěn)壓電路來使用,當(dāng)然使用方法并不局限在這一種,其還能夠作為串聯(lián)或電壓基準(zhǔn)來使用。TL431 的主要作用是使電路獲得更加穩(wěn)定的電壓,雖然人們都知道使用TL431,但是并沒有幾個(gè)人對其工作原理進(jìn)行深入的剖析,本篇文章就將為大家介紹關(guān)于TL431 工作方式的另一種理解方式。
說到TL431 的工作方式,很多人想到的必然是TL431+PC817 的電源電路。其實(shí)任何基于431 手冊中的穩(wěn)壓電路,都可以有合理的電路模型。
而TL431 和PC817 的反激電源中的TL431,卻無法,或很難解釋。
圖1:TL431 的內(nèi)部原理圖
首先,這里有一個(gè)最最基本的問題。當(dāng)TL431 正常工作在穩(wěn)壓電源中的時(shí)候,Cathode 的電壓是多少?大家想過這個(gè)問題嗎?
圖2:TL431 常用穩(wěn)壓電路
對于如圖2 的TL431 常用穩(wěn)壓電路,C 的電壓是確定的。
由電源電壓減去電阻電壓,就可以得到。因?yàn)镽EF 的電壓因?yàn)樨?fù)反饋而穩(wěn)定就使2.5V.但TL431+PC 817 中的TL431,卻沒有明確的Cahode 電壓!
圖3:反激電源中的TL431
通過TL431 的內(nèi)部電路,可以看出,Cathode 的電壓不應(yīng)該低于2.5V。因?yàn)橹挥蠧athode 的電壓高于2.5V,Q1 的這個(gè)三極管,才可以工作在放大狀態(tài)。如果低于2.5V,那么Q1 會進(jìn)入飽和方式,而失去放大作用。不難看出,此時(shí),Q2、Q3、Q4 等三極管也會失去放大作用而飽和。
三極管飽和的方式,肯定不是TL431 的設(shè)計(jì)者,最初的想法,他的想法,肯定是要讓這些三極管工作在放大方式的。C 低于2.5V,在反激的431 中,不會出現(xiàn)2.5V 流向5V 的電流,假設(shè)反激電壓為輸出5V.如果REF 電壓高于C,電流也是從集電極到發(fā)射極的流動方向。最好的情況是,3.28K 電阻之下的電路工作正常,而可以輸出1.5V 左右的基準(zhǔn)電壓。
而最好的情況是,假設(shè)即使Cathode 低于2.5V,431 也可以反饋正常工作。對于TL431 組成的穩(wěn)壓電源,必須提供431,手冊說的1mA 的Cathode 到Anode 的工作電流。
但是,在反激電壓的TL431 中,這根本就不需要!這一點(diǎn),需要特別注意。因?yàn)閮H此一點(diǎn),就徹底否定了LED 并聯(lián)電阻的,毫無意義的做法。
對于TL431 手冊中的穩(wěn)壓電源電路,必須提供1mA 電流,才可以正常工作。而反激電源中的TL431,在C 到A 的電流為0 的時(shí)候,恰好是UC3842 輸出最大占空比的時(shí)候,這必然產(chǎn)生輸出電壓,而使得TL431 工作。
所以,在反激電源中,根本不需要關(guān)心TL431 的電流問題,特別是啟動的時(shí)候。這是必然會產(chǎn)生的。
試想,UC3842 的反激電源啟動了,此時(shí),沒有輸出電壓。TL431 也沒有電流,不工作。但UC3842 因?yàn)槠渲械倪\(yùn)放會輸出最大的1mA 電流,流向了1V 穩(wěn)壓管并聯(lián)的電阻,而導(dǎo)致設(shè)定的占空比最大,而輸出電壓逐步上升。
隨著5V 電壓的逐漸增大,TL431 的C 和A 之間如果不導(dǎo)通,那么其CA 電壓會5V 左右,這會與TL431 的輸出電壓電流IV 曲線出現(xiàn)矛盾,所以TL431 必定會在CA 間產(chǎn)生電流。而5V 的分壓電阻,在REF 產(chǎn)生2.5V 左右電壓,導(dǎo)致TL431正常工作。
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LED 電流對應(yīng)一定的輸入電壓和負(fù)載電阻。就是說,如果輸入電壓固定,負(fù)載一定,那么就會有與之一一對應(yīng)的TL431 的C 到A 的電流,就是LED 電流。如果兩者,有一個(gè)或2 個(gè)都改變,那么LED 電流,必然改變。所以,最大的輸入電壓,和最小的負(fù)載電阻,對應(yīng)最小的LED 電流,可以是0。
最小的輸入電壓,最大的負(fù)載電阻,對應(yīng)最大的LED 電流。幾個(gè)mA.請注意,無論如何,TL431 在CA 電流為0,就是LED 電流為0 的時(shí)候,是無法工作的。但此時(shí)UC3842 輸出最大占空比,而導(dǎo)致,TL431 會逐漸開始工作。
就是說,反激電源中的TL431,C 到A 的電流是可以為0 的,而這對應(yīng)最大的占空比。我們的目的,是讓UC3842 產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)的占空比,對于TL431 是否工作,這不重要!但只要產(chǎn)生足夠的輸出電壓,TL431 必定負(fù)反饋正常工作。但因?yàn)閁C3842 的電流變化只有1mA,如果TL431 的LED 電流變化達(dá)到10mA,那么9mA 的調(diào)節(jié)死區(qū),會給輸出電壓,帶來振蕩。所以,這就是我們需要串聯(lián)Rled 這個(gè)電阻的唯一原因。
這個(gè)電阻,無法用頻率補(bǔ)償?shù)哪翘追椒ǚ治鲇?jì)算。到目前為止,只能定性理解。至少,因?yàn)門L431 一旦沒有電流,就不可能有電路模型高頻的!這個(gè)Rled 電阻,對于輸出電壓的動態(tài)過程產(chǎn)生影響。
越大越好,因?yàn)長ED 電流變化就小了,比如說,變成了5mA 的變化范圍,就比10mA 的9mA 死區(qū),輸出電壓電振蕩小不少。一般來說2mA 足以了。但確實(shí)是不好計(jì)算。因?yàn)槲覀儾恢溃?mA 的LED 電流,TL431 的cahoce 電壓為多少。所以就沒有辦法來計(jì)算Rled 這個(gè)電阻的大小。
假如認(rèn)為TL431 的C 電壓必須不低于2.5V,那么,這依然不符合實(shí)際情況。因?yàn)樽畲骍C3842 輸出占空比時(shí)候,TL431 的電流就可以為0 的。但還是假設(shè)這么算,C 不低于2.5V 的話,就按2.5V 來算。
Rled=(5-1.5-2.5)V/2mA=500 歐姆。
圖4
對于TL431 的設(shè)計(jì)理念,不管其設(shè)計(jì)者,最初是否如下圖所示,圖4 的原理與TL431 是完全一樣的。因此,TL431+PC817 的確是個(gè),到目前為止,使用眾多的電路。
最好的,最合乎情理的,方法就是用運(yùn)放,用TL431 提供電壓基準(zhǔn)的方式,比如那個(gè)著名的使用LM258 的輸出有2 個(gè)二極管的恒壓恒流電路。因?yàn)檫@個(gè)電路是可以用正常的理論方法,進(jìn)行分析和計(jì)算的。而TL431+PC817,是無法計(jì)算的!敢算的是概念錯誤!
是的,我們可以說,TL431+PC817 是正確的電路,因?yàn)榈拇_可以正常工作,只是因?yàn)門L431 的工作方式問題,會對于動態(tài)過程,產(chǎn)生振蕩,或其他不可思議的問題。因?yàn)檫@不是一個(gè),目前的理論,能夠解釋和分析計(jì)算的。
使用運(yùn)放的反激電路,基本都是可以用現(xiàn)有理解分析計(jì)算的,所以問題不大。這就是兩種方式的主要區(qū)別。
使用TL431+PC817 的唯一原因就是成本問題。但從負(fù)反饋的原理來說,是正確的,但過度的動態(tài)過程,不好說。
再明確一點(diǎn)就是,TL431 可以工作在非正常方式,而產(chǎn)生負(fù)反饋?zhàn)饔谩>褪钦f,C 的電壓低于2.5V,依然可能可以有正常的負(fù)反饋?zhàn)饔谩?/div>
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而要計(jì)算的話,就要假設(shè),TL431,只能工作在C 不低于2.5V 的情況下。因?yàn)閁C3842 輸出最大占空比時(shí),TL431 的電流可能為0.1mA,而0.1mA 不足以使TL431 正常工作,但在整個(gè)電路的調(diào)節(jié)過程中,TL431 不正常工作,依然在現(xiàn)實(shí)中,調(diào)節(jié)了輸出電壓,而讓人們覺得這沒有問題。
如果非要定量計(jì)算,也是要把TL431 當(dāng)作跨導(dǎo)放大。傳遞函數(shù)是gm*A/(Ts+1)的形式。而此時(shí),與電阻Rled 無關(guān)!這是需要特別注意的。Rled 就是限制電流的作用,但我們卻無法計(jì)算這個(gè)電阻。但設(shè)置一個(gè)Rled 電阻值,就可以知道最大不可能超過的電流,畢竟我們也不希望TL431,因?yàn)闆]有電阻限流,而流過100mA 電流。
Rled 能否對調(diào)節(jié)產(chǎn)生作用?定性來說可以,越小,雖然可能振蕩的情況增大,但畢竟調(diào)節(jié)還是比較快的。Rled 大,那么調(diào)節(jié)速度就可能變慢,但振蕩小。
那么,為何假設(shè)TL431 正常工作的,跨導(dǎo)模型,無法證明Rled 的作用呢?因?yàn)槔硐氲男⌒盘柲P?,在現(xiàn)實(shí)中,是不存在的!這是一個(gè)無法小信號化的,嚴(yán)重的非線性電路。如果TL431 無法小信號化,那么所謂的II 型補(bǔ)償,從何談起呢?如果全面測試的結(jié)果,表明,TL 431+PC817 的反激電源正常工作,看來我們也只能相信了。
這些根本毫無道理的補(bǔ)償方法,居然真的起作用了。當(dāng)然了gm 是隨LED 電流變化而變化的,LED 電流越大,那么gm 也越大,開環(huán)的增益也越大,故LED電阻越小,穿越頻率越大,就反應(yīng)越快。終于對上號了! 呵呵
那么,gm*A/Ts+1 的模型就可以用了,但人們貌似還都不是這么用的。因?yàn)椴徽fgm 很難得到,就是A 和T 也是不知道的。好在,人們用的是PID 等補(bǔ)償方法,可以把運(yùn)放或TL431 看作理想的。
PID 之類的確是個(gè)好主意。要是換上7805 類的補(bǔ)償,還真沒辦法!積分真的太有用了,不是為了消除靜態(tài)誤差,而是可以把運(yùn)放當(dāng)作理想的。為了證明431 的電流控制方式,II 型補(bǔ)償依然有效,進(jìn)行了如下推導(dǎo)計(jì)算。
圖5
圖6
因?yàn)閂ref 上電后就是穩(wěn)定的了,所以被Rled*(R1+R2)除以后,很小,視為0。
得到框圖如下:
圖7
這依然是個(gè)復(fù)雜的反饋。還不是那種單環(huán)路的反饋框圖形式。無法用現(xiàn)有的頻率補(bǔ)償方法。
這是需要了解的。但是,如果把Vo/Rled 視為擾動的話,那么就可以變成如下的標(biāo)準(zhǔn)形式了。而且,這個(gè)假設(shè),視為輸出電壓縮小Rled 倍后為擾動,很是合理。
圖8
于是乎,基于上述假設(shè),我們得到了,一個(gè)單回路反饋的標(biāo)準(zhǔn)形式。也就說明了,II 型補(bǔ)償,對于TL431 型反饋電路來說,補(bǔ)償可以看作有效。費(fèi)這么大勁才能證明這么一個(gè)看似無需考慮的問題,這是人們把TL431 視為電壓型運(yùn)放的錯誤的思想導(dǎo)致。為了證明II 在反激中有效,恐怕還是需要向本大師一樣,如此推導(dǎo)計(jì)算的。
然而這依然是個(gè)復(fù)雜的反饋,比電壓型運(yùn)放的反饋,復(fù)雜。電壓型反饋,只有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的反饋回路,開環(huán)傳遞函數(shù),一目了然。而這個(gè)電流的復(fù)雜多了。如果不是把Vo/Rled 視為擾動,我們幾乎很難用通常的補(bǔ)償方法補(bǔ)償。最后,需要指出的是,只有教科書中開關(guān)電源電路,才是唯一符合補(bǔ)償方法的。例如PID,II 型等補(bǔ)償方法。對于TL431+PC817 的反激電源,并不適合。所以,書本里的電路,符合控制原理的方法。主要還是單回路控制。一目了然。幾乎為降低成本的設(shè)計(jì),例如TL431+PC817,用通常的方法,是無法分析的。必須做出一些假設(shè)才行!這個(gè)道理,是使用TL431+PC817 進(jìn)行II 補(bǔ)差的人,所不知道的!
電子電路中有很多不符合控制理念的反饋電路。這個(gè)就是其中第一個(gè)。電流和電壓的所謂ACM 控制,也是不符合控制原理的,所謂的貌似可以在電子電路里多數(shù)情況工作良好的電路。只能說,反激電源,如果理解成雙環(huán)反饋,還是可以行的通的。條件是輸出電容足夠大,在幾個(gè)開關(guān)周期,不會造成輸出電容電壓的較大變化。這樣就可以理解為串級控制。
TL431 其實(shí)就是帶基準(zhǔn)的比較器(高增益),與PC817 一起使用解釋不是什么難事。難事就是怎么樣讓比較器輸出為線變化(這就扯到了補(bǔ)償)。PC817 實(shí)際就是一個(gè)隔離的線性放大器。