Меню

Tl431 расчет стабилизатора напряжения

Введение

Понадобился мне тут недорогой источник опорного напряжения. Полистав каталоги, я остановил свой выбор на микросхеме TL431 за 20 рублей. Сейчас расскажу, что это за букашка и как ее использовать.

TL431

TL431 — это так называемый программируемый стабилитрон. Применяется в качестве источника опорного напряжения и источника питания для малопотребляющих схем. Выпускается несколькими производителями и в разных корпусах, мне досталась от Texas Instruments в корпусе SOT23.

— выходное напряжение от 2.5 до 36 В
— рабочий ток от 1 до 100 мА
— выходное сопротивление 0.2 Ом
— точность 0.5%, 1% и 2%

Имеет три вывода. Два как у стандартного стабилитрона — анод и катод. И вывод опорного напряжения, который подключается к катоду или средней точке делителя напряжения. На зарубежных схемах обозначается так:

Минимальная схема включения требует один резистор и позволяет получать опорное напряжение 2.5 В.

Резистор в этой схеме рассчитывается по следующей формуле:

где Ist — ток TL431, а Il — ток нагрузки. Входной ток опорного вывода не учитывается, так как он

В полной схеме включения к TL431 добавляются еще два резистора, но в этом случае можно получить произвольное выходное напряжение.

Номиналы резисторов делителя напряжения и выходное напряжение TL431 связаны следующим соотношением:

,где Uref = 2.5 В, Iref = 2 мкА. Это типовые значения и они имеют определенный разброс (смотрите даташит).

Если задаться значением одного из резисторов и выходным напряжением, то можно рассчитать значение второго резистора.

А зная выходное напряжение и входной ток, можно рассчитать номинал резистора R1:

,где Iin — входной ток схемы, который складывается из рабочего тока TL431, тока делителя напряжения и тока нагрузки.

Если TL431 используется для получения опорного напряжения, то резисторы R2 и R3 нужно брать с точностью 1% из ряда E96.

Расчет стабилизатора напряжения на TL431

Входное напряжение Uin = 9 В
Требуемое выходное напряжение Uout = 5 В
Ток нагрузки Il = 10 мА

Ist = 1..100 мА
Iref = 2 мкА
Uref = 2.495 В

Задаемся значением резистора R2. Максимальное значение этого резистора ограничено током Iref = 2 мкА. Если брать номинал резистора R2 равным единицам/десяткам кОм, то это подойдет. Пусть R2 = 10 кОм.

Так как TL431 используется в качестве источника питания, высокая точность здесь не нужна и членом Iref*R2 можно пренебречь.

Округленное значение R3 будет равно 10 кОм.

Чтобы рассчитать R1 нужно прикинуть входной ток схемы. Он складывается из тока TL431, тока нагрузки и тока делителя напряжения.

Ток делителя напряжения равен Uout/(R1+R2) = 5/20000 = 250 мкА.

Ток TL431 может быть от 1 до 100 мА. Если взять ток Ist > 2 мА, то током делителя можно пренебречь.

Тогда входной ток будет равен Iin = Ist + Il = 2 + 10 = 12 мА.

А номинал R1 = (Uin — Uout)/Iin = (9 — 5)/0.012 = 333 Ом. Округляем до 300.

Мощнность, рассеиваемая на резисторе R1, равна (9 — 5)*0.012 = 0.05 Вт. На остальных резисторах она будет еще меньше.

R1 = 300 Ом
R2 = 10 кОм
R3 = 10 кОм

Примерно так, без учета нюансов.

Емкость нагрузки

Если будете использовать TL431 и повесите на выходе конденсатор, то микросхема может «загудеть». Вместо уменьшения выходного шума, на катоде появится периодический пилообразный сигнал в несколько милливольт.

Емкость нагрузки, при которой TL431 ведет себя стабильно, зависит от тока катода и выходного напряжения. Возможные значения емкости показаны на картинке из даташита. Стабильные области — это те, что за пределами графиков.

Источник

Что за микросхема TL431? Часть 2 (стабилизаторы напряжения)

В начале хотел написать короткую статью про типовые включения и коротенько затронуть тему нестандартного применения. Но по тому, какой интерес вызвала статья с кратким обзором по этой микросхеме. Я решил не много подробнее поговорить о ней. И разобраться как же можно ее применять.

И так вспоминаем структуру микросхемы.

Как видим в ее состав входит операционный усилитель (конечно это все условно, но структурная схема именно так показывает). И для тех, кто знаком с тем, что такое операционный усилитель. Станет понятно, что в таком виде, он представляет из себя операционный усилитель, которые сравнивает входное напряжение с опорным.

На деле конечно все сложнее, но для применения в данном виде микросхемы, нам будет достаточно, а кто хочет более подробно узнать, как она устроена и вообще, какие схемы скрыты за значками структурной схемы предлагаю, например прочитать статью на Википедии. А также на хабре есть хороший перевод с фотографиями про внутреннее устройство микросхемы. Для тех, кто начинает будет очень интересно и познавательно особенно про схемотехнические решения типа бандгап Видлара.

Читайте также:  Напряжения в продольной точке сечения

Но я не много оторвался от темы практического применения данной микросхемы и первое можно сказать классическое применение ее заключается в том, чтоб использовать ее, как универсальный стабилитрон

В самом простом виде это стабилитрон на 2,5В. Для этого достаточно охватить ее положительной обратной связью напрямую замкнув катод с ножкой REF . Схема представлена ниже:

В этой схеме для того, чтобы рассчитать резистор R 1 необходимо знать, ток идущий через нагрузку RL и ток идущий через TL 431.

А ток проходящий через TL 431:

Причем выбирать ток через стабилизатор необходимо из промежутка от 1ма-100ма. И не забывать, что данный ток ограничен не только способностью TL 431 пропускать ток, но и ее мощностью. Токи ниже 1ма приведут к тому, что микросхема начнет самовозбуждаться.

И это связано с тем, что у подобных схем включения операционный усилитель охвачен положительной обратной связью.

Эффект вероятен и зависит от напряжения и тока, прикладываемого к микросхеме, а также зависит от емкости нагрузки. То есть при определённых условиях, если на выход данного стабилизатора поставить параллельно конденсатор допустим емкость 0,1мкф, то можно получить самовозбуждение. По сути, надо избегать емкости нагрузки в диапазоне от 1000пФ до 10мкФ.

Эта схема то, для чего ее разрабатывали. По сути, это не дорогая замена любого стабилитрона на напряжение от 2,5В до 36В. Эх в школьные годы знал бы я про это сколько бы схем собрал для пробы. Так как у меня запасов разных стабилитронов не было, да и глубоких знаний не было, впрочем, как и сейчас.

Схема как она подключается в таком включении:

RL это вроде как нагрузка, как и прошлой схеме.

А выходное напряжение определяется по следующей формуле:

Uref =2,5В, Iref =2мка данные берутся из документации на микросхему.

То есть для схемы, показанной выше Uout =2,5*(1+10000/10000)+ 0.000002*10000=5,02В

Ну и если взять за данное какое то значение резистора, например R 2 и выбрав необходимое выходное напряжение можно узнать, значение второго резистора R 1.

А вот чтоб вычислить выходной ток нужно, то есть рассчитать сопротивление RB нужно:

RB =(Uin -Uout )/Iin , где выходной ток это сумма тока делителя напряжения и тока нагрузки.

Как мы видим, данную микросхему очень хорошо использовать, если у вас под рукой нет стабилитрона на необходимое напряжение. Так что это одно из лучших схем применения.

Для увеличения тока в данном включении можно добавить транзистор, как показано на схеме ниже:

Для расчета выходного напряжения надо, как и в схеме выше задать один из резисторов, например R 2 и рассчитать выходное напряжение Uout =(1+R 1/R 2)*Uref .

Так же ее можно использовать в схема компенсационных стабилизаторов. Подключив ее к транзистору, который включен в виде токового повторителя.

Схема классическая, хоть и считается устаревшей из-за низкого КПД стабилизатора. Сейчас в действительности распространены импульсные стабилизаторы. Но простота ее сборки нравиться новичкам для первых источников питания. Конечно, не сравниться со всякими LM 317 и фиксированными стабилизаторами.

Очень хорошо подходит данная схем для изучения работы транзисторов и стабилитронов, так же принципов стабилизации.

И так схема компенсационного стабилизатора с последовательно включенным регулирующим элементом:

Схема приведена для справки. Номиналы элементов взяты от балды. Сразу предостерегаю от повторения данной схемы, это больше структурная схема для понимания принципа работы стабилизатора.

Для того чтобы данная схема обеспечивала больший ток необходимо использовать составной транзистор (транзистор Дарлингтона). Как показано на схеме ниже:

В данной схеме Uout =(1+R 2/R 5)*Uref . Транзисторы Q 2 мощный на необходимый ток, например КТ819. А Q 1 любой маломощный, например C 3198.

Так же эту схему мощно превратить в регулируемый источник питания заменив R 2 на переменный резистор.

Так же если сравнить данную схему с предыдущей структурной, то можно обратить внимание, что транзистор Q 1 заменен на составной Q 1, Q 2 и добавлены необходимые элементы.

PS. Материала оказалось очень много поэтому будет еще и третья часть, в которой я опишу остальные схемы.

В видео я не вижу смысла показывать, как работают эти схемы. Хотя возможно покажу саму простую. Интереснее будет попробовать ее заставить самовозбуждаться.

Поэтому тематика следующего видео будет про то, что я попробую ее завести, как старый драндулет 🙂

Источник

TL431: стабилизатор напряжения, тока и усилитель ошибки

Пришло время попсового контента 🙂

Думаю, многие видели или даже использовали микросхему TL431.

Этот параллельный стабилизатор напряжения / программируемый стабилитрон / источник опорного напряжения (ох, как только его не классифицируют) весьма популярен и находит много применений как в самоделках, так и в промышленно выпускаемых устройствах.

Имеет множество аналогов разных производителей: LM431, AS431, KA431 и т.д. и т.п. Существует и отечественный — КР142ЕН19А.

Читайте также:  Указатель напряжения 50 1000в пин90м световая индикация фазировка

Основные характеристики

  • Диапазон входных напряжений 2,5. 36 В
  • Ток катода 1. 100 мА
  • Минимальный ток стабилизации 0,4. 1 мА
  • Точность опорного напряжения 2 / 1 / 0,5% (для версии без буквы в названии / с буквой A / с буквой B)

Для лучшего понимания схем рассмотрим принцип работы TL431 :

«Английское» название данного регулятора ( shunt regulator , шунтирующий) весьма хорошо описывает, как работает TL431:

Когда напряжение на входе REF превышает опорное 2,495 В, транзистор открывается, шунтируя нагрузку. Точно так же работают и обычные стабилитроны.

И, также как и стабилитрону, TL431 нужен резистор, задающий ток стабилизации. Считается он так:

Ну, и наконец, схемы с участием TL431.

Стабилизатор / ИОН с задаваемым напряжением

В простейшем случае напряжение напрямую сравнивается с опорным и на выходе будет опорное напряжение 2,495 В.

Выставить нужное выходное напряжение можно с помощью резистивного делителя напряжения:

Выходное напряжение равно:

Ток, втекающий в REF, можно не учитывать, если брать не очень большие сопротивления резисторов делителя (производитель советует, чтобы их сопротивление было около порядка 10 кОм). Тогда можно задаться одним из резисторов и посчитать другой:

В моем примере взят R2 = 2,37 кОм, R1 по расчету 6,179 кОм, если брать из ряда Е48 — то 6,19 кОм рядом стоит 🙂

Подбирать резисторы надо весьма точно.

В отличие от обычных стабилитронов, TL431 не очень любит емкостные нагрузки и может самовозбудиться и колебаться.

При желании можно сделать один из резисторов переменным, и регулировать напряжение на выходе стабилизатора.

Встречаются схемы, где вместо R1 устанавливается терморезистор, и при повышении температуры TL431 включает транзистор, который включает вентилятор.

Тока 100 мА может быть недостаточно, поэтому используется:

Схема регулятора на TL431 с транзистором

Методика расчета та же, только резистор R выбирается такой, чтобы через TL431 шел ток стабилизации не меньше 1 мА.

Можно также использовать и MOSFET или транзистор Дарлингтона для умощнения стабилизатора.

Очень часто можно встретить TL431 в схемах источников дежурного напряжения в блоках питания (например, ATX). Выступает она там как

Усилитель ошибки

Приведу несколько примеров найденных в интернете схем:

Источник

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 (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 О С; -40 … +125 О С (для некоторых автомобильных версий); максимальная (TJmax) до +150 О С;
  • тепловое сопротивление корпуса RθJC: 97 О С/Вт (D); 156 О С/Вт (LP); 28 О С/Вт (KTP); 127 О С/Вт (P); 52 О С/Вт (PK); 149 О С/Вт (PW);
  • температура хранения: -65… +150 О С.

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

Рекомендуемые параметры эксплуатации

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).

Читайте также:  Напряжение аккумулятора автомобиля степень разряженности под нагрузкой

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.

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.

Источник

Adblock
detector