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Auteur Sujet: TL431 Dropout du régulateur ?  (Lu 256 fois)

sylvainmahe

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TL431 Dropout du régulateur ?
« le: mars 23, 2020, 08:57:54 pm »

Bonjour à tous :)

Je m'adresse à vous car j'ai une question par rapport à la vidéo EB_#208 (https://youtu.be/sZ3ou1UCcls) en ce qui concerne le dernier schéma présenté sans le LM317, juste le TL431, le delta V ou dropout maximum entre la tension d'entrée et de sortie du schéma correspond t'elle grossièrement au VCE (ou VBE?) ou VGS du transistor bipolaire ou mosfet de puissance ? (+ l'alimentation du TL431)

Datasheet TL431 : https://www.google.com/url?sa=t&source=web&rct=j&url=http://www.ti.com/lit/gpn/tl431&ved=2ahUKEwiRwtSR2bfoAhUKfBoKHWnaC0oQFjAAegQIAxAB&usg=AOvVaw3t7FdGQ0X3a7MBox2uYQ7Q€

Exemple du datasheet avec NPN :


Je me demande si le dropout pourrait être inférieur avec un MOSFET canal p (ou bipolaire PNP) de puissance piloté par un transistor NPN qui tire vers la masse lui même piloté par le TL431 ?
Pour avoir un dropout faible j'ai l'habitude d'utiliser le transistor PNP MJE15033 dans mes montages qui commute à des tensions bien inférieures aux MOSFETs.

Je vous questionne à ce sujet car j'aimerais réaliser un schéma similaire avec une tension régulée de +5V en sortie, et avoir une tension minimum d'entrée de +6V (voir moins avec des courants de sortie inférieurs à 1A) pour éventuellement ~8A en pointe en sortie.

Merci par ailleurs si vous avez des idées à ce sujet ! :)
« Modifié: mars 26, 2020, 09:07:19 am par sylvainmahe »
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sylvainmahe

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Re : TL431 Dropout du régulateur ?
« Réponse #1 le: mars 26, 2020, 09:09:52 pm »

Ci-dessous un schéma vite fait pour que vous visualisez tout de suite ce que je souhaite faire :

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Yffig

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Re : TL431 Dropout du régulateur ?
« Réponse #2 le: mars 27, 2020, 07:57:47 am »

Bonjour,

Ton schéma ne marchera pas !: la jonction be du NPN "court-circuite" le TL431 entre son anode et sa cathode (car Vca ~0.65v).
Or si tu regardes le schéma équivalent du TL431, dans la datasheet, entre anode et cathode, tu as trois jonctions Vbe à polariser et donc besoin d'au moins 1.8v pour Vca...et même un peu plus....: La Vref de 2.5V, page 4:
Recommended Operating Conditions
                                      MIN      MAX UNIT
VKA Cathode voltage  Vref       36   V
Il doit bien y avoir des schémas réellement fonctionnels en cherchant sur le Net pour ce que tu veux faire.

Bonne journée

Yffig
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sylvainmahe

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Re : TL431 Dropout du régulateur ?
« Réponse #3 le: mars 27, 2020, 08:36:43 am »

Merci pour ta réponse :)

Mais si je rajoute par exemple une résistance sur la base du transistor NPN qui pointe vers la masse ?

En fait ce que je ne comprends pas trop c'est le côté court-circuiter, le TL431 n'est-il pas là juste pour piloter dans le premier schéma le NPN de puissance, et dans mon schéma perso le NPN qui pilote le PNP de puissance ?

En gros la seule chose que je veux faire c'est inverser l'action du TL431 !

Auriez-vous des explications à m'apporter, merci d'avance :)
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Yffig

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Re : TL431 Dropout du régulateur ?
« Réponse #4 le: mars 27, 2020, 12:48:11 pm »

Re...
Apparemment, ton cahier des charges serait donc Vin=6v à 36V, Vout= 5v et Iout=....8A ! selon le croquis du design que tu nous soumets. La notion de LDO alors n'a pas de sens si Vin=36V et Vout =5V, en plus à 8A... la dissipation d'un régulateur série serait d'au moins 240W ???
J'ai fait un rapide exercice de simulation du design que tu proposes avec une résistance d'émetteur pour le NPN (le modèle LT-Spice de TL431 utilisé est celui de Bertrand, les transistors sont des génériques), (ta proposition de mettre une résistance de base dans la base serait du même tonneau).
Pour un courant de sortie donné, il faut ajuster à chaque fois les résistances, en particulier celle d'émetteur, pour que cela marche correctement.
Je te joins le schéma obtenu pour Vin=6V, Vout = 5V et Iout=8.3A avec les tensions relevées.
La raison en est que le courant de base du darlington PNP passe dans le NPN et varie beaucoup trop

Conclusion: ton design est inutilisable compte tenu du cahier des charges que tu t'es imposé, même en restant à Vin=6V. Une alim qui serait capable de 0 à 8A dans ces conditions est un très gros projet à part entière qui ne peut se traiter sur un fil de forum.

Bonne journée !
Yffig
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loulou31

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Re : TL431 Dropout du régulateur ?
« Réponse #5 le: mars 27, 2020, 01:32:28 pm »

Bonjour,

6V à 36V in pour 5V out /8A : il faut typiquement du découpage pour faire ça! Quel est l'usage ?


Jean-Louis
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sylvainmahe

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Re : TL431 Dropout du régulateur ?
« Réponse #6 le: mars 27, 2020, 09:37:20 pm »

Bonjour, merci pour votre aide :)

Alors attention aux interprétations, je ne parle pas du tout de 8A en continu avec 36V en entrée !

36V c'est avec des courants de sortie très faibles, et 8A c'est en pointe comme indiqué, je pense sûrement à quelques 100ènes de ms une fois de temps en temps et avec des tensions d'entrée raisonnables.

Aujourd'hui j'utilise un LM2940 avec un transistor MJE15033 quand il y a besoin de beaucoup de courant, alimentation de servos-moteurs par exemple, aillant fait des tests de 5.5V à 26V très concluants, le LM2940 fonctionne jusqu'à environ 250mA, et quand il y des pointes de courant sa passe par le transistor de puissance qui est équipé d'un dissipateur.

Actuellement c'est l'alimentation de mon automate programmable, qui n'a pas d'application dédiée (d'utilisation générale) :


Comme je souhaite faire de plus en plus de schémas avec des composants discrets, j'aimerais réaliser mon propre régulateur aillant un comportement similaire.

Je ne souhaite pas passer en régulateur à découpage par rapport aux entrées/sorties reliées à l'ADC du microcontrôleur, mais pourquoi pas !
« Modifié: mars 27, 2020, 09:47:58 pm par sylvainmahe »
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Yffig

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Re : TL431 Dropout du régulateur ?
« Réponse #7 le: mars 27, 2020, 10:17:02 pm »

Bonsoir,

Merci pour ces précisions mais pourrais tu décrire plus explicitement ton "cahier des charges" par un schéma de blocs fonctionnels par ex. ?
Qu'as tu en entrée(s) non régulées ? Que veux tu en sortie(s) ? Ça alimente quoi ? etc.
Sans ces infos préalables, il n'est pas possible de comprendre ce que tu veux faire, et, au vu de la présentation de ce que tu sais faire (j'ai regardé tes réalisations sur ton site suite à ta présentation sur le forum et je suis resté bluffé par ce que tu sais faire ! ça fraise dur !), tu sais vraiment faire !

Yffig
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sylvainmahe

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Re : TL431 Dropout du régulateur ?
« Réponse #8 le: mars 28, 2020, 09:21:50 am »

Merci pour votre réponse :)

Pour le cahier des charges, je peux éventuellement détailler et limiter à 26V comme le montage sur mon automate programmable :
- Le régulateur de tension peut accepter une tension d'entrée de Vout + 1V à tension max du TL431 - 10V, soit +26V.
- Vout = +5V ± 2% (± 100mV dans mes montages est acceptable).
- Si Vin = 26V, Iout = 100mA en continu, 1A en pointe pendant 10% du temps.
- Si Vin = 6V, Iout = 500mA en continu, 8A en pointe pendant 10% du temps.
- Le régulateur alimente une led en continu qui consomme environ 10mAh, il alimente également un microcontrôleur la plupart du temps ATmega1284P.
- Tout ça est placé sur un PCB qui est sans application définie à l'avance, suivant la programmation et le projet considéré, il peut y avoir des lignes I2C, SPI, USART, du PWM, de l'ADC, etc.

Désolé pour le schéma fonctionnel, mais avec ce covid je ne peux pas aller dans mon atelier là ou se trouve mon ordinateur et tout mon matériel, je répond donc à distance avec mon smartphone et il n'est pas évident de faire un schéma en tactile.


Merci pour vos encouragements qu'en à mes projets, effectivement les usinages d'aluminium sont la partie visible de certaines de mes réalisations, mais ils n'en restent pas moins la partie la pus rapide à faire. Mon projet de radiocommande à durée 1 an environ, alors que les usinages m'ont pris moins de 2 semaines.


Bon je vais réfléchir plus en détail à ce petit projet de régulateur, merci encore pour vos explications.

Après je peux trés bien rester avec le schéma de base et mosfet N... ...ou bipolaire MJE15032 (c'est la version NPN du MJE15033).
« Modifié: mars 28, 2020, 09:38:21 am par sylvainmahe »
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Yffig

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Re : TL431 Dropout du régulateur ?
« Réponse #9 le: mars 28, 2020, 06:07:27 pm »

Bonsoir Sylvain,

Je te ferai plus tard une réponse concernant ton "expression des besoins" mais avant, j'essaierai  d'ici ce soir de te fournir une solution TL431+ P-MOS tel que celui que Bertrand a utilisé dans sa vidéo (HAT1072H) avec le LM317: une contrainte de tes besoins est que tu dois respecter Vka du TL431 > 2.5V comme l'indique la datasheet et un Vgs du MOS pour 8A tels que Vka - Vgs  = 6V.
Donc le P-MOS doit être largement conducteur pour, au max, Vgs = -3.5V, ce qui n'est pas le cas de n'importe quel MOS (par ex. le modèle du canal N (IRFB4410Z) qu'il utilise avec le TL431 a un Vgs de 4.36 V pour 10A de Ids (par simulation LT-Spice), c'est beaucoup trop élevé et ne convient absolument pas à tes contraintes.

Yffig
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Yffig

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Re : TL431 Dropout du régulateur ?
« Réponse #10 le: mars 28, 2020, 09:20:10 pm »

Re...
Comme annoncé, voici une ébauche de design qui paraît bien correspondre à une partie de tes besoins (le régulateur LDO 6V In --> 5V Out à 8A !).
Tu trouveras en PJ le schéma et les relevés des tensions pour Iout= 1A, 4A et 8A... La variation de tension de sortie n'est que de 10 µV entre 1A et 8A.... (Bon ce n'est qu'une simulation avec une source en entrée coulée dans le béton... ;) mais ça donne une idée du bébé.
Le choix du MosFet P est absolument fondamental ; il faut qu'il ait une tension de seuil faible (-2V dans ce cas) et conduise un max à Vds =-1V et Vgs aux environs de -2.5V pour respecter les contraintes de tension.
Comme tu l'avais bien compris, le P-MOS étant monté en inverseur, il faut, (comme il n'est pas possible d'inverser les entrées différentielles du TL431) ajouter un étage inverseur dans la boucle pour rester en contre réaction négative. J'ai profité de ce BJT 2N3904 pour fixer la tension de fonctionnement du 1er TL431 (la Vka min 2.5V) en ajoutant tout simplement un autre TL431 (ça vaut même pas 10 cts cette merveille).
Je n'ai pas fait de "fine tuning" des valeurs des résistances mais les tensions relevées te permettront de recalculer courants et puissances et tu verras que ça va pas chauffer des masses (sauf le MOS...).
Ça peut se tester facilement sur une breadboard et avec un radiateur pas encombrant pour le MOS (10W...).

Maintenant il y a un aspect que je ne traite pas et qui n'est pas toujours simple à résoudre... la stabilité en fréquence !! Sur une maquette c'est plus "facile".
Le TL 431 est un amplificateur de la tension de référence 2.5v avec un gain en boucle ouverte de ~55dB et une fréquence de coupure vers 10KHz (page 18 de la DS Texas Inst.): c'est le 1er pôle .... Le BJT y ajoute un gain qui serait de l'ordre de 100 Ω (valeur de R4) / résistance dynamique du TL431..0.2Ω selon la page 1 de la DS.... Ça ferait x500 ?? Bon disons au moins 20/30/40 dB... Le total serait alors d'environ 85 dB avec 2 pôles...! Ça peut osciller grave avec une charge capacitive en sortie
Il "suffit" alors de créer un nouveau pôle bien plus bas que le pôle du TL431 par une capa de, ...100 pF peut suffire ou plus, sur la jonction BC du 2N3904 et notre ami l'effet Miller fera le job. C'est facile à mettre au point en pratique sur le circuit, beaucoup moins en simulation en Boucle fermée, donc je fais l'impasse mais je préviens.

Voilà peut être une partie de tes besoins satisfaits. J'essaierai demain de commenter l'ensemble de ton "cahier des charges".

Bon changement d'heure et à demain !

(PS : Mahé est un patronyme typiquement sud armoricain...Me trompé-je ?)

Yffig
« Modifié: mars 29, 2020, 06:24:02 pm par Yffig »
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Yffig

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Re : TL431 Dropout du régulateur ?
« Réponse #11 le: mars 29, 2020, 09:52:21 am »

Bonjour Sylvain !

Comme tu es connecté, je pense que tu as pris connaissance de l'ébauche de solution que je t'ai proposé. Tu auras noté qu'il n'y a aucune limitation en courant et donc que le court circuit de la sortie est très certainement  fatal pour le pauvre MOSFet.
Je n'ai rien mis en limitation de courant parce que cela fait partie de ton "cahier des charges".

Je vais tenter de reformuler tes besoins afin d'être sûr d'avoir compris...
Tu veux un module régulateur,
- à une seule sortie, toujours en +5 V
- à une seule entrée "non régulée", entrée pouvant varier de 6V à 26V ou plus
- en fonction de cette tension d'entrée tu souhaites limiter le courant selon la règle empirique: plus la tension d'entrée est élevée, plus le courant débité doit être limité.
Par ailleurs tu spécifies " en pointe pendant 10% du temps", ce qui n'a pas de sens si tu ne définis par l'unité de temps: 10% d'un heure ça fait 6 min, 10% de 10 ms ça fait 1 ms. Dans ces conditions, une alim qui peut débiter 8A pour "10% du temps" est capable de débiter 8A tout le temps à priori.

Si j'ai bien compris ton besoin, il s'agit donc une "limitation de courant dynamique" en amont de ton régulateur.
Cela pourrait se faire, par exemple, avec un P-MOSFet série après l'entrée du module et qui serait contrôlé par:
- la mesure de la tension d'entrée: ex à Vin=6V => Mosfet en "short" réduit à RdsON de qq 10-zaines de mΩ au max
- la mesure du courant de sortie (ou d'entrée) (par capteur effet Hall genre ACS712-10A qui justement s'alimente en 5V) donc avec un drop out négligeable. cette mesure, conjointe avec celle de la tension d'entrée, viendrait, selon une formule mathématique à définir, et via une circuiterie à concevoir, réduire la conduction du mosfet et ainsi limiter le courant (et réaliser ainsi la protection en cas de court circuit de la sortie qui manque au design initial).

Bien sûr, pourquoi ne pas envisager que le P-MOS du régulateur de tension soit aussi le limiteur en courant ? Je pense qu'il est préférable de séparer les deux fonctions, la mise au point en sera largement facilitée.

C'est juste une esquisse de solution. Il en existe très certainement d'autres.
Mais en tout état de cause, je ne saurais, faute de temps, développer plus cette solution pour toi.

Bonne journée

Yffig
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sylvainmahe

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Re : TL431 Dropout du régulateur ?
« Réponse #12 le: mars 29, 2020, 11:11:36 am »

Bonjour et merci pour tous ces détails, c'est bien aimable ! :)

Je note l'idée avec les deux TL431, à tester ! Merci pour les schémas, cela va bien m'aiguiller.

Pour la limitation de courant, en effet je parle plus pour une échelle de une seconde, soit des courants en pointe pendant 100ms par exemple, toutes les secondes.

J'exprimais plus la limitation de courant comme des utilisations pratiques à ne pas faire, ou dépasser, et non comme une bride matérielle qui serait directement implémentée en tant que partie intégrante du circuit sur le PCB.

Par exemple quand j'utilise un véhicule je sais que en tant qu'utilisateur je ne dois pas l'amener dans des conditions qui mènent à la destruction. C'est dans cet esprit là.


Je vais réfléchir à tout ce que vous m'avez indiqué comme détails techniques et solutions, merci encore.
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Yffig

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Re : TL431 Dropout du régulateur ?
« Réponse #13 le: mars 29, 2020, 11:47:20 am »

Re,

Juste en complément... il est peut être pas facile de trouver le P-MOS qui irait bien (regarde quand même les recherches paramétriques des sites des grands distributeurs DigiKey, Mouser etc.
En effet un PMOS très courant tel que l'IRF4905 a une dispersion de sa tension de seuil de -2v à -4v.
Dans ce cas il est possible de remplacer les TL431 par des TLV431 qui ont une Vref de 1.25V seulement...juste en tenant compte du fait que les TLV431 sont à Vk max de 7V ce qui ne pose pas de pb si tu restes à Vin = 6v, sinon prévoir un zener 6v2 en amont du TLV431 de l'asservissement.
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tlv431a.pdf

Bon dimanche !

Yffig
« Modifié: mars 29, 2020, 06:27:28 pm par Yffig »
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sylvainmahe

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Re : TL431 Dropout du régulateur ?
« Réponse #14 le: mars 29, 2020, 01:43:29 pm »

Ok je comprends :)

Déjà l'idée est que je fasse quelques essais avec le montage N mosfet ou bipolaire NPN et voir les résultats que j'obtiens en terme de dissipation thermique et de dropout.

Ensuite seulement si ça ne donne pas les résultats escomptés, explorer vos idées.

Dans le principe je voulais utiliser un P mosfet ou bipolaire PNP pour rester cohérent par rapport à l'endroit ou est situé la charge, et dans l'hypothèse que celà aurait pû diminuer le dropout.
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