Управляемый стабилизатор напряжения tl431 (on semiconductor)

Описание работы

Работа микросхемы lm324n основана на функционировании внутри неё одновременно четырех ОУ. Все усилители запитываеются от одного источника питания, имеют инвертирующий, не инвертирующий входы и одни выход. Источник питания может быть однополярным или двухполярным.

Рассмотрим внутреннюю схему одного из операционных усилителей c однополярным питанием. Возьмем её прямо из даташит на LM324.

Функционально каждый операционный усилитель состоит из: дифкаскада, а так же каскадов промежуточного и выходного усиления.

Дифференциальный каскад, выполняет функции усиления разности подаваемых на вход напряжений (V₊ и V_—) и нейтрализации синфазных сигналов. Обеспечивает высокое сопротивление на входе.

Промежуточный каскад обеспечивает балансировку операционника (установку на выходе нулевого напряжения при замкнутых входах), согласование сопротивлений дифференциального и выходного каскадов, а так же частотную коррекцию (защиту от самовозбуждения).

Выходной каскад обеспечивает низкое выходное сопротивление, требуемую мощность в нагрузке, ограничение тока и защиту при коротком замыкании.

Маркировка

Серия LM основана на интегральных микросхемах производства National Semiconductor. Приставка LM изначально означала linear monolithic (линейный, монолитный) и применялась для обозначения усилителей общего назначения (General Purpose) к которым не предъявлялись жестких требований. Цифры “324” указывают на серийный номер микросхемы. «-N», в конце серийника, обозначаются устройства, приобретенные Texas Instruments у National Semiconductor. В сентябре 2011 году National Semiconductor была передана Texas Instruments, которая не изменила приставку LM в своей продукции. Поэтому в настоящее время маркировка LM является кодом производителя Texas Instruments, но её широко используют другие производители при выпуске своих аналогов этой микросхемы.

Следует также отметить, что фирмы-производители постоянно совершенствуют свою продукцию. В настоящее время появились превосходящие по ряду функций модификации, например:  LM324K, LM324KA с внутренней защитой от электрического разряда (HBM ESD); микромощные  LP324  с током потребления 21 мкА; низковольтные LMV324, с напряжением питания от 2,7 В до 5,5 В; LPV324, изготавливаемые по технологии BiCMOS  и током потребления 9 мкА и др. Усилители с символом «А» в маркировке, например “ LM324A-N ”,  будут иметь лучшие характеристики по V_IO по сравнению c другими (без «A»).

Базовая конфигурация

Главная задача стабилизатора — обеспечить постоянство выходного напряжения и подавление пульсаций.
Конструкция стабилизатора основана на простейшей схеме, но каждый её элемент я выбирал так, чтобы он идеально выполнял свою функцию:Для максимального подавления входных шумов сопротивление резистора R должно быть максимально, а в внутреннее сопротивление источника опорного напряжения Vref как можно ниже. Да и работать формирователь опорного напряжения будет лучше, если его питать от высокоомного источника. Таким требованиям отвечает источник стабильного тока (ГСТ).

Для высоковольтного стабилизатора я использовал ГСТ на двух транзисторах, что обеспечивает большую стабильность тока при колебаниях питающего напряжения.

Для низковольтных стабилизаторов можно использовать аналогичную схему или просто одиночный диод.

Для высоковольтных стабилизаторов я выбрал значение тока ГСТ около 5мА. Для низковольтных стабилизаторов можно выбрать значение поменьше.

Микросхеме TL431 для нормальной работы требуется минимум 2 мА.

Важное замечание: ГСТ на двух транзисторах может иногда возбуждаться, если использовать высокочастотные транзисторы. Поэтому я выбрал транзисторы  MJ340/350 которые, как показывает мой опыт, работают стабильно. Стабилитроны довольно шумные и кроме того имеют плохой температурный коэффициент

Выходное напряжение при их использовании будет меняться в зависимости от температуры окружающей среды, а если в вашем усилителе активная вентиляция, то тем более. Кроме того, стабильность их внутреннего сопротивления тоже оставляет желать лучшего

Стабилитроны довольно шумные и кроме того имеют плохой температурный коэффициент. Выходное напряжение при их использовании будет меняться в зависимости от температуры окружающей среды, а если в вашем усилителе активная вентиляция, то тем более. Кроме того, стабильность их внутреннего сопротивления тоже оставляет желать лучшего.

Вместо них я использовал TL431 в качестве источника опорного напряжения, так как их шумовые характеристики весьма достойны, они имеют низкое выходное сопротивление и довольно широкий диапазон выходных напряжений, которое устанавливается с помощью простого делителя.

Схемы включения TL431

Рабочие характеристики стабилизатора задаются двумя резисторами. Варианты использования данной микросхемы могут быть различные, но максимальное распространение она получила в блоках питания с регулируемым и фиксированным напряжением. Часто применяется в стабилизаторах тока в зарядных USB устройствах, промышленные блоки питания, принтеров и другой бытовой техники.

TL431 есть практически в любом блоке питания ATX от компьютера, позаимствовать можно из него. Силовые элементы с радиаторами, диодными мостами тоже там есть.

На данной микросхеме реализовано множество схем зарядных устройств для литиевых аккумуляторов. Выпускаются радиоконструкторы для самостоятельной сборки своими руками. Количество вариантов применение очень большое, хорошие схемы можно найти на зарубежных сайтах.

Индикатор низкого напряжения

Разница данной схемы от предшествующей в
том, что светодиод подключен по иному. Данное подключение именуется
инверсным, так как светодиод светится  только когда микросхема
TL431 заперта.

Если же контролируемое значение
напряжения превосходит уровень, определенный делителем Rl и R2,
микросхема TL431 открывается, и ток течет через сопротивление R3 и
выводы 3-2 микросхемы TL431. На микросхеме в этот момент существует
падение напряжения около 2В,  и его явно не хватает для свечения
светодиода. Для стопроцентного предотвращения загорания светодиода в его
цепь дополнительно включены 2 диода.

В момент, когда исследуемое величина
окажется меньше порога определенного делителем Rl и R2, микросхема TL431
закроется, и на ее выходе потенциал будет значительно выше 2В,
вследствие этого светодиод HL1 засветится.

Видео

Раз дело «выгорело» и пробник теперь есть, осталось помнить об этом и суметь в случае необходимости быстро его идентифицировать из числа других в таких, же корпусах, что лежат в предназначенной для этого коробке. А ещё нужно помнить, что рабочее напряжение пробника 12 вольт, что при не подключённом TL431 мультиметр будет показывать напряжение 10 вольт, при подключённом 5 вольт, а при нажатой кнопке 2,5 вольта и вдобавок правильно установить проверяемый компонент в панельку.  А можно особо и не запоминать, а оформить соответствующим образом лицевую панель. Автор проекта: Babay iz Barnaula.

Проверка стабилизатора

Сразу возникает уместный вопрос о том, как проверить tl431 мультиметром. Как показывает практика, одним мультиметром проверить не получится. Для проверки tl431 мультиметром следует собрать схему. Для этого понадобятся: три резистора (один из них подстроечный), светодиод или лампочка, источник постоянного тока 5В.

Резистор R3 необходимо подобрать таким образом, чтобы он ограничил ток до 20мА в цепи питания. Его номинал составляет примерно 100Ом. Резисторы R2 и R3 выполняют роль балансира. Как только напряжение будет 2,5 В на управляющем электроде, то переход светодиода откроется, и напряжение пойдет через него. Эта схема хороша тем, что светодиод выполняет роль индикатора.

Источник постоянного тока — 5В является фиксированным, а управлять микросхемой tl431 можно с помощью переменного резистора R2. Когда питание на микросхему не подается, то диод не горит. После того как сопротивление изменяется при помощи подстроечного резистора, светодиод загорается. После этого мультиметр нужно включить в режим измерения постоянного тока и замерить напряжение на управляющем выводе, которое должно составлять 2,5. Если напряжение присутствует и светодиод горит, то элемент можно считать рабочим.

Стабилизатор тока

Представленная ниже схема это термостабильный вид токового стабилизатора. Резистор в данном случае это своеобразный шунт, который поддерживает токовое напряжение в размере 2,5 вольт. Так при пренебрегании токовой базы, можно получить ток, имеющий нагрузку Iн=2,5/R2. При формировании значения в Омах, ток будет представлен в Амперах и наоборот.

Стабилизатор тока на TL431 схема

Зарядное устройство для литиевого аккумулятора

Главным отличием зарядника от блока питания является четкое разграничение токового заряда. Следующая картинка представлена в двух ограничиваемых режимах: тока и напряжения. Пока выходное напряжение менее 4,2 вольт, осуществляется ограничение выходного тока. Как только оно достигнет этого показателя, то начнет электроток понижаться.

Следующая схема предусматривает ограничение электротока внешними транзисторами. R1 осуществляет шунтовую функцию, VT1 осуществляет открытие и закрытие второго транзистора. В этот момент напряжение в третьем падает. Ток падает и вовсе прекращается. Так осуществляется токовая стабилизация.

Обратите внимание! В момент подбора к 4,2 вольтовому уровню, функционировать начинает DA1 и осуществляет ограничение напряжения на выходе зарядника

Характеристика TL431

Этот операционный усилитель работает с напряжением от 2,5 до 36В. Ток работы усилителя колеблется от 1А до 100 мА, но есть один важный нюанс: если требуется стабильность в работе стабилизатора, то сила тока не должна опускаться ниже 5 мА на входе. У тл431 имеется величина опорного напряжения, которая определяется по 6-й букве в маркировке:

• Если буквы нет, то точность равняется — 2%.
• Буква А в маркировке свидетельствует о — 1% точности.
• Буква В говорит о — 0,5% точности.

Более развернутая техническая характеристика изображена на рис.4

В описании tl431A можно увидеть, что величина тока довольна мала и составляет заявленные 100мА, а величина мощности, которую рассеивают эти корпуса, не превышает сотен милливатт. Этого мало. Если предстоит работать с более серьезными токами, то будет правильнее воспользоваться мощными транзисторами с улучшенными параметрами.

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.

Технические характеристики

В блоках питания от сети 220В линейный стабилизатор обычно устанавливается сразу после выпрямительного диодного моста, где выполняет свою основную роль источника вторичного электропитания (ИВЭП). Рекомендуемая производителями величина входного напряжения у КРЕН8Б находится в диапазоне 14,5 … 18 В. В любом случае, должно быть на 2,5-3 В больше от опорного.

Максимальные параметры

Изготовителями заявлены следующие максимальные параметры КР142ЕН8Б, при температуре корпуса (Т_К) от -45 до +70оС, если не указано иного:

• входное напряжение (при Т_К от -45 до +100оС) — до 30 В;
• мощность рассеивания – до 1,5 Вт; до 8 Вт (c теплоотводом);
• ток в нагрузке – до 1500 мА (c использованием теплоотвода).

Электрические параметры

Если ток в нагрузке будет более 100 мА, то рекомендуется применение теплоотвода. На практике его величина может достигать 900 мА, что на много меньше значения заявленного отдельными производителями в даташит, но вполне достаточного для большинства современных слаботочных систем. Сведения о электрических параметрах КРЕН8Б, при температуре окружающей среды +25оС, представлены в таблице ниже.

Типовое включение

Устойчивая работа электронных приборов обеспечивается стабильностью поданного на них электропитания. Отсюда и возникает потребность в его выравнивании до необходимого уровня. Превышение или снижение питающих значений недопустимо, так как приводит к неисправности в работе оборудования. Самый очевидный способ — использовать популярную отечественную микросхему из серии КР142.

КР142ЕН8Б является одним из линейных стабилизаторов указанной серии. Его типовая схема подключения очень простая и подходит для всех КР142ЕН. Она включает в себя саму КРЕНку (еще одно неофициальное название 142ЕН8Б) и пару сглаживающих конденсаторов. В даташит рекомендовано применение небольших ёмкостей с величиной 0,33 и 1,0 мкФ. Обычно используют керамические или танталовые версии.

Если для проекта выбраны алюминиевые электролитические конденсаторы, то они должны быть не менее 10 мкФ. Их лучше подсоединять как можно ближе к выводам микросхемы. Многие радиолюбители делают это навесным монтажом, спаивая ножки радиоэлементов между собой.

Схема включения для блоков на 10 В

Схема включения стабилитрона в блок питания подразумевает использование одноступенчатого либо векторного преобразователя. Если рассматривать первый вариант, то модулятор подбирается с емкостью на уровне 4 пФ. В данном случае триггер используется лишь с усилителями. Иногда для повышения чувствительности стабилитрона применяются фильтры. Пороговое напряжение цепи в среднем составляет 5.5 Вт. Рабочий ток системы колеблется в районе 3.2 А.

Параметр стабилизации, как правило, не превышает 3%. Если рассматривать схему с векторным преобразователем, то тут не обойтись без трансивера. Использоваться он может либо открытого, либо хроматического типа. Модулятор устанавливается с емкостью на уровне 5.2 пФ. Расширитель встречается довольно редко. В некоторых случаях он способен повысить чувствительность стабилитрона

Однако важно учитывать, что тепловые потери элемента значительно возрастают

Работа TL431 совместно с датчиками

Если необходимо отслеживать
 изменение какого-нибудь физического процесса, то в этом случае
сопротивление R2 необходимо поменять на датчик, характеризующейся
изменением сопротивления вследствие внешнего воздействия.

Пример  такого модуля приведен
ниже. Для обобщения принципа работы на данной схеме отображены различные
датчики. К примеру, если в качестве датчика применить
фототранзистор, то в конечном итоге получится фотореле, реагирующее на
степень освещенности. До тех пор пока освещение велико,
сопротивление фототранзистора мало.

Вследствие этого напряжение на
управляющем контакте TL431 ниже заданного уровня, из-за этого светодиод
не горит. При уменьшении освещенности увеличивается сопротивление
фототранзистора. По этой причине увеличивается потенциал на контакте
управления стабилитрона TL431. При превышении порога срабатывания (2,5В)
HL1 загорается.

Данную схему можно использовать как
датчик влажности почвы. В этом случае вместо фототранзистора нужно
подсоединить два нержавеющих электрода, которые втыкают в землю на
небольшом расстоянии друг от друга. После высыхания почвы, сопротивление
между электродами возрастает и это приводит к срабатыванию микросхемы
TL431, светодиод загорается.

Если же  в качестве датчика
применить терморезистор, то можно сделать из данной схемы термостат.
Уровень срабатывания схемы во всех случаях устанавливается посредством
резистора R1.

Графики электрических характеристик

Добрый день. Я не электронщик но то что мне было нужно я нашел. Большое спасибо. Понравились две первые схемки (переделал схем 20, но то греется, можно чай кипятить, то тока на выходе нет), но без индикатора заряда. Помогите пожалуйста в этом вопросе. Заранее благодарен. С уважением Александр.

Проще готовый блок купить за 100-150 руб.

Я тоже из Кирова, из Ганги.

Здравствуйте ,случилась поломка ASUS Maximus VI Extreme , нашел замкнутый F90 P02 CFD0423 вроде полевик данных не нашел , какой структуры и чем заменить не в курсе , помогите с информацией . Если что не так написал извините в первый раз советуюсь .

TL 431 это программируемый шунтирующий регулятор напряжения. Хотя, эта интегральная схема начала выпускаться в конце 70-х она до сих пор не сдаёт своих позиций на рынке и пользуется популярностью среди радиолюбителей и крупных производителей электротехнического оборудования. На плате этого программируемого стабилизатора находится фоторезистор, датчик измерения сопротивления и терморезистор. TL 431 повсеместно используются в самых разных электрических приборах бытовой и производственной техники. Чаще всего этот интегральный стабилитрон можно встретить в блоках питания компьютеров, телевизоров, принтеров и зарядок для литий-ионных аккумуляторов телефонов.

TL 431 интегральный стабилитрон

Основные характеристики программируемого источника опорного напряжения TL 431

• ​ Номинальное рабочее напряжение на выходе от 2,5 до 36 В;
• Ток на выходе до 100 мА;
• Мощность 0,2 Ватт;
• Диапазон рабочей температуры для TL 431C от 0° до 70°;
• Диапазон рабочей температуры для TL 431A от -40° до +85°.

Точность интегральной схемы TL 431 указывается шестой буквой в обозначении:

• Точность без буквы – 2%;
• Буква А – 1%;
• Буква В – 0, 5%.

Столь широкое его применения обусловлено низкой ценой, универсальным форм-фактором, надёжностью, и хорошей устойчивостью к агрессивным факторам внешней среды. Но также следует отметить точность работы данного регулятора напряжения. Это позволило ему занять нишу в устройствах микроэлектроники.

Основное предназначение TL 431 стабилизировать опорное напряжение в цепи. При условии, когда напряжение на входе источника ниже номинального опорного напряжения, в программируемом модуле транзистор будет закрыт и проходящий между катодом и анодом ток не будет превышать 1 мА. В случае, когда выходное напряжение станет превышать запрограммированный уровень, транзистор будет открыт и электрический ток сможет свободно проходит от катода к аноду.

Схема включения TL 431

В зависимости от рабочего напряжения устройства схема подключения будет состоять из одноступенчатого преобразователя и расширителя (для устройств 2,48 В.) или модулятора небольшой ёмкости (для устройств 3.3 В). А также чтобы снизить риск короткого замыкания, в схему устанавливается предохранитель, как правило, за стабилитроном. На физическое подключение оказывает влияние форм-фактор устройства, в котором будет находиться схема TL 431, и условия окружающей среды (в основном температура).

Стабилизатор на основе TL 431

Простейшим стабилизатором на основе TL 431 является параметрический стабилизатор. Для этого в схему нужно включить два резистора R 1, R 2 через которые можно задавать выходное напряжение для TL 431 по формуле: U вых= Vref (1 + R 1/ R 2). Как видно из формулы здесь напряжение на выходе будет прямо пропорционально отношению R 1 к R 2. Интегральная схема будет держать напряжение на уровне 2,5 В. Для резистора R 1 выходное значение рассчитывается так: R 1= R 2 (U вых/ Vref – 1).

Эта схема стабилизатора, как правило, используется в блоках питания с фиксированным или регулируемым напряжением. Такие стабилизаторы напряжения на TL 431 можно обнаружить в принтерах, плоттерах, и промышленных блоках питания. Если необходимо высчитать напряжение для фиксированных источников питания, то используем формулу Vo = (1 + R 1/ R 2) Vref.

Временное реле

Прецизионные характеристики TL 431 позволяют использовать его не совсем по «прямому» назначению. Из-за того, что входной ток этого регулируемого стабилизатора составляет от 2 до 4 мкА, то используя данную микросхему можно собрать временное реле. Роль таймера в нём будет исполнять R1 который начнёт постепенно заряжаться после размыкания контактов S 1 C 1. Когда напряжение на выходе стабилизатора достигнет 2,5 В, транзистор DA1 будет открыт, через светодиоды оптопары PC 817 начёт проходить ток, а открытый фоторезистор замкнёт цепь.

Термостабильный стабилизатор на основе TL 431

Технические характеристики TL 431 позволяют создавать на его основе термостабильные стабилизаторы тока. В которых резистор R2 выполняет роль шунта обратной связи, на нём постоянно поддерживается значение 2,5 В. В результате значение тока на нагрузке будет рассчитываться по формуле Iн=2,5/R2.

Цоколёвка и проверка исправности TL 431

Форм-фактор TL 431 и его цоколёвка будет зависеть от производителя. Встречаются варианты в старых корпусах TO -92 и новых SOT-23. Не стоит забывать про отечественный аналог: КР142ЕН19А тоже широко распространённый на рынке. В большинстве случаев цоколёвка нанесена непосредственно на плату. Однако не все производители так поступают, и в некоторых случаях вам придётся искать информацию по пинам в техпаспорте того или иного устройства.

TL 431 является интегральной схемой и состоит из 10 транзисторов. Из-за этого проверить её мультиметром невозможно. Для проверки исправности микросхемы TL 431 нужно использовать тестовую схему. Конечно, часто нет смысла искать перегоревший элемент и проще заменить схему целиком.

Программы расчёта для TL 431

В интернете существует множество сайтов, где вы сможете скачать программы-калькуляторы для расчёта параметров напряжения и силы тока. В них можно указывать типы резисторов, конденсаторов, микросхем и прочих составных частей схемы. TL 431 калькуляторы также бывают онлайн, они по функционалу проигрывают устанавливаемым программам, но если вам нужно исключительно входные/выходные и максимальные значения схемы, то они справятся с этой задачей.

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

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.