Стабилизатор TL431 характеристики, схема включения, datasheet, цоколевка

Особенности работы, простота включения во многие схемы и хорошие характеристики сделали микросхему TL431 очень популярным регулируемым стабилизатором на рынке. С минимальным набором дополнительных электронных компонентов (нескольких резисторов и конденсаторов), она способна обеспечить рабочее напряжение в диапазоне от 2,5 до 36 В при токе стабилизации от 1 до 100 мА. Для получения больших значений на выход ТЛ431 обычно добавляют мощные транзисторы.

Это устройство еще называют управляемым программируемым стабилитроном. Его впервые представила миру американская компания Texas Instruments (TI) в далеком 1977 году. С тех пор оно постоянно совершенствовалось и теперь является неотъемлемой частью многих современных импульсных блоков питания, где выполняет роль источника опорного напряжения. Оно может быть отличной заменой для диодов Зенера, в различных электронных схемах.

Цоколевка

Распиновка TL431 зависит от корпусного исполнения устройства, в котором она размещена. Всего существует пять его разновидностей: для установки в отверстия: ТО-92; для поверхностного монтажа: SOT-23, SOT-25, SOT-89 и SOP-8. У электронных схем, находящихся внутри таких пластиковых упаковок, всего 3 контакта с назначением: 1 – управляющий электрод; 2 – анод; 3- катод. Металлических выводов у некоторых типов корпусов этой микросхемы больше, при этом они не используются или совмещены с соседними. Как это сделано, наглядно показано на рисунке.

ЗУ для мобильного телефона

Стабилизатор можно применить как своеобразный ограничитель тока. Это свойство будет полезным в устройствах для зарядки мобильного телефона.

Если напряжение в выходном каскаде не достигнет 4,2 В, происходит ограничение тока в цепях питания. После достижения заявленных 4,2 В стабилизатор уменьшает величину напряжения — следовательно, падает и величина тока. За ограничение величины тока в схеме отвечают элементы схемы VT1 VT2 и R1-R3. Сопротивление R1 шунтирует VT1. После превышения показателя в 0,6 В элемент VT1 открывается и постепенно ограничивает подачу напряжения на биполярный транзистор VT2.

На базе транзистора VT3 резко уменьшается величина тока. Происходит постепенное закрытие переходов. Напряжение падает, что приводит к падению силы тока. Как только U подходит к отметке 4,2 В, стабилизатор tl431 начинает уменьшать его величину в выходных каскадах устройства, и заряд прекращается. Для изготовления устройства необходимо использовать следующий набор элементов:

DA1 – TL431K — если нет в наличии этого элемента, то его можно заменить на tl4311, tl783ckc ;
R1 – 2,2 Ом;
R2 – 470 Ом;
R3 – 100 кОм;
R4 – 15 кОм;
R5 – 22 кОм;
R6 – 680 Ом;
VT1, VT2 – BC857B;
VT3 – az431 или az339p ;
VT4 – BSS138.

Необходимо обратить особое внимание на транзистор az431. Для равномерного уменьшения напряжения в выходных каскадах желательно поставить транзистор именно az431, datasheet биполярного транзистора можно наблюдать в таблице.

Именно этот транзистор плавно уменьшает напряжение и силу тока. Вольт-амперные характеристики этого элемента хорошо подходят для решения поставленной задачи.

Операционный усилитель TL431 является многофункциональным элементом и дает возможность конструировать различные устройства: зарядные для мобильных телефонов, системы сигнализации и многое другое. Как показывает практика, операционный усилитель обладает хорошими характеристиками и не уступает зарубежным аналогам.

Технические характеристики TL431

Рассмотрим максимально допустимые рабочие характеристики микросхемы. Если при его эксплуатации они будут превышены, то устройство неминуемо выйдет из строя. Продолжительная эксплуатация с параметрами, близкими к предельным значениям, также не допускается. Рассмотрим их подробней:

катодное выходное напряжение (VKA), по отношению к выводу анода до 37 В;
возможные значения токов: для непрерывного катодного на выходе (IKA) от –100 мА до 150 мА; для обратного на входе от -50 мА до 10 мА;
типовой импеданс до 0,22 Ом;
рассеиваемая мощность (для разных типов упаковки) PD: 0.8 Вт (SOT-89); 0,78 Вт (ТО-92); 0.75 Вт (SO-8); 0,33 Вт (SOT-23); 0,5 Вт (SOT-25);
температура кристалла (TJ): рабочая: 0…+70 ОС; -40 … +125ОС (для некоторых автомобильных версий); максимальная (TJmax) до +150ОС;
тепловое сопротивление корпуса RθJC: 97ОС/Вт (D); 156 ОС/Вт (LP); 28 ОС/Вт (KTP); 127ОС/Вт (P); 52ОС/Вт (PK); 149ОС/Вт (PW);
температура хранения: -65… +150 ОС.

Максимальную рассеиваемую мощность можно рассчитать по стандартной формуле PD= (TJmax-TA)/ RθJC. В ней ТА – это температура окружающей среды.

Безопасная эксплуатация TL431

При эксплуатации необходимо соблюдать параметры внешней среды, описанные производителем. Это необходимо не только для большего срока службы компонента, но также для его предсказуемого поведения. На таблице ниже отображены характеристики TL431 при температуре 25°C.

Нельзя перегружать элемент, его максимальное входное напряжение — 36В.

Лучше всего, чтобы ток нагрузки был не меньше 5мА, иначе микросхема может работать нестабильно и непредсказуемо.

Схемы включения TL431

Разберемся как работает TL431 на примере простейшей схемы стабилизации, состоящей из самого стабилитрона и одного резистора. К катоду подключается положительный, а к аноду отрицательный полюс питания. Для включения микросхемы, на её управляющий электрод подается опорное напряжение (Vref).

Если его значение будет больше 2.5 В, то стабилитрон почти сразу откроется и начнет пропускать через себя ток (IKA), которым можно запитать соответствующую нагрузку. Его значение будет расти вместе с повышением уровня Vin . IKA можно определить по формуле IKA = (Vin— Vref)/R. При этом, выходное напряжение схемы будет стабилизировано на уровне опорного (VКА = Vref), не превышающего 2.5 В и независимо от подаваемого на входе Vin.

Максимальное значение IKA у TL431 ограничено не только 100 мА, но и мощностью рассеивания на её корпуса.

Расчет параметрической схемы стабилизации

Для получения на выходе микросхемы большего по величине напряжения (вплоть до 36 В), к её управляющему электроду дополнительно подсоединяют резистивный делитель. Он состоит из двух резисторов (R1 и R2) подключаемых между катодом и анодом. В этом случае внутреннее сопротивление стабилитрона возрастает на (1 + R1/R2) раз.

Для расчета схемы стабилизации на TL431 необходимы начальные данные о входном(VIN) и выходном (VКА) напряжениях, а также токах: стабилизации (IKA) и нагрузки (IL). Имея эти данные можно рассчитать значения других электронных компонентов, представленных на рисунке ниже.

Выходное напряжение и номиналы сопротивлений связаны между собой следующей формулой VКА= Vref *(1 + R1/R2)+ Iref *R1. Где Vref = 2495 мВ и Iref = 2 мкА -это типовые величины, они указаны в электрических параметрах из даташит на устройство.

Сопротивление R1 также можно взять из datasheet. Чаще всего берут с номиналами от 10 до 30 кОм. Значение R1 ограничено небольшим опорным током (Iref = 2 мкА), которым часто пренебрегают для расчетов схем стабилизации на TL431. Поэтому для вычисления значения R2, без учета Iref, можно использовать следующую формулу R2=R1/((VКА/Vref)-1).

Регулировка напряжения стабилизации

Для построения схем с возможностью ручной регулировки напряжения на выходе, вместо обычного R1 ставят потенциометр. Номинал ограничительного резистора R, оказывающего сопротивление току на входе (IIN), рассчитывают по формуле R=(VIN-VКА)/ IIN. Здесь IIN = IKA+ IL.

Несмотря на достоинства микросхемы TL431, есть у неё и весьма существенный недостаток– это маленький ток в нагрузке, который она способна выдержать. Для решения этой проблемы в схему включают мощные биполярные или полевые транзисторы.

Примеры различных схем на основе стабилитрона TL431 можно посмотреть в следующем видео.

Заметки и ссылки

1. Из-за того, что у TL431 не самая обычная функция, стандартного названия для элемента такого рода не существует. Разные даташиты дают такие имена: «регулируемый шунтирующий стабилизатор», «программируемый прецизионный источник опорного напряжения», «программируемый шунтирующий источник опорного напряжения», «программируемый стабилитрон». 2. Я раскопал истоки возникновения TL431 в Voltage Regulator Handbook, опубликованным Texas Instruments в 1977 году. Предшественником этой микросхемы был TL430, выпущенный как регулируемый шунтирующий стабилизатор в 1976. TL431 был создан в том же 1976 как обновление для TL430 с улучшенной точностью и стабильностью, и поэтому был назван как регулируемый прецизионный шунтирующий стабилизатор. В 1977 его анонсировали как один из будущих продуктов TI, а выпустили в продажу уже в 1978. Другим анонсом являлся TL432, который должен был бы называться «Компоновочный блок из таймера/стабилизатора/компаратора» и состоять из источника опорного напряжения, компаратора и транзисторного усилителя, согласно предварительному даташиту. Но на момент выпуска TL432, план по предоставлению «компоновочных блоков» был забыт. TL432 превратился в аналог TL431 с другими расположением контактов для более удобной разводки плат (даташит). 3. Современные ATX блоки питания (пример раз, пример два) зачастую содержат по три TL431. Один для обратной связи при резервном питании, второй для обратной связи в основной схеме питания, а третий берётся в качестве линейного регулятора для 3.3В выходного напряжения. 4. Интересно взглянуть на импульсные БП, которые не используют TL431. Более ранние модели использовали опорный стабилитрон в качестве источника опорного напряжения. Например, такое практиковалось в первых экземплярах блоков питания для Apple II (Astec AA11040), но вскорости в них сделали замену стабилитрона на TL431 — Astec AA11040, ревизия B. В Commodore CBM-II, модель B, применялось необычное решение — TL430 вместо TL431. Оригинальный блок питания для IBM PC использовал опорный стабилитрон (вместе с кучей операционных усилителей). Позднее БП для PC часто использовали ШИМ-контроллер TL494, который уже содержал источник опорного напряжения для вторичной цепи. Другие БП могли содержать SG6105, уже включающий в себя два TL431. В зарядных устройствах для телефонов обычно применяют TL431. Редко можно встретить дешёвую подделку этого элемента: проще взять опорный стабилитрон вместо него и сэкономить пару центов. Другим исключением могут являться такие зарядные устройства, как для iPad’a. В них реализована стабилизация в первичной цепи и не требуется совсем никакой обратной связи от выходного напряжения. В своей статье про блоки питания я описал это подробнее. 5. TL431 доступен в большем числе вариантов корпуса чем я думал. На двух фотографиях TL431 выполнен в «транзисторном» корпусе с тремя ножками (TO-92). На остальных фотографиях показан SMD-вариант в SOT23-3. TL431 также может быть в 4-контактном, 5-контактном, 6-контактном и 8-контактном SMD-корпусе (SOT-89, SOT23-5, SOT323-6, SO-8 или MSOP-8). Кроме того, его можно встретить в более крупном варианте TO-252 или даже в виде 8-контактного микросхемы (DIP-8). (картинки). 6. Более детальную информацию о том, как устроен в кремнии биполярный транзистор, можно найти много где. Semiconductor Technology даёт неплохой обзор об устройстве n-p-n транзистора. Презентация Basic Integrated Circuit Processing очень детально описывает производство микросхем. Даже схемы с очень интересны. 7. Возможно, вы гадаете, почему это идёт терминологическое разделение на коллектор и эмиттер, если в нашей простой схеме транзистора они абсолютно симметричны? Ведь оба подключаются к N-слою, чему там различаться? Но как можете видеть на фото кристалла, коллектор и эмиттер не только сильно отличаются по размеру, но и легирование проходит по-разному. Если поменять коллектор и эмиттер местами, по у транзистора будет очень слабый коэффициент передачи. 8. p-n-p транзисторы в TL431 имеют круговую структуру, которая их очень сильно отличает от n-p-n. Эта круговая структура проиллюстрирована в книге Designing Analog Chips от Hans Camenzind, автора таймера 555. Если вы хотите узнать больше о том, как работают аналоговые микросхемы, то я рекомендую эту книгу, в которой детально разъясняется этот вопрос с минимумом математики. Бесплатный PDF или бумажная версия. Кроме того, о структуре p-n-p транзисторов можно почитать в «Principles of Semiconductor». А книга «Analysis and Design of Analog Integrated Circuits» рассказывает о детальных моделях биполярных транзисторов и о том, как они имплементируются в микросхемах. 9. Транзисторы и резисторы на кристалле, который я исследовал, имеют совершенно другие характеристики по сравнению с теми, что публиковались ранее. Эти характеристики фундаментально задают работу стабилитрона с напряжением запрещённой зоны. Конкретно говоря, на предыдущих схемах R2 и R3 были в отношении 1 к 3, а у Q5 зона эмиттера была в два раза больше чем у Q4. Глядя на фото кристалла, я вижу что R2 и R3 имеют одинаковое сопротивление, а Q5 имеет зону эмиттера в 8 раз большую по сравнению с Q4. Исходя из таких отношений между характеристиками, мы получим другое ΔVbe. Для того чтобы компенсировать разницу между фактическими характеристиками и вычисленными, в прошлых схемах R1 и R4 так же были сделаны иными чем на кристалле. Я разъясню этот момент более подробно дальше в статье, но просто отмечу: Vref = 2*Vbe + (2*R1+R2)/R4 * ΔVbe должно быть около 2.5 вольт. Обратите внимание, важно не конкретное сопротивление резисторов, а именно их отношения. Как я писал ранее, это помогает нейтрализовать плохой допуск резисторов в микросхеме. На кристалле Q8 сформирован из двух параллельных транзисторов. Но я не могу понять, что стоит за этим странным решением. Я ожидал, что Q8 и Q9 будут идентичны, чтобы построить сбалансированный компаратор. Моя основная теория заключается в том, что это сделано для настройки опорного напряжения, чтобы оно достигало 2.5В. B. Engl предположил, что это могло помогать устройству лучше работать при низком напряжении. 10. Я не буду здесь углубляться в детали реализации стабилитрона с напряжением запрещённой зоны, разве упомяну что пусть его название и звучит как имя какого-то безумного квантового устройства, но, на самом деле, это просто пара транзисторов. Чтобы разобраться в том, как работает данный стабилитрон, можете поглядеть статью «How to make a bandgap voltage reference in one easy lesson» за авторством Paul Brokaw, изобретателя одноименного стабилитрона опорного напряжения. Кроме того есть еще такая презентация. 11. В известном смысле, цепь бандгапа в TL431 работает в противоположном направлении, по сравнению с обычным бандгапом, который подводит к эмиттеру правильные напряжения, чтобы получить на выходе необходимое значение. TL431 же берёт опорное напряжение в качестве входного, а эмиттеры использует как входные сигналы для компаратора. Другими словами, в противоположность блок-схеме, внутри TL431 входной «ref» сигнал не сравнивается ни с каким стабильным опорным напряжением. Вместо этого, вход «ref» генерирует два сигнала для компаратара, которые совпадают если входное напряжение 2.5 вольта. 12. Существует много статей о TL431, но они все с уклоном в матан и ожидают от читателя каких-либо начальных знаний по теории автоматического управления, графикам Боде, и так далее. «The TL431 in Switch-Mode Power Supplies loops» — классическая статья от Christophe Basso и Petr Kadanka. Она объясняет работу TL431 в цепи компенсации обратной связи в действующих блоках питания. Книжка содержит детальные чертежи и описания внутреннего устройства элемента. Еще есть интересные статьи на powerelectronics.com. В статье «Designing with the TL431» от Ray Ridley, для Switching Power Magazine, содержится подробное объяснение того, как использовать TL431 в цепях обратной связи для БП и так же объясняется работа компенсатора. Можно обратить внимание на презентацию «The TL431 in the Control of Switching Power Supplies» от ON Semiconductor. Конечно же, даташит тоже содержит чертежи внутреннего устройства микросхемы. Странно, но сопротивления на этих чертежах отличаются от тех, что я получил, исследуя фото кристалла.

Как проверить мультиметром

TL431 нельзя проверить с помощью мультиметра, так как это не простой стабилитрон, а интегральная микросхема. Сопротивления между его выводами у разных производителей отличаются. Поэтому, для того чтобы убедится в её исправности обычно собирают простейшие схемы проверки.

Для проверки в схеме изображенной на рисунке слева, на вход подается 12 В. Если устройство исправно, то на выходе должно появится напряжение 4.9-5.0 В, а при замыкании кнопки S1 – 2.5 В. Мультиметр, в данном случае, нужен для измерения результатов тестирования.

TL431 можно также проверить в другой тестовой схеме со светодиодом (рисунок справа). При изменении сопротивления R2 потенциометра, на управляющем электроде появится 2.5 В. Диод должен скачкообразно перейти в светящееся состояние. Это будет означать то, что устройство исправно. Данный принцип работы можно использовать для создания индикатора разряда аккумулятора.

Устройство электронного элемента

Микросхема обладает простой конструкцией, состоящей из следующих элементов: корпуса, операционного усилителя (ОУ), выходного tl431 транзистора, а также источника опорного напряжения. Особенностью этой микросхемы является то, что она выполняет функции стабилитрона.

Источник опорного напряжения на 2.5 вольта, обладающий высокой стабильностью, подключается к инверсному входу ОУ (-), эмиттеру транзистора и землёй с помощью двух общих точек в цепь опорного напорного также включён кремниевый диод. Он предназначен для предотвращения создания обратного тока и защищает от переполюсовки. Прямой вход ® предназначен для приёма сигнала с других плат, а также питания усилителя. Он подключается через диод к коллектору транзистора также через общую точку. Выход ОУ подключён к базе транзистора.

Следует помнить, что транзистор, используемый в микросхемах данной серии, способен выдержать нагрузки до 0.1 А и 36 В.

Производители

Из-за своих хороших параметров, надежности и дешевизны, TL431 используется в различных технических решениях. Поэтому её производством занимаются многие зарубежных компаний. Существует даже полностью переведенный datasheet tl431 на русском от Texas Instruments (TI). А вот ссылки на некоторые даташит устройств продающихся в РФ: , ON Semiconductor, STMicroelectronics, Nexperia, HTC Korea, NXP Semiconductors. Есть еще изготовители этих изделий, но их трудно найти в российских магазинах. К ним относятся: Unisonic Technologies, Motorola, Fairchild Semiconductor, Diodes Incorporated, HIKE Electronics, Calogic, Sangdest Microelectronic (Nanjing), SeCoS Halbleitertechnologie GmbH, Hotchip Technology, Foshan Blue Rocket Electronics и др.