Как работает микросхема TL431, схемы включения, описание характеристик и проверка на работоспособность

При разработке электронных схем часто появляется потребность в маломощном стабилизаторе напряжения или в источнике образцового напряжения. Ряд фиксированных напряжений закрывается нерегулируемыми интегральными стабилизаторами. Регулируемые строят на микросхеме LM317, но у нее имеются определенные врожденные недостатки и зачастую излишний функционал. Во многих случаях проблему решит микросхема TL431, позволяющая получить маломощный источник стабильного напряжения, которое можно регулировать в пределах от 2,5 до 36 В.

Что из себя представляет микросхема TL431

Эту микросхему, разработанную в 70-х годах ХХ века, часто называют «регулируемым стабилитроном», и на схеме обозначают, как стабилитрон с двумя классическими выводами – анодом и катодом. Также имеется третий вывод, о назначении которого позже. На вид микросборка стабилитрон совсем не напоминает. Выпускается, как обычная микросхема, в нескольких вариантах корпуса. Изначально изготавливались варианты только под плату с отверстиями (true hole), с развитием SMD-технологий TL431 стали «упаковывать» и в корпуса для поверхностного монтажа, включая популярные SOT с различным количеством выводов. Минимально необходимое для работы количество ног – 3. Некоторые корпуса содержат большее количество выводов. Излишние ножки либо никуда не подключены, либо задублированы.

Основные характеристики TL431

Основные характеристики, знание которых достаточно для выполнения 90+ процентов задач, возникающих при разработке электронных схем:

• пределы выходного напряжения – 2,5…36 В (это можно отнести к минусам, так как современные регуляторы имеют нижний лимит от 1,5 В);
• наибольший ток – 100 мА (он невелик, сравним со стабилитроном средней мощности, поэтому перегружать микросхему не стоит, защиты у неё нет);
• внутреннее сопротивление (импеданс эквивалентного двухполюсника) – около 0,22 Ом;
• динамическое сопротивление – 0,2…0,5 Ом;
• паспортное значение Uref=2,495 В, точность – в зависимости от серии, от ±0,5% до ±2%;
• рабочий диапазон температур для TL431С – 0…+70 °С, для TL431A – минус 40…+85 °С.

Прочие характеристики, включая графики зависимости параметров от температуры, можно посмотреть в даташите. Но в большинстве случаев они не понадобятся.

Назначение выводов и принцип работы

При анализе внутренней структуры микросхемы становится понятно, что сравнение со стабилитроном довольно условно.

Больше всего строение TL431 напоминает компаратор. На инвертирующий выход подано опорное напряжение Vref, равное 2,5 В. Это напряжение стабилизировано, поэтому выходное также будет стабильным. Неинвертирующий выход выведен наружу. Если поданное на него напряжение не превышает опорного, на выходе компаратора ноль, транзистор закрыт, ток не течёт. Если на прямом входе напряжение превышает 2,5 В, то на выходе дифференциального усилителя появляется положительный уровень, транзистор открывается, через него начинает течь ток. Этот ток ограничивается внешним сопротивлением. Такое поведение напоминает лавинный пробой стабилитрона при приложении к нему обратного напряжения. Диод предназначен для защиты от обратного включения микросхемы.

Важно! Вывод опорного напряжения нельзя оставлять никуда неподключенным, он требует тока минимум 4 мкА.

Фактически и эта схема условна – она пригодна только для объяснения характера работы. Реально всё реализовано по другим принципам. Так, внутри схемы нельзя найти точку с опорным напряжением 2,5 В.

Примеры схем включения

Один из вариантов схемы включения TL431 – обычный компаратор. На нём можно построить какие-нибудь пороговые реле – например, реле уровня, реле освещения и т.д. Только источник опорного напряжения у неё встроенный и регулировке не подлежит, поэтому регулируют ток и падение напряжения через датчик.

Как только на датчике упадет 2,5 В, выходной транзистор микросхемы откроется, через светодиод пойдет ток и он загорится. Вместо LED можно использовать маломощное реле или транзисторный ключ, коммутирующий нагрузку. Резистором R1 можно подстроить уровень срабатывания компаратора. R2 служит балластом и ограничивает ток через светодиод.

Но подобное включение не дает возможности использовать все возможности TL431 – компаратор можно построить на любой другой микросхеме, более подходящей для таких реле. Эта же сборка разработана для других целей.

Самая простая схема включения TL431 в режиме параллельного стабилизатора – источника опорного напряжения 2,5 В. Для этого нужен лишь балластный резистор, который ограничит ток через выходной транзистор.

Важно! В отличие от классической схемы включения стабилитрона, не стоит параллельно выходу устанавливать конденсатор. Это может привести к возникновению паразитных колебаний. В целом он и не нужен, так как разработчики приняли меры по снижению шумов на выходе. Но из-за этого микросхему нельзя использовать в качестве основы для генератора шума, как обычный стабилитрон.

Более полно возможности микросхемы используются в схеме с обратной связью, образованной резисторами R1 и R2.

При подаче питания напряжение на выходе возрастает и стабилизируется в течение нескольких микросекунд (скорость нарастания не нормируется). Uстаб задается делителем, его можно вычислить по формуле Uстаб=2,495*(1+R2/R1). При расчетах надо иметь в виду, что внутреннее сопротивление при таком включении возрастает в (1+R2/R1) раз.

Можно увеличить нагрузочную способность стабилизатора классическим способом, включением дополнительного биполярного транзистора.

Важно! Транзистор обязательно включается в цепь петли обратной связи.

Такое включение преобразует схему в параллельный стабилизатор, требующий превышения входного напряжения над выходным. Его КПД не может превышать отношения Uвых/Uвх. Это ухудшает параметры стабилизатора, поэтому лучше применить полевой транзистор, на нём падение напряжения меньше.

Здесь КПД выше за счёт меньшей потребной разницы между входным и выходным напряжением, но понадобится дополнительный источник питания для затвора транзистора – его напряжение должно превышать Uвх.

На TL431 можно собрать стабилизатор тока.

Ток в цепи коллектора транзистора будет равен Iстаб=Vref/R1.

Если эту же схему включить в виде двухполюсника, то получится ограничитель тока.

Ток будет ограничиваться на уровне Io=Vref/R1+Ika. Номинал балластного резистора надо выбирать из условий Rб=Uвх(Io/hfe+Ika), где hfe – коэффициент усиления транзистора. Его можно замерить мультиметром, имеющим такую функцию.

Радиолюбители используют микросхемы и в нестандартных включениях. TL431 имеет склонность к самовозбуждению, что является недостатком. Но это дает возможность её использования в качестве генераторов, управляемых напряжением. Для этого на выход устанавливают конденсатор.

Какие существуют аналоги

Микросхема имеет высокую популярность в мире профессионалов и любителей электроники. Поэтому её выпускают многие изготовители. Всемирно известные фирмы Texas Instruments (как разработчик), Motorola, Fairchild Semiconductor и другие производят микросхему под оригинальным названием. Нельзя не упомянуть выпускавшийся ранее стабилизатор TL430, с Vref=2,75 В и увеличенным в полтора раза максимальным рабочим током. Но эта микросхема была менее востребована, и до начала эпохи SMD-монтажа не дожила.

Другие производители выпускают регулятор напряжения с другими буквенными индексами, но обязательно имеющими в своих названиях цифры 431 (в противном случае потребитель просто не обратит внимания на неизвестную микросхему). На рынке присутствуют:

• KA431AZ;
• KIA431;
• HA17431VP;
• IR9431N

и другие микросхемы, сходные по функционалу. Но изделия малоизвестных и неизвестных производителей не гарантируют соответствие параметров.

Существует отечественный аналог – КР142ЕН19А, выпускается в корпусе КТ-26 (похож на транзистор малой мощности). Полностью аналогичен оригинальной микросхеме, но некоторые характеристики немного отличаются. Так, внутреннее сопротивление нормируется в пределах <0,5 Ом.

Заслуживает упоминания и ШИМ-контроллер SG6105. Он содержит два внутренних стабилизатора, абсолютно идентичных TL431. Они имеют отдельные выводы и их можно использовать в качестве источников образцового напряжения.

Как проверить работоспособность микросхемы TL431

Микросхема имеет достаточно сложную внутреннюю структуру, поэтому проверить её одним тестером нельзя. В любом случае придется собирать какую-то схему. Если есть регулируемый источник питания, то потребуется три резистора и светодиод.

Напряжение источника питания должно быть не более 36 В. R1 выбирается так, чтобы при максимальном напряжении ток через светодиод не превысил 10-15 мА. Соотношение R1 и R3 должно быть таким, чтобы при максимальном напряжении источника на R3 падало более 2,5 В, а лучше – больше 3. При повышении выходного напряжения от 0 В до достижения на R3 порога светодиод вспыхнет, а значит микросхема исправна. Светодиод можно не устанавливать, а просто замерить напряжение на катоде – оно должно скачкообразно измениться.

Если регулируемого источника нет, а есть блок питания с постоянным напряжением, придется вместо R3 применить потенциометр. При вращении движка в обе стороны, светодиод должен загораться и гаснуть.

Рынок электронных компонентов предлагает очень широкий спектр интегральных стабилизаторов напряжения. Но и область применения очень обширна, поэтому свою нишу на рынке имеют многие типы микросхем. Включая TL431.

Описание характеристик, назначение выводов и примеры схем включения линейного стабилизатора напряжения LM317

Режимы работы, описание характеристик и назначение выводов микросхемы NE555

Как выбрать стабилизатор напряжения для газового котла отопления в сети 220 В

Что такое компаратор напряжения и для чего он нужен

Принцип работы и основные характеристики стабилитрона

Реле времени: типы, применение, принцип работы