Güç kaynağı olarak tasarlanan bir devrenin en önemli ayağı geri besleme katıdır. Devre tüm değerlerini istenen referans değerine ulaşmak için hareket eder ve eğer tasarımda bir sıkıntı yoksa, geliştirilen güç katı istenen gerilim ya da akım değerinde çalışır.

İster lineer ister switch mode olsun, geri besleme katının en önemli elemanı sıcaklıkla değişim aralığı yok denecek kadar az olan “referans” elemanıdır.

Bu ihtiyaç, özellikle 1970 dolaylarına kadar zener diyotlar ile sağlansa da, switch mode güç kaynaklarının bilgisayarlarda yaygınlaşmasıyla birlikte kompakt, ucuz ve sorun çıkarmayan referans kaynağına ihtiyaç duyulmuş ve 1970’lerin başında öncelikle TL430 ve sonrasında 1976’da ise TL430’un geliştirilmiş versiyonu TL431 elektronikçilerle buluşmuştur. O tarihten bu yana bir kaç iyileştirmenin yanında yapısal anlamda bozulmadan günümüze kadar gelmiştir. Yaklaşık 40 yıllık mazisine rağmen bugün hemen hemen her güç kaynağının içerisinde kolaylıkla bulunabilecek TL431, çok farklı kılıf seçenekleri, hata oranının azlığı ve ucuz olması nedeniyle günümüzde, bir çok rakibi olmasına karşın hala çok sayıda kullanılmaktadır.

Nasıl Çalışır?
TL431 içerisinde bir karşılaştırıcı ve bunun çıkışında genellikle NPN kuvvetlendirici barındırır. Kuvvetlendiricinin PNP olduğu bazı TL431 modelleri de mevcuttur ve uygulamaya göre bunu kullanmak avantajlar sağlayabilir. TL431’in genel iç şeması aşağıdaki gibidir. Yukarıda görülen referans bloğunun sıcaklıkla değişim değeri oldukça düşüktür. Fairchild firmasının TL431 tasarımında Vref=2.495V olarak verilmiştir. Seri üretimdeki hata oranları ele alındığında ise firma TL431 için Vref gerilim aralığının 2.440V ile 2.550V arasında değişebileceğini ön görürken, TL431A için ise bu değeri 2.470V ile 2.520V arasında vermiştir. Bu oran özellikle akü şarj uygulamaları gibi sıcaklıkla çıkış gerilim değerinin değişmemesi gereken uygulamalarda çok önemlidir. Elbette TL431A’nın fiyatı TL431’den bir nebze yüksektir. Bunun yanında kuvvetlendirici katında ise ortalama +35V gerilime dayanan bir transistör bulunur. Bu gerilimden yüksek tasarımlar için bir ön bölücü ya da koruyucu devre eklemesi yapmak gerekebilir. Katot akımı genellikle 100mA seviyelerine kadar sorunsuzca çalışabilir. Bu da daha sonra değineceğimiz genel geçer optocoupler elemanlarını sürmek için yeterlidir.

TL431’in çalışma mantığı ise oldukça basittir; bir karşılaştırıcı referans ucundaki gerilim ile, iç referans gerilimini karşılaştırarak, bu oranların aynı olmasını sağlayana dek, NPN transistörden akım akmasını sağlar.

Kullanım Alanları

TL431’in kullanıldığı alanlar özellikle SMPS tasarımlarının çıkış katında, gerilim/akım regülasyonu göreviyle ön plana çıksa da içerisinde barındırdığı gerilim kaynağı ile günümüzde her ne kadar daha iyi rakipleri de olsa, ölçüm devrelerinin ihtiyacı olan referans gerilim kaynağını yaratmakta hala sıkça tercih edilir. Günümüzde az sayıda gördüğümüz lineer led sürücülerin içerisinde de sabit akım kaynağı yaratmak için TL431 kullanılmaktadır.

TL431 ve Optocoupler İlişkisi
İzolasyonlu bir güç kaynağı yapmak istediğimizde karşımıza çıkan en önemli problemlerden biri geri besleme sorunudur. Günümüzde bu sorunu aşmak için pulse trafosu türevleri, giriş kısmından çıkışı tahmin etme gibi yöntemler kullanılsa da hemen hemen her güç kaynağında çözümün adı optocoupler olmuştur.
Yukarıda Fairchild firmasına ait güç kaynaklarında sıkça karşılaşabileceğimiz FOD817 adlı optocoupler görülmektedir.

Optocoupler içerisinde bir adet led ve bu ledi gören bir adet foto transistörden oluşmaktadır. Klasik transistörler, base uçlarından geçen akımın ortalama ßeta katı ile emiterlerinden akım akıtırken, burada ise ledin ışık şiddeti ile orantılı şekilde optocouplerin transistöründen akım geçmektedir. Optocouplerlerde “CTR” yani “Current Transfer Ratio” oranı, transistör üzerinden geçen akımın, ledin üzerinden geçen akımın oranı şekli ile teknik dokümanlarında verilmektedir. Optocouplerlerin CTR oranı normal transistörlerin ßeta oranına göre oldukça düşük ve çevresel etmenlere bağlı şekilde çok değişkendir. Örneğin FOD817A numaralı elemanın CTR değerleri %80 ile %160 arasında değişkenlik göstermektedir.Güç elektroniği kitaplarında her ne kadar kontrolün anlaşılması için basite indirgenmiş devreler ele alınsa da, endüstrinin gerçeği TL431 + Optocoupler olarak görülmektedir.

DC Analiz
TL431 ve Optocoupler’in nasıl çalıştığını anlamak için öncelikle aşağıda görülen ve güç kaynaklarında sıkça tercih edilen geri besleme devresinin DC analizini yapmak gerekmektedir.
Yukarıdaki devrenin çalışması için gerekli koşullardan en önemlisi, optocoupler içerisindeki ledin çalışabilmesi için gerekli gerilim aralığının (headroom) bulunması gerekmektedir. TL431’in 2.5V gerilim referansı ve bunun üzerine ~1V civarı da led iletim gerilimi göz önüne alındığında, bu şekilde bir kontrol için minimum 3.5V gerilim gerekmektedir. Tam burada, kısa bir parantez açacak olursak, günümüzde 3.3V ve altında gerilimlerde çalışabilmek için, bu alana özel entegreler geliştirilmiştir.DC analiz kısmında kapasitörler açık devre, TL431 ise kısa devre gibi çalıştığı kabul edildiğinde, çıkış ile feedback ucu arasındaki ilişki yukarıdaki gibi olmaktadır. Rpullup direnci primer kısımda genellikle, switch mode control entegresinin içerisinde olduğundan, özellikle optocupler led direncinin, DC kazancı direk etkilediği görülmektedir. Dolayısı ile yapacağımız kontrolde, yukarıdaki formül işletildikten sonra ortaya çıkacak kazançtan daha büyük bir oranla çalışamayacağımız görülmektedir. Bunun yanında TL431’in sağlıklı ve tam fonksiyonel çalışabilmesi için 1mA civarında bias akımı akıtılması gerekmektedir.

Small Signal Analiz
Sistemin dinamik etkilerini inceleyebilmek ve bunları analiz etmek için ise “small signal analiz” metodu kullanarak devreyi ele aldığımızda aşağıdaki sonuçlara ulaşırız.Yukarıdan da görülebileceği üzere bu tür bir geri besleme devresinde, ilk bölümde işlediğimiz kazancın yanında bir adet “zero” ve bir adet “pole” karşımıza çıkar.

Bu bölümden sonra kontrol edilecek sistemin modeli çıkartılarak, aşağıdaki blok diyagram kullanılıp, sistemin tepkileri Matlab ve türevi programlar yardımıyla analiz edilerek, uygun wo ve po katsayıları bulunur. Bulunan bu değerlere göre, uygun direnç ve kapasitör değerleri de sisteme entegre edilir. Geri besleme bloğu bu yapısıyla bir PI Kontrol devresidir. Yukarıda tanımlamasını yaptığımız kontrol, blok diyagramda sisteme entegre olarak; sistemin kararlı çalışması, anlık tepkilere cevabını hızlandırma ya da yavaşlatma gibi bir çok etkiye sahiptir.

Örnek vermek gerekirse; bir süre sonra güç kaynaklarımızdan değişik sesler duymaya başlarız, bunun nedeni zamanla değeri değişen eleman değerleridir. Özellikle kapasitör değerlerinin değişimi sistemin transfer fonksiyonunu değiştirir ve dolayısı ile bir noktadan sonra kontrolü dengesizleşir. Sonuç olarak gelen ses anahtarlama frekansının sesi değil (günümüzde standart olarak 67kHz, 100kHz, 140kHz civarları tercih edilmektedir), kontrol bloğunun değişim frekansıdır.

Sonuç
Günümüzde her ne kadar TL431’i zorlayacak elemanlar çıksa da (bunların en zorlayıcıları CV/CC çalışabilen entegrelerdir) önümüzdeki yıllarda TL431’i hala sıkça devrelerde göreceğimiz aşikar. Özellikle günümüzde çok fazla tercih edilen Flyback topolojisi ve geri besleme kontrolü ile ilgili transfer fonksiyonlarının açıklamaları için Fairchild firmasının “AN4137 – Design Guidelines for Off-line Flyback Converters” adlı uygulama notu okunabilir. SMPS’ler ve small signal analiz için ise Robert W. Erickson‘un bu konuda ünlü Fundamentals of Power Electronics kitabına göz gezdirebilirsiniz.