TL431: схема, характеристики, datasheet и аналоги. Схемы и принципы работы стабилизатора TL431

Описание

TL431 – datasheet на русском. TL431 представляет собой регулируемый стабилизатор напряжения параллельного типа (интегральный аналог стабилитрона) и предназначен для использования в качестве ИОН и регулируемого стабилитрона с гарантированной термостабильностью по сравнению с применяемым коммерческим температурным диапазоном.

Выходное напряжение может быть установлено на любом уровне от 2,495 V (VREF) до 36 V, для этого применяются два внешних резистора, которые являются делителем напряжения.

Этот стабилизатор имеет широкий диапазон рабочих токов от 1,0 мА до 100 мА с динамическим сопротивлением 0,22 Ом. Активные выходные элементы TL431 обеспечивают резкие характеристики включения, благодаря чему эта микросхема работает лучше обычных стабилитронов во многих схемах.

Погрешность опорного напряжения ± 0,4% (TL431B) позволяет отказаться от использования переменного резистора, что экономит затраты и уменьшает проблемы дрейфа и надежности.

Особенности TL431

• Программируемое выходное напряжение до 36 V
• Точность опорного напряжения: ±0.4%, Typ @ 25°C (TL431B)
• Низкое динамическое выходное сопротивление, 0.22 Ом
• Рабочий ток от 1,0 мА до 100 мА
• Эквивалентный температурный коэффициент 50 ppm/°C
• Термостабильность во всем диапазоне рабочих температур
• Низкий выходной шум
• Без содержания свинца

Цоколевка

Существует пять разновидностей корпусов, в которых выпускается микросхема TL431. Это ТО-92, SOT-23, SOT-25, SOT-89 и SOP-8. Расположение выводов показано на рисунке, представленном ниже:

Схема TL431

Рассмотрим схему, которая находится в официальном datasheet производителя Texas Instruments.

Схема довольно простая. На ней изображен самый обыкновенный операционный усилитель (выглядит, как треугольник на картинке), который подключен к транзистору на выходе.

Как работает TL431?

Здесь все элементарно. Операционному усилителю на вход стоит источник опорного напряжения на 2.5В, который подсоединен ко входу. Контакт под кодовым названием REF и коллектор и эмиттер транзистора связаны с контактами питания усилителя. А безопасность обеспечивает защитный диод, который сохранит и убережет микросхему от переполюсовки.

Чтобы открылся выходной транзистор, нужно на вход REF подать сигнал, вольтаж которого будет чуть больше, чем опорное. Так как достаточно превышения в пару милливольт, то смело можем считать, что подаем вольтаж, который равен опорному. В таком случае, на выходе с ОУ идет напряжение на базу транзистора, и он открывается.

Получается, что эта микросхема — вроде полевого транзистора. Она безостановочно сравнивает входной вольтаж с опорным, и, когда напряжение на входе больше, она открывается.

Специально для особо любознательных в даташите TL431 также имеется изображение детализированной схемы:

Как вы видите, даже на показанной развернутой схеме, устройство TL431 не вызывает чувство страха.

Характеристики TL431

• Максимальное входное напряжение TL431 – 36В
• Диапазон напряжений выхода TL431 – 2.5-36В
• Максимальный выходной ток TL431 – 100мА
• Минимальный ток нагрузки – 1мА
• Опорное напряжение микросхемы – 2.5В
• Погрешность напряжения на выходе – 0.5%, 1%, 2%
• Сопротивление на выходе – 0.2 Ом
• Рабочий температурный диапазон – -40-125°C

Виды TL431

TL431 производится в различных вариациях корпусов. В соответствии с типом монтажа, вы можете подобрать подходящий к вашему проекту. В целях монтажа в отверстия на плате и навесного монтажа: TO-92, а для поверхностного монтажа: SOT-23, SOT-25, SOT-89 и SOP-8.

Для прототипирования и простых самоделок без использования печатных плат наиболее удобным вариантом является TO92, так как ее можно использовать как совместно с breadboard, так и с навесным монтажем.

Назначение и сфера применения

Не существует ни одного в котором бы не было микросхемы TL431 datasheet. Также ее можно встретить практически во всех импульсных маломощных источниках питания, например, в зарядках для мобильных телефонов. Эти микросхемы можно использовать не только по прямому назначению (стабилитрон для блоков питания), но и создавать на их базе различные световые индикаторы и звуковые сигнализаторы. С помощью таких приборов отслеживают множество различных параметров (но основным все-таки является напряжение). Существует множество схем на базе TL431 datasheet, благодаря которым можно собрать устройства, контролирующие уровень жидкости в емкости, влажность и температуру, давление газа или жидкости, освещенность. Перечисленные варианты – не единственно возможные, применение данной микросхемы на самом деле весьма широко, все зависит от желания конструктора.

Очень часто начинающие радиолюбители интересуются, чем можно заменить TL431. Аналог, конечно, существует. Так, можно использовать импортные изделия КА431 и отечественные устройства КР142ЕН19А, К1156ЕР5х.

Стабилизатор тока на TL431

Следующая схема представляет собой термостабильный стабилизатор тока. Резистор R2 является своеобразным шунтом на котором с помощью обратной связи поддерживается напряжения 2,5 В. Таким образом если пренебречь током базы по сравнению с током коллектора, то получим ток на нагрузке Iн=2,5/R2. Если значение подставлять в Омах, то ток будет в Амперах, если подставлять в кило Омах, то ток будет в мили Амперах.

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.

Реле времени

TL431 нашел свое применение не только как источник опорного напряжения, а и во многих других применениях. Например благодаря тому что входной ток TL431 составляет 2-4мкА, то на основе этой микросхемы можно построить реле времени: при размыкании контакта S1 C1 начинает медленно заряжаться через R1, а когда напряжение на входе TL431 достигнет 2,5 В выходной транзистор DA1 откроется и через светодиод оптопары PC817 начнет протекать ток, соответственно откроется и фототранзистор и замкнет внешнюю цепь.
В этой схеме резистор R2 ограничивает ток через оптрон и стабилизатор (например 680 Ом), R3 нужен чтобы предупредить зажигание светодиода от тока собственных нужд TL431 (например 2 кОм).

Простое зарядное устройство для литиевого аккумулятора.

Главное отличие зарядного устройства от блока питания – четкое ограничение зарядного тока. Следующая схема имеет два режима ограничения:

• по току;
• по напряжению;

Пока напряжение на выходе меньше 4,2 В ограничивается выходной ток, при достижении напряжением величины 4,2 В начинает ограничиватся напряжение и ток заряда снижается.
На следующей схеме ограничение тока осуществляют транзисторы VT1, VT2 и резисторы R1-R3. Резистор R1 выполняет функцию шунта, когда напряжение на нем превышает 0,6 В (порог открывания VT1), транзистор VT1 открывается и закрывает транзистор VT2. Из-за этого падает напряжение на базе VT3 он начинает закрываться и следовательно снижается выходное напряжение, а это ведет к снижению выходного тока. Таким образом работает обратная связь по току и его стабилизация. Когда напряжение подбирается к уровню 4,2 В в работу начинает вступать DA1 и ограничивать напряжение на выходе зарядного устройства.

А теперь список номиналов компонентов схемы:

• DA1 – TL431C;
• R1 – 2,2 Ом;
• R2 – 470 Ом;
• R3 – 100 кОм;
• R4 – 15 кОм;
• R5 – 22 кОм;
• R6 – 680 Ом (нужен для подстройки выходного напряжения);
• VT1, VT2 – BC857B;
• VT3 – BCP68-25;
• VT4 – BSS138.

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.

Резистор R3 подбирается таким образом, что бы ток, проходящий через светодиод, не превышал 20мА. Сопротивления R2 и R3 — это балансировочные резисторы, от них будет зависеть, при каком напряжении источника питания загорится светодиод. TL431 откроется лишь тогда, когда напряжение на ее управляющем выводе достигнет 2,5В.

Включенная в такую схему TL431 является отличным индикатором повышения напряжения. Поскольку напряжение источника будет фиксированное — 5В, то управление микросхемой будет производиться с помощью подстроечного резистора R2.

Для наглядного теста, эта схемка реализована на макетной плате, но ее можно смело смонтировать в маленький корпус и получить полезный девайс, если есть необходимость в частой проверки данной микросхемы. В исходном состоянии светодиод не горит, TL431 — закрыта.

Дальше стоит изменять сопротивление подстроечного резистора до тех пор, пока  микросхема не откроется. Светодиод загорается сразу ярко, нет переходного момента или тусклого свечения.

Эту схему также можно смело использовать как индикатор заряда батареи или другого сигнализатора повышения напряжения. На этом этапе проверка TL431 окончена, микросхема функционирует правильно, и можно сказать, что она полностью рабочая.

Как проверить TL431 мультиметром?

Многие, кто первый раз столкнулись с микросхемой TL431, часто называют ее транзистор TL431 и пытаются ее проверять мультиметром. Толку от этой проверки будет ноль, т.к. сопротивление между выводами в разных случаях разное и отличается от детали к детали. Для правильной проверки микросхемы TL431 необходимо ее подключить в очень простенькую схему.

Подведем итоги

Компании “TEXAS INSTRUMENTS” весьма надежна, имеет широкий рабочий диапазон, проста в эксплуатации, а самое главное, имеет доступную цену. Благодаря своим характеристикам, она выпускается более сорока лет и до сих пор остается востребованной.

Интегральный стабилизатор TL431 применяется в основном в блоках питания. Однако, для него можно найти еще немало применений. Некоторые из таких схем приведены в этой статье.

В этой статье будет рассказано о простых и полезных устройствах, выполненных с применением микросхемы TL431 . Но в данном случае не надо пугаться слова «микросхема», у нее всего три вывода, и внешне она похожа на простой маломощный транзистор в корпусе TO90.

Сначала немного истории

Уж так повелось, что всем электронщикам известны магические числа 431, 494. Что это такое?

Компания TEXAS INSTRUMENTS стояла у самых истоков полупроводниковой эры. Все это время она находится на первых местах в списке мировых лидеров в производстве электронных компонентов, прочно удерживаясь в первой десятке или, как чаще говорят, в мировом рейтинге TOP-10. Первая интегральная микросхема была создана еще в 1958 году сотрудником этой компании Джеком Килби.

Сейчас компания TI выпускает широкий ассортимент микросхем, название которых начинается с префиксов TL и SN. Это соответственно аналоговые и логические (цифровые) микросхемы, которые навсегда вошли в историю компании TI и до сих пор находят широчайшее применение.

В числе самых первых в списке «магических» микросхем следует, наверно, считать . В трехвыводном корпусе этой микросхемы спрятано 10 транзисторов, а функция, выполняемая ею, одинакова с обычным стабилитроном (диод Зенера).

Но за счет подобного усложнения микросхема обладает более высокой термостабильностью и повышенной крутизной характеристики. Главная же ее особенность в том, что при помощи напряжение стабилизации можно изменять в пределах 2,5…30 В. У последних моделей нижний порог составляет 1,25 В.

TL431 была создана сотрудником компании TI Барни Холландом в начале семидесятых годов. Тогда он занимался копированием микросхемы стабилизатора другой компании. У нас бы сказали сдирания, а не копирования. Так вот Барни Холланд позаимствовал из оригинальной микросхемы источник опорного напряжения, а уже на его основе создал отдельную микросхему-стабилизатор. Сначала она называлась TL430, а после некоторых усовершенствований получила название TL431.

С тех пор прошло немало времени, а нет сейчас ни одного компьютерного блока питания, где бы она не нашла применения. Она также находит применение практически во всех маломощных импульсных источниках питания. Один из таких источников теперь есть в каждом доме, – это для сотовых телефонов. Такому долгожительству можно только позавидовать. На рисунке 1 показана функциональная схема TL431.

Рисунок 1. Функциональная схема TL431.

Также Барни Холландом была создана не менее известная и до сих пор востребованная микросхема TL494. Это двухтактный ШИМ – контроллер, на базе которого было создано множество моделей импульсных источников питания. Поэтому число 494 также по праву относится к «магическим».

А теперь перейдем к рассмотрению различных конструкций на базе микросхемы TL431.

Индикаторы и сигнализаторы

Микросхема TL431 может применяться не только по своему прямому назначению как стабилитрон в блоках питания. На ее основе возможно создание различных световых индикаторов и даже звуковых сигнализаторов. С помощью подобных устройств можно отслеживать много различных параметров.

В первую очередь это просто электрическое напряжение. Если же какую либо физическую величину с помощью датчиков представить в виде напряжения, то можно сделать устройство, контролирующее, например, уровень воды в емкости, температуру и влажность, освещенность или давление жидкости или газа.

Работа такого сигнализатора основана на том, что при напряжении на управляющем электроде стабилитрона DA1 (вывод 1) менее 2,5 В стабилитрон закрыт, через него протекает лишь небольшой ток, как правило, не более 0,3…0,4 мА. Но этого тока достаточно для очень слабого свечения светодиода HL1. Чтобы этого явления не наблюдалось, достаточно параллельно светодиоду подключить резистор сопротивлением примерно 2…3 КОм. Схема сигнализатора превышения напряжения показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Сигнализатор превышения напряжения.

Если же напряжение на управляющем электроде превысит 2,5 В, стабилитрон откроется и засветится светодиод HL1. необходимое ограничение тока через стабилитрон DA1 и светодиод HL1 обеспечивает резистор R3. Максимальный ток стабилитрона составляет 100 мА, в то время как тот же параметр у светодиода HL1 всего 20 мА. Именно из этого условия и рассчитывается сопротивление резистора R3. более точно это сопротивление можно рассчитать по нижеприведенной формуле.

R3 = (Uпит – Uhl – Uda)/Ihl. Здесь использованы следующие обозначения: Uпит – напряжение питания, Uhl – прямое падение напряжения на светодиоде, Uda напряжение на открытой микросхеме (обычно 2В), Ihl ток светодиода (задается в пределах 5…15 мА). Также не следует забывать о том, что максимальное напряжение для стабилитрона TL431 всего 36 В. Этот параметр также превышать нельзя.

Уровень срабатывания сигнализатора

Напряжение на управляющем электроде, при котором загорается светодиод HL1 (Uз) задается делителем R1, R2. параметры делителя рассчитываются по формуле:

R2 = 2,5*R1/(Uз – 2,5). Для более точной настройки порога срабатывания можно вместо резистора R2 установить подстроечный, номиналом раза в полтора больше, чем получилось по расчету. После того, как настойка произведена, его можно заменить постоянным резистором, сопротивление которого равно сопротивлению введенной части подстроечного.

Иногда требуется контролировать несколько уровней напряжения. В этом случае потребуются три таких сигнализатора, каждый из которых настроен на свое напряжение. Таким образом возможно создание целой линейки индикаторов, линейной шкалы.

Для питания цепи индикации, состоящей из светодиода HL1 и резистора R3, можно применить отдельный источник питания, даже нестабилизированный. В этом случае контролируемое напряжение подается на верхний по схеме вывод резистора R1, который следует отключить от резистора R3. При таком включении контролируемое напряжение может находиться в пределах от трех, до нескольких десятков вольт.

Рисунок 3. Индикатор пониженного напряжения.

Отличие этой схемы от предыдущей в том, что светодиод включен по-другому. Такое включение называется инверсным, поскольку светодиод зажигается в том случае, когда микросхема закрыта. В случае, если контролируемое напряжение превышает порог установленный делителем R1, R2 микросхема открыта, и ток протекает через резистор R3 и выводы 3 – 2 (катод – анод) микросхемы.

На микросхеме в этом случае присутствует падение напряжения 2 В, которого не достаточно для зажигания светодиода. Чтобы светодиод гарантированно не зажегся, последовательно с ним установлены два диода. Некоторые типы светодиодов, например синие, белые и некоторые типы зеленых, зажигаются, когда напряжение на них превышает 2,2 В. В этом случае вместо диодов VD1, VD2 устанавливаются перемычки из проволоки.

Когда контролируемое напряжение станет меньше установленного делителем R1, R2 микросхема закроется, напряжение на ее выходе будет намного больше 2 В, поэтому светодиод HL1 зажжется.

Если требуется контролировать только изменение напряжения индикатор можно собрать по схеме, представленной на рисунке 4.

Рисунок 4. Индикатор изменения напряжения.

В этом индикаторе применен двухцветный светодиод HL1. Если контролируемое напряжение превышает пороговое значение, светится красный светодиод, а если напряжение понижено, то горит зеленый.

В случае, когда напряжение находится вблизи заданного порога (примерно 0,05…0,1 В) погашены оба индикатора, так как передаточная характеристика стабилитрона имеет вполне определенную крутизну.

Если требуется следить за изменением какой-либо физической величины, то резистор R2 можно заменить датчиком, изменяющим сопротивление под действием окружающей среды. Подобное устройство показано на рисунке 5.

Рисунок 5. Схема контроля параметров окружающей среды.

Условно на одной схеме показано сразу несколько датчиков. Если это будет , то получится . Пока освещенность большая, фототранзистор открыт, и его сопротивление невелико. Поэтому напряжение на управляющем выводе DA1 меньше порогового, вследствие этого светодиод не светит.

По мере снижения освещенности сопротивление фототранзистора увеличивается, что приводит к возрастанию напряжения на управляющем выводе DA1. Когда это напряжение превысит пороговое (2,5 В), стабилитрон открывается и зажигается светодиод.

Если вместо фототранзистора к входу устройства подключить терморезистор, например серии ММТ, получится индикатор температуры: при понижении температуры светодиод будет загораться.

Эту же схему можно применить в качестве , например, земли. Для этого вместо терморезистора или фототранзистора следует подключить электроды из нержавеющей стали, которые на некотором расстоянии друг от друга воткнуть в землю. При высыхании земли до уровня, определенного при настройке, светодиод зажжется.

Порог срабатывания устройства во всех случаях устанавливается с помощью переменного резистора R1.

Кроме перечисленных световых индикаторах на микросхеме TL431 возможно собрать и звуковой индикатор. Схема такого индикатора показана на рисунке 6.

Рисунок 6. Звуковой индикатор уровня жидкости.

Для контроля уровня жидкости, например воды в ванне, к схеме подключается датчик из двух нержавеющих пластин, которые расположены на расстоянии нескольких миллиметров друг от друга.

Когда вода достигнет датчика, его сопротивление уменьшается, а микросхема через резисторы R1 R2 входит в линейный режим. Поэтому возникает автогенерация на резонансной частоте пьезокерамического излучателя НА1, на которой и зазвучит звуковой сигнал.

В качестве излучателя можно применить излучатель ЗП-3. питание устройства от напряжения 5…12 В. Это позволяет питать его даже от гальванических батарей, что делает возможным использование его в разных местах, в том числе и в ванной.

Основная область применения микросхемы TL434, конечно же блоки питания. Но, как видим, только этим возможности микросхемы не ограничиваются.

Электронный компонент tl 431 – это одна из интегральных микросхем, чьё производство поставлено на массовый поток, начиная, с 1978 года. Она широко используется в большинстве компьютерных блоков питания, телевизоров и другой бытовой технике в качестве прецизионного программируемого источника опорного напряжения. На практике сложилось несколько схем включения tl431.