Схемы и принципы работы стабилизатора TL431

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.

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 (V_KA), по отношению к выводу анода до 37 В;
• возможные значения токов: для непрерывного катодного на выходе (I_KA) 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) P_D: 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 (T_J): рабочая: 0…+70 ^ОС; -40 … +125^ОС (для некоторых автомобильных версий); максимальная (T_Jmax) до +150^ОС;
• тепловое сопротивление корпуса R_θJC: 97^ОС/Вт (D); 156 ^ОС/Вт (LP); 28 ^ОС/Вт (KTP); 127^ОС/Вт (P); 52^ОС/Вт (PK); 149^ОС/Вт (PW);
• температура хранения: -65… +150 ^ОС.

Максимальную рассеиваемую мощность можно рассчитать по стандартной формуле P_D= (T_Jmax-T_A)/ R_θJC. В ней Т_А – это температура окружающей среды.

Рекомендуемые параметры эксплуатации

В рабочих условиях рекомендуемыми значениями использования TL413 являются: входное опорное напряжение (V_REF) не более 36 В; катодный ток (I_KA) должен быть в диапазоне от 1 до 100 мА; соблюдение температурных режимов использования. Стоит учитывать, что при I_KA <5 мА данная микросхема может функционировать нестабильно. Ниже представлены электрические параметры устройства, замеренные при температуре Т_А= 25°C.

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 (V_ref). 

Если его значение будет больше 2.5 В, то стабилитрон почти сразу откроется и начнет пропускать через себя ток (I_KA), которым можно запитать соответствующую нагрузку. Его значение будет расти вместе с повышением уровня V_{in .} I_KA можно определить по формуле I_KA = (V_in— V_ref)/R_. При этом, выходное напряжение схемы будет стабилизировано на уровне опорного (V_КА = V_ref), не превышающего 2.5 В и независимо от подаваемого на входе V_in.

Максимальное значение I_KA 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(V_IN) и выходном (V_КА) напряжениях, а также токах: стабилизации (I_KA) и нагрузки (I_L). Имея эти данные можно рассчитать значения других электронных компонентов, представленных на рисунке ниже.

Выходное напряжение и номиналы сопротивлений связаны между собой следующей формулой V_КА= V_{ref *}(1 + R₁/R₂)+ I_{ref *}R₁. Где V_ref = 2495 мВ и I_ref = 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 (I_ref = 2 мкА), которым часто пренебрегают для расчетов схем стабилизации на TL431. Поэтому для вычисления значения R2, без учета I_ref, можно использовать следующую формулу R2=R1/((V_КА/V_ref)-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 (I_IN), рассчитывают по формуле R=(V_IN-V_КА)/ I_IN. Здесь I_IN = I_KA+ I_L.

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.

Аналоги TL431

Существует отечественная микросхема, похожая по своим параметрам на рассматриваемую. Это российский линейный стабилизатор КР142ЕН19. Наиболее полными аналогами TL431 является: IR943N, TL432, LM431. К устройствам с похожей цоколевкой, но немного другими электрическими параметрами можно отнести: HA17431A, KIA431. В качестве замены также можно попробовать использовать APL1431.

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.

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: TI, 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.