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白菜白光T12驱动电路解析

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纯净的硅(高级)

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发表于 2012-7-16 20:01 | 显示全部楼层 |阅读模式

      一直青睐于白光T12优异的性能,纤巧的体积,怎奈囊中无米,只能使用那个老旧的杂牌调温烙铁。随着它的年老体衰,插上电后要等两分钟多才能达到足够的温度。现在,它终于让我忍无可忍,到网上淘了两支二手的白光T12烙铁头,一支T12-K(刀头)和一支T-172(尖头)。
      随烙铁头购买的还有两块白菜控制板。就是那种非常便宜白菜价(好像通胀搞的白菜也不便宜了)的控制板。起初也没准备买控制板,感觉那应该就是个调压电路,搞不好还是线性调压的呢。不过后来想拿回来就能用,懒得费那么大的劲DIY。而且店里当时搞特价,控制板简直就是烂菜帮子价,就顺便捎带了两个。
      买回来装上一用,感觉不对劲,加热指示灯闪烁由快变慢,看来还是带有温度检测功能的,恒温的!
      为了弄清楚其工作原理,我根据PCB绘制出了它的原理图,仔细一看,这白菜白光真不简单,原理可一点都不白!

T12.JPG

      我绘制的时候是从烙铁端开始绘制的,一边绘制一边分析。
      烙铁头插在插座J1上,距离烙铁最近的就是MOS管Q2,该MOS管用作电烙铁的开关管,用来控制烙铁的加热。这是一只P沟道的MOS管,当栅源电压VGS为负值时开启。三极管Q1用来驱动MOS管Q2,当三极管开启时,Q2的栅极被拉低,VGS≈-VCC,Q2开启,烙铁开始加热;当三极管截止时,Q2的栅极被上拉电阻R9上拉至VCC,VGS=0,Q2关闭,烙铁停止加热。这里三极管Q1发射极的电阻R15其实没有必要,而且没有R15实际效果会更好。
      三极管Q1再往前,通过基极限流电阻,连接到了U1B上,这是双运放LM358的一个运放单元。
      运放U1B和其外围元件组成一个单稳态触发器,由U1A通过D3和R5触发。触发时,运放的反相输入端电压(记作U6)被拉低,U1B工作于开环放大模式,即比较器模式,输出高电平,开启Q1和Q2,开始对烙铁加热。然后电源通过R6向C3充电,直到U6大于U1B的同相输入端电压U5。U1B翻转,输出低电平,关闭开关管,停止加热。等待下一次触发到来。
      那么R8是做什么用的呢?我前面说过了,U1B是工作在开环状态的,那么怎么在输入端和输出端串入了一只电阻。最初我是认为这组成一个迟滞比较器,可以延长一个周期中的加热时间。事实上,它确实是一个迟滞比较器,一次触发中加热的时间也确实比不加R8要长。不过大家要注意,我这次说的是一次触发,并不是一个周期,因为周期另有影响因素。
      而对于该迟滞比较器来说,它应用的是R8所引入的正反馈。理想运放的开环增益无穷大,但实际是有一定数值的,当U6无限接近于U5时,会有一段时间,使得输出电压在0~5V(运放供电电压是5V)之间线性变化,而这线性区间中又有一段会让Q1进入线性区,同理,Q1的线性区中有一段会转移给Q2。对于开关管来说,线性区无疑是致命的。虽然线性区无法消除,但是可以通过减小线性区的时间来保护开关管。R8引入的正反馈可以带来雪崩效应,使U1B快速的跨过这个线性区,从而更好的保护开关管。
      如何加热已经知道了,那么什么时候开始加热呢?这就要看再往前看一级了。由U1A组成的温度检测电路。
      U1A同样工作在比较器状态,其反相输入端输入参考电压,用来设定参考温度。同相输入端连接烙铁头的一端,T12内部带有一个热电偶,与电源共用电极,两个电极加上电源时,烙铁进行加热,移走电源时,这两个电极输出热电偶的电压,依此原理可以通过间歇方式进行加热与测温。
      烙铁刚上电时,如果还没进行加热,则U1A的同相输入端电压U3小于反相输入端电压U2,比较器输出低电平,触发U1B开启加热程序。开启加热程序后,由于烙铁两端加上了VCC,故U3≈VCC,U1A输出高电平,但由于二极管D3的存在,使得该高电平对后级没有影响,直到一个加热周期结束后,断开开关管,再次测量烙铁的电压,与设定的电压比较,以决定是否开启新的加热程序。
      从这里是否可以看出点什么?那就是前面说的一次触发与一个周期的区别。在加热停止后,U1A会很快的检测烙铁的温度从而触发新的加热周期而不会等C3充电完成。也就是说加热周期的停止段是从开关管关闭到U3<U2。在烙铁进入恒温状态前,烙铁内部热电偶的电压是肯定小于U2的,但是由于烙铁加热过程中,VCC一直加在U3上,因此,到停止加热并检测到温度低的过程中,U3要经历一个从VCC下降到烙铁热电偶电压Vt的过程。该过程是通过C2对R1放电完成的。由于烙铁热电偶的电压只有几个毫伏,因此,停止加热的时间等于C2和R1的RC常数。
      该RC常数带来的后果就是使加热周期变慢,预热时间变长。怎么改善这一条件呢?减小电容?还是减小电阻?网上另一款电路带来了完美的答案。这个电路如下:

2010124104234790.jpg

      这款电路在烙铁的测温端并入了一只二极管,利用二极管的正向压降进行限幅,从而使U3的电压钳位在一个较低的范围,估计约几百毫伏吧,实际测试为500mV,不过测试时万用表对电路工作造成了影响,从4148的DataSheet上看其在1mA电流下,正向压降约为700mV。这样在一个加热周期完成后,U3可以很快的恢复到烙铁热电偶的电压,从而减小加热间隙,加快升温速度。实际测试,加入该二极管后,在进入恒温阶段前,加热LED看不出明显的闪烁,只能看出亮度明暗的变化,可见加热间隔已经很小了。
      上述第二张图与前面我绘制的图有一定的区别,其中第一级比较电路与原来的方案完全相反,大家反向分析即可。工作原理是相同的。只是后面再开关管驱动部分增加了R12、R13、C3、D3、DW1这一坨东西。这是干什么用的呢?
      经过分析,我觉得这是用来加速关断开关管D2的。三极管Q1导通时,Q2的栅极对地电阻很小,上面这些元件不会对导通产生影响。当三极管稳定于导通状态时,DW1和D3对电容C3充电,使其电压接近VCC,其中左端为正,右端为负。当三极管Q1截止时,在C3、DW1和R13组成的回路中,DW1反偏;在C3、D3和R12组成的回路中,D3也反偏,故此时DW1和D3均相当于断开。C3上的电压通过R13叠加在VCC上再通过R12加在Q2的栅极上,则Q2的栅极获得了近乎两倍于源极的电压(VCC小于12V时),可快速进入深度截止状态。而DW1则用来保证栅源电压不得大于+12V(注意,这是矢量),因为MOS管对栅源电压是有限制的。


此帖出自模拟电子论坛

点评

拜读了楼主的文章,不过R8这个电阻不是构成斯密特电路的,因为R8引入的不是正反馈,而是100%负反馈。我反复核对了几次,确定是。MOS管输出的电压要么是毫伏级,要么就是VCC,引入到U1A运放的正相输入脚,而该输入脚  详情 回复 发表于 2013-12-1 10:21

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纯净的硅(高级)

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 楼主| 发表于 2012-7-16 20:19 | 显示全部楼层
不好意思,最后一段分析有误,没注意到这是一个NMOS管,必须要一个高电压来开启。看来第二张图与第一张图原理是完全相反的。稍后更新第二张图的原理分析


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纯净的硅(高级)

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 楼主| 发表于 2012-7-16 20:52 | 显示全部楼层
其实这两个图都可以分为三段,第一段,以U1A为核心的电路,为电压比较电路,做欠温检测。第二段,以U1B为核心的电路,单稳态触发器,用于产生加热脉冲。第三段Q1和Q2组成的开关电路。

其中第一张图中第一段欠温检测为低电平有效,即温度低时输出低电平。第二阶段为低电平触发单稳态触发器,采用RC充电常数提供加热脉冲,该脉冲为高电平。所以第三段采用的是高电平开启,Q1基极得到高电平时开启。

第二张图中第一段欠温检测为高电平有效,即温度低时输出高电平,第二段采用高电平触发的单稳态触发器,采用RC放电常数控制加热脉冲,该脉冲为低电平。故第三段需要低电平开启,由于两个电路中的Q1均为NPN三极管,故此处MOS管为NMOS管。R12、R13、C3、D3、DW1组成自举电路,用来提供Q2的开启电压。

呵呵,上面两张图控制方向完全相反。


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发表于 2012-7-17 01:29 | 显示全部楼层
写得不错


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一粒金砂(高级)

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发表于 2012-11-21 16:56 | 显示全部楼层
分析得很不错~又从中学了些东西


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发表于 2012-11-21 23:38 | 显示全部楼层
确实分析的不错。白光烙铁比较有名,驱动电路做的也不错。


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一粒金砂(中级)

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发表于 2013-12-1 10:21 | 显示全部楼层

回复 楼主柳叶舟 的帖子

拜读了楼主的文章,不过R8这个电阻不是构成斯密特电路的,因为R8引入的不是正反馈,而是100%负反馈。我反复核对了几次,确定是。MOS管输出的电压要么是毫伏级,要么就是VCC,引入到U1A运放的正相输入脚,而该输入脚和MOS管输出的电位是反向。

该电阻引入的负反馈幅度非常大,导致电路发生翻转,形成振荡电路,振荡周期周期由检测、停止、启动三个阶段构成。因为停止的阶段电路一直在检测,可以把检测和停止看做是一个周期。他们的占空比分别有对应的RC控制。


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一粒金砂(初级)

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发表于 2014-3-12 19:31 | 显示全部楼层
多谢楼主的分析,最近组装了一块控制板没有成功,拜读了文章才明白了其中的原理


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一粒金砂(初级)

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发表于 2014-11-20 18:03 | 显示全部楼层
看看


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一粒金砂(初级)

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发表于 2015-2-6 07:20 | 显示全部楼层
不晓得楼主买的控制板是哪家的哪一版?


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一粒金砂(初级)

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发表于 2016-3-31 08:07 | 显示全部楼层
撸主威武,学习中。。。虽然我是个纯纯的小白,但是通过撸主详细的讲解,让我知道电路分析的思路,感谢感谢!


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纯净的硅(初级)

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发表于 2016-3-31 08:57 | 显示全部楼层
不错的,控制板很简单的,不知多少钱买的?


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一粒金砂(初级)

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发表于 2016-10-12 20:01 | 显示全部楼层
谢谢楼主分享这么好的资料。


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一粒金砂(初级)

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发表于 2018-4-26 09:09 | 显示全部楼层
拜读了楼主的分析,很是佩服,对于设计出这些电路的也是钦佩啊。对于通过MOS管来控制加热,我的第一想法就是通过单片机来控制,而大神都是通过简单的几个运放实现了。这是真正把模电吃透,浸淫许久的大才才做得到的,对于很多普遍的大学生来说,没有任何经验只会用程序来控制,最最根本的反倒没学透哈。


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一粒金砂(初级)

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发表于 2019-12-21 10:18 | 显示全部楼层

来晚了,



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