Как работает микросхема TL431: применение и схема подключения

При построении электронных схем часто возникает потребность в построении источников образцового напряжения (ИОН). До относительно недавнего времени в этом качестве использовались полупроводниковые стабилитроны и стабисторы, еще раньше – стабиловольты. На сегодняшний день развитие электронной техники позволяет применить ИОН более высокого функционального уровня, и таким устройством служит TL431.

Назначение микросхемы

Микросхема предназначена для получения стабильного (не зависящего от входного напряжения и тока нагрузки) напряжения в заданных производителем пределах. Это напряжение можно использовать для питания нагрузки непосредственно, для работы в составе более сложных стабилизаторов, для задания пороговых уровней в различных узлах и т.д.

Технические характеристики TL431

К основным техническим характеристикам микросхемы TL431 относят:

  1. Выходное напряжение – 2,5..36 вольт. Этот параметр не очень впечатляющ – иногда нужно меньшее напряжение. Некоторые стабилизаторы имеют возможность установки выходного уровня от 1,5 вольт.
  2. Наибольший ток в цепи катод-анод – 100 мА. Эту характеристику можно сравнить с током стабилитрона небольшой мощности, поэтому возможности микросхемы в режиме параллельного стабилизатора невелики.
  3. Динамическое сопротивление – 0,2..0,5 Ом.
  4. Точное значение Uref=2,495 В. Этот параметр выдерживается с точностью в пределах 2%.

Прочие характеристики, включая рабочий диапазон температур, можно найти в даташитах.

Принцип работы TL431

Хотя микросхему называют «программируемым стабилитроном», она похожа на стабилитрон только функционально. На схеме, как у обычного стабилитрона, у TL431 два вывода обозначаются, как катод и анод, а также есть третий вывод – управляющий электрод (reference) Для анализа работы схем и некоторых применений этого достаточно.

Как работает микросхема TL431: применение и схема подключения
Два представления микросхемы

На самом деле лучше представить микросхему в виде компаратора. В этом случае имеется устройство сравнения, которое сравнивает напряжение на управляющем электроде с опорным напряжением (Vref=2,5 В). Пока разница отрицательна, на выходе компаратора ноль, и выходной транзистор закрыт. Как только уровень на входе reference возрастет до 2,5 вольта, компаратор переключается, выходной транзистор открывается, через него начинает течь ток по направлению от катода к аноду.

Эта схема дает более полное понимание работы прибора, но и она достаточно абстрактна. На самом деле все работает по другому принципу, разобраться в котором можно, изучив принципиальную схему прибора.

Как работает микросхема TL431: применение и схема подключения
Внутренняя принципиальная схема TL431

Типичные схемы подключения

Типовые варианты схем включения TL431 приведены в даташите на прибор. Самое очевидное применение – параметрический стабилизатор напряжения (подобно обычному стабилитрону). Схема включения легко узнаваема, но, в отличие от классики, имеет еще два резистора R1 и R2. Они образуют делитель напряжения с их помощью устанавливается выходной уровень стабилизатора.

Мнение эксперта
Становой Алексей
Инженер-электроник. Работаю в мастерской по ремонту бытовых приборов. Увлекаюсь схемотехникой.
Задать вопрос
Несмотря на то, что производитель указал на схеме сглаживающий конденсатор (параллельно нагрузке) его устанавливать не рекомендуется. Схема становится менее устойчивой в работе. К тому же, в отличие от классического стабилитрона, TL431 шумит намного меньше, и этот конденсатор не нужен, что с одной стороны плюс. С другой стороны, по этой причине микросхему нельзя использовать в качестве генератора шума (а стабилитрон можно).
Как работает микросхема TL431: применение и схема подключения
Два варианта схемы параметрического стабилизатора

Если нужен стабилизатор с выходным напряжением 2,5 вольт, резистивный делитель можно не устанавливать (схема справа). Вывод reference оставлять неподключенным нельзя. Для нормальной работы в него должен втекать ток (около 4 мкА).

Сравнение с аналогами

Аналогов у TL431 немного. Распространены две микросхемы, имеющие функционал параллельного стабилизатора:

  • NCP100;
  • LMV431.

Оба изделия функционально аналогичны, но отличаются электрическими характеристиками – диапазонами стабилизации напряжения и минимально возможными токами катод-анод.

ТипСтабилизируемые напряжения, ВТок А-К
NCP1000,9..6100 мкА
LMV4311,24..3080 мкА

Прочие микросхемы, выполняющие функции «программируемых стабилитронов», являются разновидностями TL431.

Существует и отечественный аналог – микросхема КР142ЕН19А. Он незначительно отличается электрическими параметрами.

Разновидности TL431

Наряду с основным индексом, микросхема параллельного стабилизатора выпускается и под другими наименованиями:

  • TL432;
  • NCV431A;
  • SCV431A.

Эти приборы незначительно отличаются характеристиками. Точнее узнать различия можно, заглянув в даташит.

Большее внимание надо уделить различию в корпусах. Это важно при разработке печатных плат и в других случаях. TL431 выпускается в исполнениях, предназначенных для:

  • «дырочного» монтажа (through hole);
  • поверхностного монтажа (SMD).

К первому варианту, в первую очередь, относится пластиковый кейс TO-92 – самый распространенный корпус (похожий на маленький транзистор). Имеется две модификации:

  1. С прямыми выводами.
  2. С изогнутыми выводами.
Как работает микросхема TL431: применение и схема подключения
Слева корпус TO-92 с прямыми выводами, справа – с изогнутыми

Цоколевка микросхемы TL431 в этом исполнении такова:

  • 1 – вывод опорного напряжения;
  • 2 – анод;
  • 3 — катод.

Оба исполнения полностью аналогичны по функционалу и параметрам, при ремонте можно менять один тип на другой, при необходимости подгибая выводы.

Как работает микросхема TL431: применение и схема подключения
TL431 в корпусе DIP-8

Другое исполнение для «дырочного» монтажа – DIP-8. В этом случае цоколевка такова:

  • катод – вывод 1;
  • опорное напряжение – вывод 8:
  • анод – вывод 6.

Остальные выводы не используются.

Как работает микросхема TL431: применение и схема подключения
Распиновка микросхемы в планарном корпусе

Для монтажа SMD «программируемый стабилитрон» выпускается в исполнении Micro8. Такой кейс миниатюрен и имеет такое же расположение выводов, как и DIP-8.

Как работает микросхема TL431: применение и схема подключения
Микросхема в исполнении Micro8

Более удобен во многих случаях корпус SOIC-8. Он несколько больше, но его внутренняя разводка предполагает дублирование выводов.

Так анод подключен к ножкам 2,3,6 и 7, катод – 1, а управляющий электрод – к выводу 8. Это позволяет иметь большую свободу при разводке печатных плат и снизить потери тока и напряжения.

Как работает микросхема TL431: применение и схема подключения
Корпус SOIC-8 и распиновка

Распространение получили и приборы в корпусах SOT-23, SOT-25 и SOT-83 для поверхностного монтажа. Их достоинство в более рациональной распиновке — неиспользуемые выводы отсутствуют или их наличие сведено к минимуму.

Как работает микросхема TL431: применение и схема подключения
Микросхема TL431 в других исполнениях для поверхностного монтажа

Примеры схем с использованием TL431

Чтобы построить стабилизатор большей мощности, его можно выполнить по последовательной схеме (линейный регулятор). Он похож на классическую схему со стабилитроном, только напряжение можно задавать изменением соотношения плеч делителя. Если вместо верхнего плеча установить потенциометр, можно получить регулируемый стабилизатор.

Как работает микросхема TL431: применение и схема подключения
Схема последовательного стабилизатора напряжения на TL431

Напряжение задающего делителя в этой схеме должно сниматься с выхода стабилизатора (транзистор должен быть включен в цепь обратной связи).

Рассмотренное выше типовое включение микросхемы позволяет создавать на ее базе не только стабилизаторы, но и другие узлы электронной аппаратуры, которые можно использовать в качестве законченных узлов или в виде источников образцового напряжения в других схемах.

Как работает микросхема TL431: применение и схема подключения
Применение микросхемы в качестве компаратора в пороговом реле

Очевидно, что TL431 легко использовать в качестве компаратора, и построить на нем пороговое реле (например, реле освещенности, уровня жидкости, перемещения и т.д.). Это реле может срабатывать при достижении датчиком определенного состояния (сопротивления). Приведенный на схеме пример реле, зажигающего светодиод, иллюстрирует возможность настройки порога срабатывания. Так как Vref менять нельзя, можно менять сопротивление в верхнем плече делителя, изменяя падение напряжения на резисторах R1 и R3.

В даташите предлагается пример схемы монитора напряжений, созданного на основе этого принципа. Светодиод загорается, если входное напряжение становится выше или ниже заданных пределов. Границы срабатывания задаются делителями R1R2 (верхний уровень) и R3R4 (нижний).

Как работает микросхема TL431: применение и схема подключения
Схема монитора напряжений

К сожалению, опыт применения TL431 в качестве компаратора говорит о нечетком срабатывании при медленно изменяющемся напряжении на входе. По этой причине в этом направлении лучше применять другие микросхемы, более приспособленные для такой работы.

Следующий пример из даташита – импульсный стабилизатор постоянного напряжения. Здесь TL431 выполняет функцию порогового элемента – компаратора. В данном случае выполняет хорошо, так как напряжение на управляющем электроде меняется быстро, в соответствии с частотой преобразования, которая зависит от индуктивности дросселя и тока нагрузки. При снижении напряжения на нагрузке ниже заданного, микросхема открывает транзистор, который «подпитывает» потребителя и запасает энергию в дросселе для следующего цикла работы.

Как работает микросхема TL431: применение и схема подключения
Схема импульсного стабилизатора напряжения

Как проверить на работоспособность

Чтобы проверить микросхему на работоспособность, достаточно собрать схему, показанную на рисунке слева. На вход схемы надо подать напряжение 5..7 вольт. Балластный резистор надо подобрать так, чтобы ток катод-анод составлял не менее 1 мА. В итоге надо измерить напряжение на катоде – оно должно составлять 2,5 вольт. Если это так, прибор исправен.

Как работает микросхема TL431: применение и схема подключения
Две схемы проверки работоспособности управляемого стабилитрона

Чтобы окончательно убедиться в работоспособности микросхемы, схему испытательного стенда можно усложнить, и добавить к ней делитель напряжения (на рисунке справа). Изменяя номиналы резисторов, можно проверить соответствие выходного напряжения уровню на управляющем электроде.

Для второй схемы (слева) потребуется подать на вход такое напряжение, чтобы оно превышало предполагаемый выходной уровень.

Вывод: Есть ли перспективы применения

В большинстве случаев рассмотренная микросхема полностью заменяет стабилитрон, имея перед ним несколько преимуществ:

  • меньший шум;
  • возможность выбора напряжения стабилизации;
  • более точная установка уровня образцового напряжения.

К недостаткам можно отнести только более высокую цену (плюс необходимость двух резисторов для делителя), но по абсолютной шкале микросхема стоит недорого, и в общей стоимости комплектующих для устройства в любом случае ее применение существенного влияния не окажет. Поэтому можно ожидать постепенного вытеснения классических стабилитронов (как они, в свое время, вытеснили газоразрядные стабиловольты) из всех областей применения, за исключением, пожалуй, только генераторов шума.

Фото аватара
Становой Алексей

Инженер-электроник. Работаю в мастерской по ремонту бытовых приборов. Увлекаюсь схемотехникой.

Оцените автора
( 2 оценки, среднее 5 из 5 )
Запитка
Добавить комментарий

  1. Валерий

    Какой уровень шума?

    Ответить