Схема подключения и характеристики TL 431

Технические параметры

Свойства

Предлагаем рассмотреть максимально допустимые рабочие свойства микросхемы. Если при его применении они будут превышены, то устройство будет неминуемо выходить из строя. Длительная эксплуатация с характеристиками, которые близки к предельному значению, тоже недопустимы. Рассмотрим их подробнее:

• Напряжение выходного типа, катодное (V_КА), по отношению к анодному выводу до 37 В.
• Вероятные токовые значения – для катодного значения непрерывного на выходе (I_КА) составляет 100-150 мА, а для обратного при вхождении от 50 до 10 мА.
• Типичный импеданс бывает от 0.22 Ом.
• Мощность рассеиваемого типа (для различных видов упаковки) Р_D: 0.75 Вт (SO-8); 0,33 Вт (SOT-23); 0,5 Вт (SOT-25); 0.8 Вт (SOT-89) и 0,78 Вт (ТО-92).
• Кристаллическая температура (Т_J) – рабочая от -40 до +70 градусов (для определенных автомобильных версий).
• Температура хранения составляет от -65 до +155 градусов.

Рекомендуемые эксплуатационные параметры

При рабочих условиях рекомендованные значения применения стабилизатора является входное напряжение опорного типа не более 36 В, катодный ток должен быть от 1 до 100 мА, а также соблюдение режимов температуры при применении. Следует учесть, что при I_КА< 5мА эта микросхема может работать нестабильно. Ниже есть электрические параметры устройства, которые замерены при температурном уровне Т_А=25 градусов.

Схемы подключения

Требуется разобраться, как работает элемент на примере простой схемы стабилизации, которая состоит непосредственно из стабилитрона и 1 резистора. В катод требуется подключить положительный, а в анод минусовой полюс для запитки. Для подключения микросхемы, на ее управляющий электрод требуется подавать опорное напряжение. Если значение стабилизатора ТL получится больше 2.5 В, то стабилитрон практически сразу откроется и начинает пропускать через себя электрический ток, которым можно запитывать требуемую нагрузку. Его значение начнет расти вместе с увеличением уровня V_in. А вот ток можно определить по формуле I_KA = (V_in— V_ref)/R. При этом напряжение выходного типа будет стабилизовано на уровне опорного, которое не более 2.5 В и вне зависимости от подаваемого на входе V_in. Максимальное значение I_KA  у стабилизатора ограничено не просто 100 мА, но и мощностью корпусного рассеивания.

Расчет параметрической стабилизационной схемы

Регулирование напряжения стабилизации

Для выстраивания схем с возможность регулирования вручную напряжения на выходе, вместо простого первого резистора устанавливают потенциометр. Номинал резистора ограничительного типа, который оказывает сопротивление току на входу, требуется рассчитать по формуле R=(V_IN-VК_А)/ I_IN. При этом I_IN = I_KA+ I_L. Несмотря на преимущества микросхемы, у нее есть достаточно существенный минус – малый ток в нагрузке, который она может выдержать. Для решения такой проблемы в схему требуется подключать полевые или мощные биполярные транзисторы. Примеры разных схем можно увидеть в видео.

Аналоги стабилизатора

Есть микросхемы отечественного производства, которые похожи по своим свойствам на рассматриваемую. Это линейный российский стабилизатор КР142ЕН19. Больше всего подойдут IR943N, ТL432 и LМ431. К устройствам с такой цоколевкой, но немного иными остальными электрическими характеристиками можно отнести НА17431А и КIА431. В роли замены еще можно попробовать применять АРL1431.

Что такое микросхема TL431?

Уж так сложилось, что все электронщики знают магические цифры TL431, аналог 494. Что это такое?

Предприятие «Texas Instrument» находилось у истоков разработки полупроводников. Они всегда были на первых местах в производстве электронных компонентов, постоянно удерживаясь в первой десятке мировых лидеров. Первая интегральная схема была разработана еще в 1958 г. работником этой фирмы Джеком Килби.

Сегодня фирма TI производит большой ассортимент микросхем, их название начинается с букв SN и TL. Это соответственно логические и аналоговые микросхемы, навсегда вошедшие в историю предприятия TI, и до сих пор имеют широкое использование.

В числе фаворитов в перечне «магических» микросхем нужно, вероятней всего, интегральный стабилизатор TL431. В 3-х выходном корпусе данной микросхемы установлено 10 транзисторов, а функция, исполняемая ей, идентична с простым стабилитроном (диод Зеннера).

Но благодаря этому усложнению, микросхема имеет повышенную крутизну характеристик и более высокую термостабильность. Основная же ее особенность заключается в том, что с помощью наружного разделителя напряжение стабилизации можно менять ток в диапазоне 2,6…32 Вольт. У современных TL431 аналог нижнего порога имеет 1,25 Вольт.

TL431 аналог разработал инженер Барни Холандом, когда он занимался копированием схемы стабилизатора другой фирмы. В нашей бы стране сказали сдирание, а не копирование. И Холанд позаимствовал из изначальной схемы источник опорного напряжения, и уже на этой основе разработал отдельную стабилизаторную микросхему. Вначале она имела название TL430, а после определенных доработок стана называться TL431.

С той поры прошло много времени, но нет сегодня ни одного блока питания для компьютера, где бы она не была установлена. Схема также нашла применение почти во всех импульсных немощных источниках питания. Один из этих источников сегодня есть в любом доме – это зарядка для мобильных телефонов. Этому долгожительству можно лишь позавидовать.

Также Холандом была разработана не менее известная и до сегодняшнего дня востребованная схема TL494. Это двухчастотный ШИМ — контроллер, на основе которого изготовлено множество видов источников питания. Потому цифра 494 также по праву является к «магической». Но перейдем к рассмотрению разных изделий на основе TL431.

Сигнализаторы и индикаторы

Схемы TL431 аналог может использоваться не только по своему непосредственному предназначению в качестве стабилитронов в блоках питания. На основе этой микросхемы возможно создание разных звуковых сигнализаторов и индикаторов освещения. При помощи этих устройств можно проверять множество разных параметров.

Для начала, это обычное напряжение электричества. Если же какую-то физическую величину при помощи датчиков представить в качестве напряжения, то можно создать оборудование, контролирующее, к примеру:

• влажность и температуру;
• уровень воды в баке;
• давление газа или жидкости;
• освещенность.

Сигнализатор критического тока

Принцип работы этого сигнализатор основан на том, что во время напряжения на электроде управления стабилитрона DA1 (выход 1) меньше 2,6 Вольт стабилитрон закрыт, сквозь него проходит только невысокий ток, обычно не больше 0.20…0.30 мА. Но данного тока хватает для слабого свечения диода HL1. Чтобы такого явления не происходило, можно параллельно диоду подсоединить резистор сопротивлением приблизительно 1…2 КОм.

Если напряжение на электроде управления более 2,6 Вольт, то стабилитрон откроется и загорится диод HL1. Требуемое ограничение напряжения через стабилитрон DA1 и диод HL1 создает R3. Наибольший ток стабилитрона имеет 100 мА, при этом такой же параметр у диода HL1 только 22 мА. Именно из данного условия и можно вычислить сопротивление резистора R3. Более точней сопротивление рассчитывается по нижеуказанной формуле.

R3=(Uпит – Uhl — Uda) / Ihl, где:

• Uda – ток на открытой микросхеме (как правило, 2 Вольт);
• Uhl – непосредственное падение тока на диоде;
• Uпит – ток питания;
• Ihl – напряжение диода (находится в диапазоне 4…12 мА).

Также нужно помнить о том, что наибольшее напряжение для TL431 только 36 Вольт. Данный параметр нельзя превышать.

Компенсационные стабилизаторы напряжения

Принцип компенсационного стабилизатора на TL431 такой же как и на обычном стабилитроне: разность напряжений между входом и выходом компенсирует мощный биполярный транзистор. Но точность стабилизации получается выше, за счет того что обратная связь берется с выхода стабилизатора. Резистор R1 нужно рассчитывать на минимальный ток 5 мА, R2 и R3 рассчитываются, также как для параметрического стабилизатора (рис 1.)

Чтобы стабилизировать токи на уровне единиц и десятков Ампер одним транзистором в компенсационном стабилизаторе не обойтись, нужен промежуточный усилительный каскад. Оба транзистора работают по схеме с эмиттерного повторителя, т.е. происходит усиление тока, а напряжение не усиливается. На рисунке представлена реальная схема компенсационного стабилизатора на TL431, в ней появились новые компоненты: резистор R2 ограничивающий ток базы VT1 (например 330 Ом), резистор R3 – компенсирующий обратный ток коллектора VT2 (что особенно актуально при нагреве VT2) (например 4,7 кОм) и конденсатор C1 – повышающий устойчивость работы стабилизатора на высоких частотах (например 0,01 мкФ) (рис 2).

Уровень включения сигнализатора

Ток на электроде управления, когда включается диод HL1 (Uз) задается разделителем R1, R2. Характеристики разделителя определяются по формуле:

R2=2.5хR1/(Uз – 2.5)

Для максимально точной подстройки порога включения можно вместо резистора R2 поставить подстроечный, с показателем раза в 1,5 выше, нежели получилось по расчету. Затем, когда настойка сделана, его можно поменять на постоянный резистор, его сопротивление должно равняться сопротивлению установленной части подстроечного.

Как TL431 проверить схему включения? Чтобы проконтролировать несколько уровней тока будет необходимо 3 этих сигнализатора, каждый из них настраивается на определенное напряжение. Таким способом можно сделать целую линейку шкалы и индикаторов.

Для электропитания цепи индикации, которая состоит из резистора R3 и диода HL1, можно использовать отдельный даже нестабилизированный источник питания. В данном случае контролируемый ток подается на верхний по схеме выход резистора R1, который нужно отсоединить от резистора R3. При этом подключении контролируемый ток может быть в диапазоне от 3-х, до десятков вольт.

Отличие данной схемы от предыдущей заключается в том, что диод подсоединен по-другому. Это подключение называется инверсным, так как диод включается в лишь случае, если схема закрыта. В случае, когда контролируемый ток превышает порог заданный разделителем R1, R2 схема открыта, и ток проходит через резистор R3 и выходы 3 – 2 микросхемы.

На схеме в данном случае происходит падение напряжения до 2 Вольт, которого не хватает для включения светодиода. Чтобы диод гарантированно не включился, последовательно с ним устанавливают два диода.

Если контролируемый ток будет меньше заданного разделителем R1, R2 схема закроется, ток на ее выводе будет значительно больше 2 Вольт, потому диод HL1 включится.

Если нужно проконтролировать лишь изменение тока, то индикатор можно сделать по схеме.

В данном индикаторе использован 2-хцветный диод HL1. Если контролируемый ток превышает заданное значение, включается красный диод, а если ток ниже, то зеленый. В случае если напряжение расположено вблизи этого порога, погашены оба светодиода, потому что передаточное положение стабилитрона имеет некоторую крутизну.

Если нужно отследить изменение какой-то физической величины, то R2 заменяют датчиком, который изменяет сопротивление под воздействием окружающей среды.

Условно на схеме находится одновременно несколько датчиков. Если это фототранзистор, то будет фотореле. Пока света достаточно, фототранзистор открыт, и сопротивление у него небольшое. Потому ток на управляющем выходе DA1 ниже порогового, в результате этого диод не светит.

По мере уменьшения света сопротивление фототранзистора повышается, это приводит к увеличению напряжения на управляющем выходе DA1. Если данное напряжение будет больше порогового (2,5 Вольт), то стабилитрон открывается и загорается диод.

Если подключить терморезистор, вместо фототранзистора, к входу микросхемы, к примеру, серии ММТ, то выйдет индикатор температуры: при уменьшении температуры диод будет включаться.

Порог срабатывания в любом случае задается при помощи резистора R1.

Помимо описанных световых индикаторов, на базе TL431 аналога можно сделать и звуковой индикатор. Для контроля воды, к примеру, в ванне, к схеме подсоединяется датчик из двух пластин нержавейки, которые находятся на расстоянии пары миллиметров между собой.

Если вода дойдет до датчика, то его сопротивление снижается, а микросхема с помощью R1, R2 войдет в линейный режим. Так, возникает автогенерация на резонансной частоте НА1, в этом случае произойдет звуковой сигнал.

Подводя итог, хотелось бы сказать, что все-таки основная сфера использования микросхемы TL434, естественно же, блоки питания. Но, как можно убедиться, возможности микросхемы только этой функцией абсолютно не ограничены, и можно собрать множество устройств.

Нестандартные варианты и функциональные аналоги

Микрофотографии кристаллов TL431 трёх разных производителей в одном масштабе. Крупнейшая светлая область каждого кристалла — ёмкость частотной компенсации, крупная гребенчатая структура рядом с ней — выходной транзистор, группы «лишних» контактных площадок — технологические контакты для ступенчатой подстройки на заводе-изготовителе

Микросхемы различных производителей, выпускаемые под именем TL431 или под близкими к нему именами (KA431, TS431 и т. п.), могут существенно отличаться от оригинальной TL431 производства Texas Instruments. Иногда различия вскрываются лишь опытным путём, при испытаниях ИС в недокументированных режимах; иногда они явно декларируются в документации производителей. Так, TL431 производства Vishay отличается аномально высоким, порядка 75 дБ, коэффициентом усиления напряжения на низких частотах. Спад коэффициента усиления этой ИС начинается на отметке 100 Гц. В диапазоне частот свыше 10 кГц частотная характеристика TL431 Vishay приближается к стандарту; частота единичного усиления, около 1 МГц, совпадает со стандартной. Микросхема ШИМ-контроллера SG6105 содержит два независимых стабилизатора, заявленные как точные аналоги TL431, но их предельно допустимые I_KA и U_KA составляют лишь 16 В и 30 мА; точностные характеристики этих стабилизаторов заводом-изготовителем не тестируются.

Микросхема TL430 — исторический функциональный аналог TL431 с опорным напряжением 2,75 В и предельно допустимым током катода 150 мА, выпускавшийся Texas Instruments только в корпусе для монтажа в отверстия. Встроенный бандгап TL430, в отличие от одновременно выпущенной TL431, не был скомпенсирован по температуре и был менее точен; в выходном каскаде TL430 не было защитного диода. Выпускаемая в XXI веке микросхема TL432 представляет собой обычные кристаллы TL431, упакованные в корпуса для поверхностного монтажа с нестандартной цоколёвкой.

В 2015 году Texas Instruments анонсировала выпуск ATL431 — функционального аналога TL431, оптимизированного для работы в экономичных импульсных стабилизаторах. Рекомендованный минимальный ток катода ATL431 составляет всего 35 мкА против 1 мА у стандартной TL431 при тех же предельных значениях тока катода (100 мА) и напряжения анод-катод (36 В). Частота единичного усиления сдвинута вниз, до 250 кГц, чтобы подавить усиление высокочастотных помех. Совершенно иной вид имеют и графики граничных условий устойчивости: при малых токах и напряжении анод-катод 15 В схема абсолютно устойчива при любых значениях ёмкости нагрузки — при условии использования высококачественных малоиндуктивных конденсаторов. Минимальное рекомендованное сопротивление «антизвонного» резистора — 250 Ом против 1 Ом у стандартной TL431.

Помимо микросхем семейства TL431, по состоянию на 2015 год широко применялись всего лишь две интегральные схемы параллельных стабилизаторов, имеющие принципиально иную схемотехнику, опорные уровни и предельные эксплуатационные характеристики:

• Биполярная ИС LMV431 производства Texas Instruments имеет опорное напряжение 1,24 В и способна стабилизировать напряжения до 30 В при токе катода от 80 мкА до 30 мА;
• Низковольтная КМОП-микросхема NCP100 производства On Semiconductor имеет опорное напряжение 0,7 В и способна стабилизировать напряжения до 6 В при токе катода от 100 мкА до 20 мА.

Схемотехника устройств на LMV431 и NCP100 аналогична схемотехнике устройств на TL431.

Как проверить TL431?

«Прозвонить» эту микросхему как обычный стабилитрон нельзя.

Чтобы убедиться в ее исправности, нужно собрать небольшую схему для проверки.

При этом выходное напряжение в первом приближении описывается формулой

Vo = (1 + R2/R3) * Vref (см даташит*), где Vref — опорное напряжение, равное 2,5 В.

При замыкании кнопки S1 выходное напряжение будет иметь величину 2,5 В (опорное напряжение), при отпускании ее – величину 5 В.

Таким образом, нажимая и отжимая кнопку S1 и измеряя мультиметром сигнал на выходе схемы, можно убедиться в исправности (или неисправности) микросхемы.

Проверочную схему можно сделать в виде отдельного модуля, используя 16-контактный разъем для DIP-микросхемы с шагом выводов 2,5 мм. Питание и щупы тестера подключаются при этом к выходным клеммам модуля.

Для проверки микросхемы нужно вставить ее в разъем, понажимать кнопку и посмотреть на дисплей тестера.

Если микросхема не вставлена в разъем, выходное напряжение будет равным примерно 10 В.

Вот и все! Просто, не правда ли?

*Даташит – это справочные данные (data sheets) на электронные компоненты. Их можно найти поисковиком в Интернете.

С вами был Виктор Геронда. До встречи на блоге!

TL 431 интегральный стабилитрон

Основные характеристики программируемого источника опорного напряжения TL 431

• ​ Номинальное рабочее напряжение на выходе от 2,5 до 36 В;
• Ток на выходе до 100 мА;
• Мощность 0,2 Ватт;
• Диапазон рабочей температуры для TL 431C от 0° до 70°;
• Диапазон рабочей температуры для TL 431A от -40° до +85°.

Точность интегральной схемы TL 431 указывается шестой буквой в обозначении:

• Точность без буквы – 2%;
• Буква А – 1%;
• Буква В – 0, 5%.

Столь широкое его применения обусловлено низкой ценой, универсальным форм-фактором, надёжностью, и хорошей устойчивостью к агрессивным факторам внешней среды. Но также следует отметить точность работы данного регулятора напряжения. Это позволило ему занять нишу в устройствах микроэлектроники.

Основное предназначение TL 431 стабилизировать опорное напряжение в цепи. При условии, когда напряжение на входе источника ниже номинального опорного напряжения, в программируемом модуле транзистор будет закрыт и проходящий между катодом и анодом ток не будет превышать 1 мА. В случае, когда выходное напряжение станет превышать запрограммированный уровень, транзистор будет открыт и электрический ток сможет свободно проходит от катода к аноду.

Схема включения TL 431

В зависимости от рабочего напряжения устройства схема подключения будет состоять из одноступенчатого преобразователя и расширителя (для устройств 2,48 В.) или модулятора небольшой ёмкости (для устройств 3.3 В). А также чтобы снизить риск короткого замыкания, в схему устанавливается предохранитель, как правило, за стабилитроном. На физическое подключение оказывает влияние форм-фактор устройства, в котором будет находиться схема TL 431, и условия окружающей среды (в основном температура).

Стабилизатор на основе TL 431

Простейшим стабилизатором на основе TL 431 является параметрический стабилизатор. Для этого в схему нужно включить два резистора R 1, R 2 через которые можно задавать выходное напряжение для TL 431 по формуле: U вых= Vref (1 + R 1/ R 2). Как видно из формулы здесь напряжение на выходе будет прямо пропорционально отношению R 1 к R 2. Интегральная схема будет держать напряжение на уровне 2,5 В. Для резистора R 1 выходное значение рассчитывается так: R 1= R 2 (U вых/ Vref – 1).

Эта схема стабилизатора, как правило, используется в блоках питания с фиксированным или регулируемым напряжением. Такие стабилизаторы напряжения на TL 431 можно обнаружить в принтерах, плоттерах, и промышленных блоках питания. Если необходимо высчитать напряжение для фиксированных источников питания, то используем формулу Vo = (1 + R 1/ R 2) Vref.

Временное реле

Прецизионные характеристики TL 431 позволяют использовать его не совсем по «прямому» назначению. Из-за того, что входной ток этого регулируемого стабилизатора составляет от 2 до 4 мкА, то используя данную микросхему можно собрать временное реле. Роль таймера в нём будет исполнять R1 который начнёт постепенно заряжаться после размыкания контактов S 1 C 1. Когда напряжение на выходе стабилизатора достигнет 2,5 В, транзистор DA1 будет открыт, через светодиоды оптопары PC 817 начёт проходить ток, а открытый фоторезистор замкнёт цепь.

Термостабильный стабилизатор на основе TL 431

Технические характеристики TL 431 позволяют создавать на его основе термостабильные стабилизаторы тока. В которых резистор R2 выполняет роль шунта обратной связи, на нём постоянно поддерживается значение 2,5 В. В результате значение тока на нагрузке будет рассчитываться по формуле Iн=2,5/R2.

Цоколёвка и проверка исправности TL 431

Форм-фактор TL 431 и его цоколёвка будет зависеть от производителя. Встречаются варианты в старых корпусах TO -92 и новых SOT-23. Не стоит забывать про отечественный аналог: КР142ЕН19А тоже широко распространённый на рынке. В большинстве случаев цоколёвка нанесена непосредственно на плату. Однако не все производители так поступают, и в некоторых случаях вам придётся искать информацию по пинам в техпаспорте того или иного устройства.

TL 431 является интегральной схемой и состоит из 10 транзисторов. Из-за этого проверить её мультиметром невозможно. Для проверки исправности микросхемы TL 431 нужно использовать тестовую схему. Конечно, часто нет смысла искать перегоревший элемент и проще заменить схему целиком.

Программы расчёта для TL 431

В интернете существует множество сайтов, где вы сможете скачать программы-калькуляторы для расчёта параметров напряжения и силы тока. В них можно указывать типы резисторов, конденсаторов, микросхем и прочих составных частей схемы. TL 431 калькуляторы также бывают онлайн, они по функционалу проигрывают устанавливаемым программам, но если вам нужно исключительно входные/выходные и максимальные значения схемы, то они справятся с этой задачей.

Чистый вход

Я хотел получить чистое входное напряжение по максимуму очистив его от гармоник и исключив все переходные процессы. Дело в том, что все стабилизаторы имеют некоторую ёмкость между входом и выходом. Плюс помехи могут проникнуть на выход стабилизатора через цепи обратной связи или общий провод. Потому на входе стабилизатора нам требуется иметь максимально чистый сигнал.

Звучит немного утопически? Как получить «чистое» напряжение на входе стабилизатора?RC или LC-фильтры могут значительно снизить гармоники в выпрямленном напряжении.
А какой сигнал считать достаточно чистым?

Довольно популярны в ламповых усилителях выпрямители на кенотронах, которые в силу своих конструктивных особенностей являются несимметричными, однако же ничего…звучат эти усилители!

Чтобы получить минимальный уровень гармоник в выпрямленном напряжении я экспериментировал с одно и двухзвенными RC-фильтрами, установленными после первого фильтрующего конденсатора.

Как и ожидалось, добавление одного звена даёт наибольший прирост в качестве звучания усилителя.
Второе звено также даёт заметный вклад. Дальнейшее увеличение количества звеньев на звук существенно не влияет, а вот на массо-габаритные показатели очень.

Результаты измерений:

Как видно, существенно уменьшают не только верхние гармоники, но и основные пульсации также существенно затухают. Что и требовалось. К сожалению, моё оборудование не позволяет точно измерить уровень фона в присутствии сигнала. Кроме основой гармоники уровень других гармоник составил ниже 10 мВ.

Дополнительное звено в фильтре может снизить ещё на 20дБ уровень всех гармоник выше 200Гц. Но они и так уже на уровне шума стабилизатора.
Упрощенное моделирование стабилизатора на мощном FET-транзисторе показало уровень подавления низкочастотных составляющих на уровне 100дБ и 40 дБ для гармоник 100 кГц и выше.

Такие впечатляющие цифры вряд ли будут достигнуты на практике из-за паразитных ёмкостей монтажа, наводок со стороны сети и прочих негативных факторов.

Поэтому я решил считать нормальными результаты: подавление 60дБ на нижних частотах и 20дБ на высоких. Получается, что пульсации частотой 50Гц и амплитудой 100 мВ будут ослаблены до уровня 0,1мВ

Подавление ВЧ-гармоник не столь важно, так как они очень хорошо ослабляются RC-фильтрами