Basic of using TL431 for Switching Mode Converters
ในบทความนี้เป็นการแนะนำการใช้งานไอซีสร้างแรงดันอ้างอิงแบบ 3 ขา เบอร์ TL431 ซึ่งในวงจรสวิตชิ่ง โหมดเพาเวอร์ซัพพลาย หรือวงจรสวิตชิ่งคอนเวอร์เตอร์จะนิยมนำมาใช้งานกันมาก ทั้งนี้ไอซี TL431 เป็นไอซีที่สามารถใช้งานได้ง่าย ราคาไม่แพง และให้คุณภาพของค่าแรงดันอ้างอิงที่ดี (Reference voltage) ซึ่งในวงจรสวิตชิ่งโหมดต่างๆ จะนิยมนำมาใช้ในการป้อนกลับแรงดันเอาต์พุต (Feedback signal) และบทความนี้จะขอกล่าวถึงไอซีตัวนี้เบื้องต้น และการนำไอซีไปใช้กับวงจรคอนเวอร์เตอร์ในตอนต่อไป
รูปที่ 1 สัญลักษณ์ของไอซี TL431 [Picture by Ref.2]
รูปที่ 2 บล็อกไดอะแกรมวงจรภายในตัวไอซี TL431 [Picture by Ref.2]
รูปที่ 3 วงจรการทำงานภายในตัวไอซี TL431 [Picture by Ref.2]
ในรูปที่ 1 ถึงรูปที่ 3 แสดงสัญลักษณ์ของตัวไอซี TL431 บล็อกไดอะแกรมและวงจรภายใน ช่วยให้เข้าใจโครงสร้างการทำงานของตัวไอซีสำหรับนำไอซีไปประยุกต์ใช้งานต่างๆได้ตามที่ต้องการ
คุณสมบัติที่สำคัญของไอซี TL431
- สามารถโปรแกรมการทำงานได้ที่แรงดันในช่วง 2.5V-36V
- ค่าแรงดันอ้างอิงคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้ที่ ±0.4%, Typ @ 25°C (TL431B)
- รับกระแสซิ้งก์ (Sink Current) ได้ในช่วง 1mA-100mA
- สามารถทำงานได้ในช่วงอุณหภูมิ −40°C to 125°C
- เอาต์พุตอิมพีแดนซ์ของไอซีประมาณ 0.2Ω
- มีวงจรปรับชดเชยความร้อนภายในตัวไอซีให้ทำงานคงที่
รูปที่ 4 การต่อวงจรสำหรับวัดค่า VKA แบบที่ 1 [Picture by Ref.1]
รูปที่ 5 การต่อวงจรสำหรับวัดค่า VKA แบบที่ 2 [Picture by Ref.1]
รูปที่ 6 การต่อวงจรสำหรับวัดค่า VKA แบบที่ 3 [Picture by Ref.1]
สำหรับรูปที่ 4 ถึงรูปที่ 6 เป็นลักษณะของการต่อใช้งานไอซี TL431 ที่สำคัญ และสามารถใช้แนวคิดทั้ง 3 แบบไปใช้งานในลักษณะต่างๆ คือ รูปที่ 4 จะเป็นการกำหนดให้ค่าแรงดันเอาต์พุต VKA มีค่าเท่ากับ Vref หรือเท่า 2.5V โดยวงจรนี้จะใช้เป็นแหล่งจ่ายค่าแรงดันอ้างอิงให้กับวงจรส่วนอื่นๆ ที่ไม่แปรผันตามค่าแรงดันอินพุตตามช่วงที่กำหนด ต่อมารูปที่ 5 เป็นการออกแบบให้สร้างค่าแรงดันอ้างอิงที่มากกว่า Vref ในกรณีที่จำเป็นเพื่อใช้งาน โดยจะใช้ตัวต้านทานเพิ่มขึ้น 2 ตัวคือ R1 และ R2 สำหรับเป็นวงจรแบ่งแรงดันใหม่และกำหนดค่าค่าแรงดันที่ตำแหน่ง VKA ใหม่ที่ต้องการ สุดท้ายรูปที่ 6 เป็นการหยุดการทำงานของตัวไอซี TL431 ด้วยการให้ขา R (Reference) ต่อกราวด์ร่วมกับขา A (Anode) โดยผลที่ไเกิดขึ้นคือ ค่าแรงดันอินพุต (Input) จะเท่ากับค่า VKA
รูปที่ 7 วงจรสร้างแรงดันอ้างอิงแบบขนาน (Shunt Regulator/Reference) [Picture by Ref.1]
รูปที่ 7 แสดงการต่อใช้งานไอซี TL431 แบบที่ 1 เพื่อทำหน้าที่สร้างแรงดันอ้างอิง โดยจะเป็นลักษณะของวงจรที่พบเห็นบ่อยสำหรับแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงต่างๆ หรือวงจรชาร์จแบตเตอรี่ โดยสามารถกำหนดค่าแรงดันเอาต์พุตที่ต้องการตัวต้านทาน R1 และ R2 เป็นหลักและสามารถคำนวณได้จากสมการที่แสดงในรูปด้านขวามือบน
รูปที่ 8 วงจรหน่วงเวลา (Delay Timer) [Picture by Ref.1]
รูปที่ 8 เป็นลักษณะของการใช้ไอซี TL431 เพื่อเป็นวงจรหน่วงเวลาการทำงาน โดยระยะเวลาการทำงานจะถูกกำหนดด้วยตัวต้านทาน (R) และตัวเก็บประจุ (C) เป็นหลัก คือจากรรูปเมื่อเราจ่ายไฟเลี้ยงให้วงจรที่ 12V กระแสส่วนหนึ่งจะไหลผ่านตัวต้านทาน 650 โอห์ม มาที่แอลอีดี และไอซี TL431 ที่ขา K โดยในช่วงเวลานี้แอลอีดีจะยังไม่เปล่งแสง จากนั้นกระแสอีกส่วนหนึ่งจะไหลผ่านตัวต้านทาน R มายังขา R ของไอซี TL431 และไหลมายังตัวเก็บประจุ C และแรงดันที่ตัวเก็บประจุจะเพื่มขึ้นจนถึงค่า Vref หรือเท่า 2.5V จะทำให้แอลอีดีเปล่งแสงขึ้นนั้นเอง โดยในช่วงเวลานี้จะต้องกำหนดสวิตช์ไว้ที่ตำแหน่ง On และเมื่อต้องการให้เริ่มการทำงานใหม่ให้เลื่อนสวิตช์ไปที่ตำแหน่ง Off ก่อนและเลื่อนสวิตช์มาที่ตำแหน่ง On อีกครั้ง
รูปที่ 9 วงจรสร้างกระแสคงที่แบบรับกระแสเข้า (Precision Constant-Current Sink) [Picture by Ref.1]
รูปที่ 9 เป็นวงจรสร้างกระแสคงที่แบบรับกระแสเข้าด้วยการใช้ไอซี TL431 ในการควบคุม ซึ่งจากในรูปจะเห็นว่าทรานซิสเตอร์จะทำหน้าที่รับกระแสโหลดเป็นหลัก (Io) ผ่านขา C ในลักษณะรับกระแสเข้า (Current Sink) แล้วออกมาที่ขา E และกระแสดังกล่าวก็จะไหลผ่าน Rs ทำหน้าที่ตรวจจับกระแสคือ ในสถานะปกติทรานซิสเตอร์จะได้รับไบอัสตรงตลอดเวลาผ่านตัวต้านทานและแหล่งจ่าย VI(Batt) และเมื่อกระแสไหลผ่าน Rs แล้วทำให้เกิดแรงดันตกคร่อมน้อยกว่า 2.5V ตัวทรานซิสเตอร์จะยังคงให้กระแสไหลผ่านปกติ แต่เมื่อกระแสไหลผ่าน Rs และทำให้เกิดแรงดันตกคร่อมมากกว่า 2.5V เป็นผลให้ไอซี TL431 นำกระแสระหว่างขา A และ K เป็นผลให้กระแสที่ไบอัสทรานซิสเตอร์ต่ำลงนั้นเอง
รูปที่ 10 แสดงตัวอย่างการนำไอซี TL431 มาใช้งานกับวงจรฟายแบกคอนเวอร์เตอร์ [Picture by Ref.5]
รูปที่ 10 เป็นการนำไอซี TL431 มาใช้งานกับวงจรฟายแบกคอนเวอร์เตอร์ (ในกรอบสีแดง) องค์ประกอบของการใช้งานไอซี TL431 จะอุปกรณ์ดังนี้คือ R1 และ R2 จะทำหน้าที่เป็นวงจรแบ่งแรงดันสำหรับค่าแรงดันเอาต์พุตให้กับคอนเวอร์เตอร์จากสมการ Vo = Vref(1+(R1/R2)) โดยจะกำหนดให้กระแสที่ไหลผ่าน R1 และ R2 ประมาณ 0.25mA (ลูกศรสีแดงในรูปที่ 11) ในส่วนของกระแสที่ไหลผ่านแอลอีดีภายในออปโต้คับเปิ้ล Rled จะคำนวณที่ค่ากระแสประมาณ 1mA-2mA (ลูกศรสีน้ำเงินในรูปที่ 11)
รูปที่ 11 การกำหนดปริมาณกระแสที่ไหลผ่านที่ขา K และขา A เพื่อให้กระแสไหลผ่านแอลอีดีในออปโต้คัปเปิ้ล และกระแสสำหรับขา R ของไอซี TL431 [Picture by Ref.5]
รูปที่ 12 การคำนวนณค่าตัวเก็บประจุ Cz และ Cp เบื้องต้น สำหรับทดลองการทำงานของวงจร [Picture by Ref.5]
รูปที่ 13 กราฟแสดงการตอบสนองอ้ตราการขยาย (Gain) และเฟส (Phase) การทำงานของวงจรที่ความถี่ ωz และ ωp [Picture by Ref.5]
𝘵 = 1/ωz หรือ ωz = 1/R1Cz
𝐓 = 1/ωp หรือ ωp = 1/RpCp
การคำนวณค่าตัวเก็บประจุ Cz = 1/(2pi*fz*R1) = 1/(6.28*100*10kΩ) = 159nF
จากค่า Cz ที่ได้ เมื่อกำหนดให้ R1 = 10kΩ และค่า fz =100Hz
การคำนวณค่าตัวเก็บประจุ Cp = 1/(2pi*fp*Rc) = 1/(6.28*5kHz*800Ω) = 39nF
จากค่า Cp ที่ได้ เมื่อกำหนดให้ Rc = 800Ω จาก Rc1//Rc2=1600Ω และค่า fp =5kHz
*** การกำหนดค่าความถี่ fz =100Hz และ fp =5kHz เนื่องจากเป็นช่วงความถี่ที่ให้การลดค่าสัญญาณริปเปิ้ลทางด้านเอาต์พุตที่ดี (สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติมตามเอกสารอ้างอิงที่ 5)
สำหรับบทความการใช้งานไอซีสร้างแรงดันอ้างอิงเบอร์ TL431 นี้ เป็นเนื้อหาเบื้องต้น เกี่ยวกับข้อมูลทั่วไป การนำไอซีไปประยุกต์ใช้งานในลักษณะต่างๆ รวมทั้งการใช้งานในวงจรสวิตชิ่งคอนเวอร์เตอร์ โดยเนื้อหาจะอธิบายในส่วนของการประมาณค่าเพื่อให้เข้าใจแนวความคิดและทดลองการใช้งาน สำหรับในส่วนของการคำนวณคณิตศาสตร์ซับซ้อน เกี่ยวกับฟังก์ชันถ่ายโอน (transfer function) การหาความมีเสถียรภาพของวงจร (stable system) และการควบคุมแบบระบบปิด (closed-loop system) รวมถึงเนื้อหาที่เกี่ยวข้องแนะนำลิ้งก์ท้ายบทความนี้ครับ.
Reference
