TL431 это регулируемый стабилизатор напряжения параллельного типа. Иначе его можно назвать «управляемым программируемым стабилитроном”. Предназначена она для применения в роли блока опорного напряжения в различных вариациях схем устройств питания, и, также может служить заменителем диодов Зенера в разнообразных схемах. Вопреки солидному возрасту микросхемы — почти 50 лет — она остается популярной и сейчас. Все благодаря ее размерам, стабильности и простоте подключения. Она обладает хорошими характеристиками, которые позволяют использовать ее как в хоббийных, так и в промышленных масштабах. Помимо прочего, еще одним преимуществом данной микросхемы является низкий уровень шума на ее выходе.
Впервые TL431 было представлено всему миру компанией Texas Instruments еще в 1977 году. За все это время был значительно улучшен технический процесс производства, а значит и точность характеристик в сравнении с указанными в datasheet. С тех пор эта микросхема стала неотъемлемой частью большого множества выпускаемых импульсных блоков питания.
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.
Устройство и принцип действия
По внешнему виду устройство напоминает обыкновенный транзистор. Однако, несмотря на три вывода, в состав интегральной схемы (ИС) tl431a входят:
- операционный усилитель (ОУ);
- источник опорного (эталонного) напряжения UREF;
- транзистор, включенный на выходе.
ИС тл431 выполняет контроль такого параметра, как напряжение, и носит название управляемого стабилитрона.
Внимание! Эталонное (опорное) напряжение (UREF) необходимо не для питания цепей микросхемы, а для того чтобы, опираясь на значение этого напряжения, производить стабилизацию на выходе ИС.
Устройство управляемого стабилитрона
Если провести аналогию с транзистором, то выполненный с применением биполярных триодов параллельный стабилизатор напряжения (СН) так же обладает тремя выводами:
- «база» – управляющий вход (R0);
- «коллектор» – катод (C);
- «эмиттер» – анод (А).
При работе СН к управляющему входу (R0) и аноду (А) прикладывается положительный потенциал. Ток IКА, протекающий по цепи «катод – анод», представляется стабилизированным выходным сигналом.
Важно! ОУ в составе ИС сравнивает значение UREF с U входящим и на основании этого выполняет стабилизацию. В этой ИМС UREF равно 2,5 В и вырабатывается встроенным источником.
Иными словами, транзистор, установленный на выходе ОУ, откроется тогда, когда подаваемое на вход напряжение будет равно или чуть превысит UREF.
Принципиальная схема
Как следует из схемы, на электроде R расположен делитель напряжения из резистивных элементов. Используя внешние делители, реально организовать стабилизацию в интервале Uвх = 2…36 В. При этом максимальный ток может достигать 100 мА.
Интересно. Если накоротко замкнуть выводы первый и третий и не использовать делитель, то напряжение стабилизации такого управляемого стабилизатора будет равно 2,5 В.
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.
Подключение TL431
Вне зависимости от типа корпуса, микросхема имеет 3 контакта. А в корпусах с большим количеством ножек, остаток не используется или дублирует основные 3. Здесь вы можете увидеть цоколевку (распиновку) всех вариантов TL431.
Минимальная схема подключения состоит всего лишь из одного резистора. На выходе данной схемы напряжение будет равно опорному — 2.5В.
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.
Схемы с использованием TL431
Микросхема может использоваться во многих разных схемах блоков питания. Это могут быть как регулируемые блоки питания, так и зарядные устройства к аккумуляторам. Давайте разберем несколько базовых, типовых схем, которые можно модернизировать, и на базе которых можно создавать свои замыслы и творения.
Стабилизатор напряжения на TL431 (2.5-36В, 100mA)
Данная схема позволяет заменить обыкновенный стабилитрон. Вы можете менять выходное напряжение путем изменения сопротивления резисторов R1 и R2. Чтобы провести расчет сопротивления, рекомендуем прибегнуть к использованию формулы, указанной ниже:
Стабилизатор напряжения с увеличенным максимальным током (2.5-36В)
Максимальный выходной ток TL431 равен 100мА. Однако, если вашему проекту нужен больший показатель выходного тока, то советуем вам использовать транзистор: тогда максимальный ток будет зависеть от его характеристик. Формула для расчета сопротивлений резисторов остается такой же.
Подобные схемы часто используются с другими микросхемами.К сожалению, большинство из них просто не могут пропускать высокий ток, поэтому, чтобы решить такую проблему, в дело вступает управляющий транзистор. В таком случае максимальный ток ограничивается его свойствами. Главная задача здесь — правильный подбор транзистора под управляющее напряжение на его базе.
Лабораторный блок питания на TL431 с защитой
Данная схема представляет собой регулируемый блок питания, который способен выдавать до 30Вт. И помимо этого имеет встроенную защиту от перегрузки. В случае, если ток начнет превышать допустимое значение на транзисторе Т2, то на ЛБП произойдет прекращение подачи напряжения, о чем будет сигнализировать загоревшийся светодиод.
Не стоит забывать использовать охлаждение в виде радиатора, ведь компоненты во время пиковых нагрузок будут быстро нагреваться, и со временем при частых перегревах, выходить из строя.
Стабилизатор тока на TL431 (Светодиодный драйвер)
Чаще всего стабилизаторы тока используются для запитывания светодиодов и светодиодных лент. Схема тут элементарная — вам понадобятся всего лишь пара резисторов и один транзистор.
Индикатор напряжения
Схема может понадобиться, когда вам необходимо следить за тем, чтобы напряжение не выходило за верхние и нижние пределы. Эти пределы задаются сопротивлением резисторов, по формуле, указанной ниже.
Данную схему можно модернизировать путем добавления пищалок или других звуковых устройств. Таким образом точно не получится пропустить сигнал о неправильном напряжении.
Таймер задержки на TL431
Универсальная микросхема, на которой есть возможность реализовать даже схему таймера задержки. Все, что вам понадобится — это пара резисторов и конденсатор. Их номиналы необходимо рассчитать по формуле, чтобы получить требуемое время задержки (формула указана ниже).
Такая схема возможна благодаря очень низкому показателю входного тока (4мкА). Во время замыкания главного контакта, транзистор начинает производить зарядку. После достижения показателя в 2.5В он открывается, и ток при содействии оптопаровому светодиоду (оптрону) начинает течь, от чего на внешней цепи происходит замыкание.
Зарядное устройство для литиевых аккумуляторах на TL431 и LM317
Эта простейшая схема позволяет правильно заряжать литиевые аккумуляторы. В этой зарядке TL431 используется в качестве источника опорного напряжения, а LM317 в качестве источника тока. Устройство заряжает аккумуляторы методом CC CV, означает, как все знают, постоянный ток (Constant Current), постоянное напряжение (Constant Voltage).
Входное напряжение для этой схемы — 9-20В. Сначала аккумулятор заряжается постоянным током, который поддается изменению, меняя сопротивление резистора R5. После того, как аккумулятор достигнет напряжения около 4.2В, он начинает заряжаться постоянным напряжением.
Учтите, что очень важно перед использованием настроить устройство: без нагрузки необходимо подстроить переменный резистор RV1 так, чтобы на выходе напряжение было равно 4.2 Вольта.
Схема для блоков на 15 В
Стабилитрона TL431 схема включения через блок на 15 В осуществляется при помощи одноступенчатого преобразователя. В свою очередь, модулятор подходит с емкостью на уровне 5 пФ. Резисторы применяются исключительно селективного типа. Если рассматривать модификации с триггерами, то параметр порогового напряжения не превышает 3 Вт. Точность стабилизации находится в районе 3%. Фильтры для системы подходят как открытого, так и закрытого типа.
Также важно отметить, что в цепи может устанавливаться расширитель. На сегодняшний день модели выпускаются в основном коммутируемого типа
У модификаций с трансиверами проводимость тока не превышает 4 мк. В данном случае показатель чувствительности стабилитрона колеблется в районе 30 мВ. Выходное сопротивление при этом достигает примерно 80 Ом.
Как проверить TL431
Так как это не одиночный радиокомпонент, а целая схема, заключенная в маленький корпус, мы не можем проверить ее одним лишь мультиметром, ведь в ней содержится только 10 штук транзисторов, не говоря об остальных компонентах. Проверка сопротивлений между выводами не принесет никакой полезной информации, так как от партии к партии и от производителя к производителю референсные значения разнятся.
Поэтому, как и для проверки большинства микросхем, необходимо собрать простейшую схему с ее использованием. Такой схемой может послужить приведенная ниже
При подаче на вход 12В на выходе должно быть 5В, а при замыкании S1 на выход должно идти опорной напряжение микросхемы TL431 — 2.5В. Вы можете подобрать свои значения. Важно, чтобы они соответствовали формуле:
Если все значения подходят — значит микросхема рабочая и ее можно использовать в проекте. Если собрать небольшой стенд с такой схемой на breadboard, то получится конвейерно проверять большое количество TL431 и ей подобных микросхем.
Технические характеристики
Рассмотрим максимально допустимые характеристики микросхемы TL431. Если при работе они будут превышены, то прибор выйдет из строя. Длительная эксплуатация устройства с параметрами, близкими к предельным, также опасна для него. Значения этих параметров представлены ниже:
- наибольшее возможное напряжение между анодом и катодом – 37 В;
- диапазон токов, протекающих через катод на протяжении длительного времени – от -100 до +150мА;
- диапазон токов на входе (управляющем электроде) устройства – от -0,05 до +10 мА;
- максимальная рассеиваемая мощность зависит от типа корпуса:
- SOT-89 – 0.8 Вт;
- ТО-92 – 0,78 Вт;
- SO-8 – 0.75 Вт;
- SOT-23 – 0,33 Вт;
- SOT-25 – 0,5 Вт.
- диапазон рабочих температур – от -25 до +85ОС;
- предельно допустимая температура кристалла – +150 ОС;
- диапазон температур при которых может хранится изделие — -65 до +150 ОС.
В технической документации производители приводят диапазон рекомендуемых рабочих характеристик. Напряжение на катоде VKA может изменяться от минимального, равного управляющему VREF, до максимального 36 В. Катодный ток должен находиться в пределах от 1 до 100 мА.
При конструировании нового устройства следует также обращать внимание на электрические характеристики. Измерение производилось при температуре TC= 25°C. Остальные параметры тестирования приведены в колонке «Режимы измерения».
| Параметры | Режимы измерения | Обозн. | min | typ | max | Ед. изм |
| Управляющее напряжение | VKA=VREF,IKA=10 мA | VREF | 2,455 | 2,495 | 2,535 | В |
| Величина отклонения управляющего напряжения при изменении температуры | VKA=VREF,IKA=10 мA, Ta = от 0°C до +85°C | VDEV | 9,0 | 20 | мВ | |
| Изменение напряжения на управляющем электроде в зависимости от изменения напряжения на катоде | IKA=10 мA ΔVKA=10V~VREF ΔVKA=36V~10V | ΔVREF ΔVКА | -1,0 -0,5 | -2,7 -2,0 | мВ/В мВ/В | |
| Ток через управляющий электрод | IKA=10 мA | IREF | 1,5 | 4 | мкА | |
| Отклонение управляющего (опорного) тока при изменении температуры | IKA=10 мA | ΔIREF ΔT | 0,4 | 1,2 | мкА | |
| Минимальный управляющий ток через катод, | VKA=VREF | IKA(MIN) | 0,3 | 0,5 | мА | |
| Ток через катод при закрытом переходе | VKA=36V, VREF=0 | IKA(OFF) | 0,05 | 1,0 | мкА | |
| Динамическое сопротивление | VKA=VREF, f≤1.0 кГц IKA=1 to 100 мA | ZKA | 0,15 | 0,5 | Ом |
Применение TL431
Эта микросхема может использоваться в различных устройствах питания различной мощности. TL431 используется в производстве блоков питания, ЛБП, стабилизаторов напряжения и тока, и прочего.
Эта микросхема может служить обычным компаратором, но благодаря внутреннему опорному источника питания схемы с таким использованием TL431 значительно упрощаются. В таком случае на ней можно создать схему терморегулятора и прочих устройств для считывания сигналов с аналоговых датчиков. А так же может служить индикатором напряжения. В том числе и звуковым.
Но чаще всего оно применяется в качестве источника опорного питания в связке с другими микросхемами, так как выдает его очень стабильно. Существует множеством схем, где TL431 используется в связке с LM317 — другим популярным регулируемым стабилизатором.
Независимые устройства на базе микросхемы
Эту микросхему используют в блоках питания телевизоров и компьютером. Однако на её базе можно составить независимые электрические схемы некоторыми, из которых являются:
- стабилизатор тока;
- звуковой индикатор.
Стабилизатор тока
Стабилизатор тока — это одна из самых простых схем, которые можно реализовать на микросхеме tl 341. Он состоит из следующих элементов:
- источника питания;
- сопротивления R 1, подключённого с помощью общей точки к + линии питания;
- шунтирующего сопротивления R 2 к — линии питания;
- транзистора, чей эмиттер подключён к — линии через резистор R 2, коллектор к выходу — линии, а база через общую точку к катоду микросхемы;
- микросхемы tl 341, чей анод подключён к — линии с помощью общей токи, а вывод ref включён в эмиттерную цепь транзистора также с помощью общей точки.
Звуковой индикатор
Звуковой индикатор на базе tl 341 представляет собой простую схему, изображённую на рисунке 5
Такой звуковой индикатор можно использовать для отслеживания уровня воды в какой-либо ёмкости. Датчик представляет собой электронную схему в корпусе с двумя выводными электродами, изготовленными из нержавеющей стали, один из которых расположен на 20 мм выше другого.
В момент соприкосновения выводов датчика с водой происходит снижение сопротивления и осуществляется переход tl 341 в линейный режим через резисторы R 1и R 2. Это способствует появлению автогенирации на резонансной частоте и образованию звукового сигнала.
Аналоги TL431
Так, как микросхема обрела большую популярность, сейчас не составляет труда найти ее аналоги. Если вы ищете аналоги от отечественных производителей, то вот список для вас:
- КР142ЕН19
- КР142ЕН19А
- К1156ЕР5Т
Самыми полноценными аналогами являются:
- IR943N
- TL432
- LM431
Также на замену Tl431 можно использовать:
- KA431AZ
- KIA431
- HA17431VP
- IR9431N
- AME431BxxxxBZ
- AS431A1D
- LM431BCM
- HA17431A, KIA431
- APL1431
Для большинства из этих вариантов, схему менять не придется. Но стоит проверять datasheet каждой из них, чтобы быть уверенным, что цоколевка не отличается от TL431.
Безопасная эксплуатация TL431
При эксплуатации необходимо соблюдать параметры внешней среды, описанные производителем. Это необходимо не только для большего срока службы компонента, но также для его предсказуемого поведения. На таблице ниже отображены характеристики TL431 при температуре 25°C.
Нельзя перегружать элемент, его максимальное входное напряжение — 36В.
Лучше всего, чтобы ток нагрузки был не меньше 5мА, иначе микросхема может работать нестабильно и непредсказуемо.
Производители TL431
Из-за своей невероятной популярности, TL431 производится почти всеми наиболее крупными предприятиями, которые специализируются на производстве микросхем. Однако, не все из них продаются в СНГ, множество продаются только за рубежом. Среди тех компаний, чья продукция поступает к нам:
- Texas Instruments
- ONS
- STM
- Nexperia
- HTC
- NXP Semiconductors
Остальные изготовители этой продукции, чья продукция недоступна у нас: Hotchip Technology, Calogic, Motorola, HIKE Electronics, Fairchild Semiconductor.
