dúvida TL431: regulador de tensão. Como funciona?

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Olá

 

Em outro tópico, o @zazulak estava explicando sobre o TL431 e foi criado este tópico para não atrapalhar o outro

 

Para identificar com precisão a saída de tensão no pino 3, depende da ligação de saída do anodo do fotoacoplador. Vamos manter registrado para ajudar outros usuários

Editado: 5 de Novembro de 2019 por marciobaldo

[Osmel Fernández Belén]

TL 431. Componente de referência de precisão programável usado em uma ampla variedade de circuitos. Serve como referência de tensão em circuitos onde é necessária uma tensão de referência não padrão. Outros usos incluem o controle de feedback para acionar um acoplador óptico em fontes de alimentação, monitores de tensão, fontes de corrente constante e reguladores de passo em série. Em cada uma dessas aplicações, é essencial manter a estabilidade do dispositivo no manuseio de correntes e capacidades de cargas variáveis.

[Osmel Fernández Belén]

Seu símbolo é como um diodo zener, portanto, alguns o mencionam como um zener programável de precisão; em uma fonte não importa a tensão de saída a ser regulada, uma vez que o integrado é capaz de manter a regulação definida pelo projeto da fonte apenas com a voltagem aplicada ao seu terminal de referência. Por esse motivo, ele pode ser usado para regular exemplos de fontes: 95v, 110, 135v etc. O uso mais amplo dado a ela está no controle de realimentação da tensão de erro em fontes de alimentação comutadas.

[Osmel Fernández Belén]

O TL431 é um regulador de precisão zener usado em fontes de alimentação para controle e regulação da tensão de saída, dependendo do tipo e fabricante, o valor da tensão de referência (VREF) muda e, em seguida, eles não são intercambiáveis, se você substituir um tipo para outro deve ser para outro que lida com a tensão incorreta do VREF, para saber a tensão do valor da tensão de referência, o seguinte circuito deve ser implementado, o que também servirá para conhecer o estado do zener de precisão. Uma fonte de alimentação variável, resistência do valor indicado e multímetro são necessários para o teste. A tensão do VREF é de 2.440 a 2.550v, isso varia de acordo com a terminação do código do componente, pois o TL431 A é de 2.470 a 2.520v. Pino 1 VREF, pino 2 ANODO, PINO 3 CATODO.

[Osmel Fernández Belén]

A imagem mostra uma parte da fonte comutada, seção do TL431, uma tensão é obtida dos enrolamentos secundários; neste caso 5v, R7 alimenta o ânodo do diodo emissor do acoplador óptico, enquanto R6 é a resistência de carga do cátodo do TL431, RB, R10 e R9 formam um divisor de tensão, qualquer variação na tensão de saída será censurada pela rede divisória, a diferença será refletida no terminal 1 (REFERÊNCIA) do TL431, o controle é o seguinte:

À medida que a tensão de saída aumenta, também aumenta no terminal 1 do TL431, isso gera maior condução do TL431, gerando uma maior queda de tensão em R6, o que reduzirá a ignição do diodo emissor do acoplador óptico, reduzindo a condução do foto transistor do acoplador opto, isso modificará a frequência de trabalho do circuito de comutação da fonte, reduzindo a tensão de saída. Por outro lado, se a tensão diminuir no secundário, a rede divisória a detectará aplicando a diferença no terminal 1 do TL431, essa diminuição de tensão gera uma condução mais baixa do TL431 e, portanto, uma queda de tensão mais baixa em R6, aumentando a No diodo emissor de luz do acoplador óptico, que gera uma maior condução do foto transistor do acoplador óptico, isso modifica a frequência de trabalho do circuito de comutação, aumentando a tensão de saída.

[Osmel Fernández Belén]

Bem, amigos, eu queria compartilhar isso, não no caso de amigos precisarem de alguma referência ao...

[zazulak]

Vamos lá

 

O Tl431 funciona como o amplificador de erro da fonte: Uma pequena variação na tensão do pino 1 (controle) causa uma grande variação na corrente que ele drena pelo pino 3 (equivalente ao catodo de um zener, que como sabemos é ligado invertido para funcionar como zener). O uso mais comum dele é para controlar a tensão de saída de uma fonte chaveada através de um optoacoplador. O ponto estável dele é quando a tensão no pino 1 é aproximadamente 2.5V (na prática é alguns milivolts a menos).

 

Aqui um circuito de exemplo dele controlando um opto. Eu tinha desenhando uma fonte chaveada inteira no Proteus mas descobri que o meu computador não dá conta de simular:

Nesse caso a simulação é de uma fonte com uma única saída, onde a referência para regular a tensão e a tensão que alimenta o anodo do led interno do opto vem do mesmo lugar. 

 

Imagine que o lado esquerdo do circuito seja o primário da fonte, e no pino 4 do optoacoplador (coletor do fototransistor interno) temos a tensão que controla a largura de pulso do PWM. Se a tensão de saída da fonte for 4.987V, e teremos cerca de 3,87V no pino 3, o que considerando a queda de tensão do led interno do opto e o resistor em série de 100 ohms, daria uma corrente de cerca de 1,4mA circulando no opto, que faz a tensão de controle no lado primário ficarem uns 7,1V. Caso o pwm fosse controlado por uma tensão de 0 a 10V, ele estaria trabalhando com cerca de 70% de largura de pulso.

 

Agora, se for colocada mais carga na saída da fonte, e a tensão descer um pouco, veja o que acontece:

 

Baixando menos de 50mV, o 431 já deixa de acionar o opto, e a tensão de controle no primário vai ao máximo, o que faz a saída subir (claro, se a fonte não estiver alimentando uma carga acima da sua capacidade).  Nesse caso, a tensão no pino 3 sobe, ficando praticamente igual à tensão que alimenta o opto.

 

Suponhamos que a saída subiu para 5.1V. Olha o que acontece:

Aumentando apenas um pouco a tensão, a tensão no pino 3 do 431 vai lá embaixo, o que faz o opto acender com intensidade total (cerca de 25ma circulando no led interno), e a tensão no coletor do fototransistor interno cai praticamente a zero, inibindo o funcionamento do PWM (essa é uma das razões que faz algumas fontes ficarem "soluçando" quando são ligadas sem carga: o pwm fica ativando e desativando em loop).

 

Resumindo, o 431 busca sempre um ponto de operação estável, onde a tensão no pino de controle seja de aprox. 2.5V.

 

Agora, no caso de uma fonte onde a alimentação para o optoacoplador vem de uma linha de tensão e a referência para regular vem de outra, como é comum em fontes de PC:

Geralmente nas fontes de PC, a regulação da saída se baseia na linha de 5V, ou numa média da de 5 e a 12 (tem um resistor ligado em cada uma delas indo ao pino 1). Já o anodo do optoacoplador nem sempre é ligado no mesmo lugar: Em algumas ele é ligado na linha de 12V, em outras na linha de 5V, e ainda tem algumas onde ele é ligado na linha dos 5V stand-by.

 

A simples medida da tensão no pino 3 em relação ao terra não tem muita utilidade no diagnóstico, pois ela pode variar dependendo de onde o anodo do opto é ligado e do valor do resistor em série com ele: O ideal é medir em relação à linha que alimenta o opto, pois aí dá pra saber se o 431 está acionando o opto ou não.

 

Alguns exemplos de análise num circuito como esse da ultima imagem (onde o anodo do opto é ligado em 12v):

 

 - tensões de saída da fonte baixas, pino 1 do 431 abaixo de 2,5V, tensão alta no pino 3, tensão em cima do opto (entre os pinos 1 e 2) menor que 1V: O 431 está ok, o defeito é no lado primário, ou o transistor interno do opto com fuga

 

 - tensões baixas na saída, pino 1 abaixo de 2.5V, tensão no pino 3 baixa, tensão em cima do opto de 1V ou mais: O 431 está com fuga ou em curto

 

- tensões altas na saída, tensão no pino  abaixo de 2.5V, tensão em cima do opto abaixo de 1V: A princípio 431 e opto estão ok, a causa mais provável é alteração no resistor entre a saída monitorada e o pino 1 do 431. Isso é mais comum em fontes que a tensão nominal de saída é alta, como fontes de TV de tubo, onde o resistor usado entre a saída e o pino 1 é de alto valor e costuma alterar para mais ou mesmo abrir com o tempo.

 

 - tensões de saída altas, pino  com tensão igual ou maior que 2.5V, tensão alta no pino 3, menos de 1V em cima do opto: O 431 está aberto. 

 

 - tensões de saída altas, tensão igual ou maior que 2.5V no pino 1, tensão baixa no pino 3, tensão de 1.1V em cima do opto: transistor interno do opto aberto ou defeito no primário. Isso é comum quando o circuito do primário queima e o técnico substitui o controlador pwm, fet, etc.. e não testa/troca o opto.

 

Por fim, um macete para testar esses optoacopladores de 4 pinos sem precisar de dois multímetros, usando apenas um multimetro digital comum na escala de diodos:

 - ponta vermelha no pino 1, preta no 2: deve dar cerca de 1010mV. Anote o valor

 - ponta vermelha no 4, preta no 3: deve dar infinito

- ponta vermelha ao mesmo tempo no 1 e 4, e preta no 2 e 3: deve dar um valor alguns mV menor que o da primeira medida (entre 1 e 2). Se der exatamente o mesmo valor que na primeira medida, ou o transistor interno está aberto, ou esse opto está com o "ganho" (nos datasheets isso é chamado de fator de transferência).

 

 

[14bis]

@zazulak , obrigado. Tudo anotado

Editado: 6 de Novembro de 2019 por marciobaldo

[Marcos Vidal]

17 horas atrás, zazulak disse:

Vamos lá

 

O Tl431 funciona como o amplificador de erro da fonte: Uma pequena variação na tensão do pino 1 (controle) causa uma grande variação na corrente que ele drena pelo pino 3 (equivalente ao catodo de um zener, que como sabemos é ligado invertido para funcionar como zener). O uso mais comum dele é para controlar a tensão de saída de uma fonte chaveada através de um optoacoplador. O ponto estável dele é quando a tensão no pino 1 é aproximadamente 2.5V (na prática é alguns milivolts a menos).

 

Aqui um circuito de exemplo dele controlando um opto. Eu tinha desenhando uma fonte chaveada inteira no Proteus mas descobri que o meu computador não dá conta de simular:

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Nesse caso a simulação é de uma fonte com uma única saída, onde a referência para regular a tensão e a tensão que alimenta o anodo do led interno do opto vem do mesmo lugar. 

 

Imagine que o lado esquerdo do circuito seja o primário da fonte, e no pino 4 do optoacoplador (coletor do fototransistor interno) temos a tensão que controla a largura de pulso do PWM. Se a tensão de saída da fonte for 4.987V, e teremos cerca de 3,87V no pino 3, o que considerando a queda de tensão do led interno do opto e o resistor em série de 100 ohms, daria uma corrente de cerca de 1,4mA circulando no opto, que faz a tensão de controle no lado primário ficarem uns 7,1V. Caso o pwm fosse controlado por uma tensão de 0 a 10V, ele estaria trabalhando com cerca de 70% de largura de pulso.

 

Agora, se for colocada mais carga na saída da fonte, e a tensão descer um pouco, veja o que acontece:

 

Baixando menos de 50mV, o 431 já deixa de acionar o opto, e a tensão de controle no primário vai ao máximo, o que faz a saída subir (claro, se a fonte não estiver alimentando uma carga acima da sua capacidade).  Nesse caso, a tensão no pino 3 sobe, ficando praticamente igual à tensão que alimenta o opto.

 

Suponhamos que a saída subiu para 5.1V. Olha o que acontece:

Aumentando apenas um pouco a tensão, a tensão no pino 3 do 431 vai lá embaixo, o que faz o opto acender com intensidade total (cerca de 25ma circulando no led interno), e a tensão no coletor do fototransistor interno cai praticamente a zero, inibindo o funcionamento do PWM (essa é uma das razões que faz algumas fontes ficarem "soluçando" quando são ligadas sem carga: o pwm fica ativando e desativando em loop).

 

Resumindo, o 431 busca sempre um ponto de operação estável, onde a tensão no pino de controle seja de aprox. 2.5V.

 

Agora, no caso de uma fonte onde a alimentação para o optoacoplador vem de uma linha de tensão e a referência para regular vem de outra, como é comum em fontes de PC:

Geralmente nas fontes de PC, a regulação da saída se baseia na linha de 5V, ou numa média da de 5 e a 12 (tem um resistor ligado em cada uma delas indo ao pino 1). Já o anodo do optoacoplador nem sempre é ligado no mesmo lugar: Em algumas ele é ligado na linha de 12V, em outras na linha de 5V, e ainda tem algumas onde ele é ligado na linha dos 5V stand-by.

 

A simples medida da tensão no pino 3 em relação ao terra não tem muita utilidade no diagnóstico, pois ela pode variar dependendo de onde o anodo do opto é ligado e do valor do resistor em série com ele: O ideal é medir em relação à linha que alimenta o opto, pois aí dá pra saber se o 431 está acionando o opto ou não.

 

Alguns exemplos de análise num circuito como esse da ultima imagem (onde o anodo do opto é ligado em 12v):

 

 - tensões de saída da fonte baixas, pino 1 do 431 abaixo de 2,5V, tensão alta no pino 3, tensão em cima do opto (entre os pinos 1 e 2) menor que 1V: O 431 está ok, o defeito é no lado primário, ou o transistor interno do opto com fuga

 

 - tensões baixas na saída, pino 1 abaixo de 2.5V, tensão no pino 3 baixa, tensão em cima do opto de 1V ou mais: O 431 está com fuga ou em curto

 

- tensões altas na saída, tensão no pino  abaixo de 2.5V, tensão em cima do opto abaixo de 1V: A princípio 431 e opto estão ok, a causa mais provável é alteração no resistor entre a saída monitorada e o pino 1 do 431. Isso é mais comum em fontes que a tensão nominal de saída é alta, como fontes de TV de tubo, onde o resistor usado entre a saída e o pino 1 é de alto valor e costuma alterar para mais ou mesmo abrir com o tempo.

 

 - tensões de saída altas, pino  com tensão igual ou maior que 2.5V, tensão alta no pino 3, menos de 1V em cima do opto: O 431 está aberto. 

 

 - tensões de saída altas, tensão igual ou maior que 2.5V no pino 1, tensão baixa no pino 3, tensão de 1.1V em cima do opto: transistor interno do opto aberto ou defeito no primário. Isso é comum quando o circuito do primário queima e o técnico substitui o controlador pwm, fet, etc.. e não testa/troca o opto.

 

Por fim, um macete para testar esses optoacopladores de 4 pinos sem precisar de dois multímetros, usando apenas um multimetro digital comum na escala de diodos:

 - ponta vermelha no pino 1, preta no 2: deve dar cerca de 1010mV. Anote o valor

 - ponta vermelha no 4, preta no 3: deve dar infinito

- ponta vermelha ao mesmo tempo no 1 e 4, e preta no 2 e 3: deve dar um valor alguns mV menor que o da primeira medida (entre 1 e 2). Se der exatamente o mesmo valor que na primeira medida, ou o transistor interno está aberto, ou esse opto está com o "ganho" (nos datasheets isso é chamado de fator de transferência).

 

 

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