Схема включения и параметры TL431

Устройство TL431 является стабилизатором напряжения и программируемым источником опорного напряжения. Оно является наиболее популярным в сфере использования импульсных источников питания. В статье объясняется, что это такое, имеется описание того, где и как используются TL431 и TL431A, рассказывается, какие существуют особенности конструкции. Также указаны технические характеристики и прилагаются схемы подключения и применения устройства.

Что это такое

Параллельный стабилизатор TL431 работает так же, как стандартный стабилизатор. Различие уровня напряжения выхода и входа компенсируется благодаря мощному транзистору биполярного типа. Стабилизация будет лучше при условии того, что обратная связь поступает с выхода самого стабилизатора.

Резистор R1 должен быть рассчитан на минимальный ток, который равен 5 мА. Резисторы R2 и R3 рассчитываются аналогично, как для стабилизатора параметрического типа. Через каждый резистор протекает ток, у которого сила обратно пропорциональна значению сопротивления резистора. Существует два типа соединений резисторов: параллельное и последовательное соединение в форме цепи.

Где и как используется

Такие устройства, как правило, используются для компенсации колебаний напряжения в сети. Например, когда включена большая машина, потребность в энергии внезапно становится намного выше. Стабилизатор напряжения компенсирует изменение нагрузки. Стабилизаторы напряжения обычно работают в диапазоне напряжений, например, 150-240 В или 90-280 В.

Стабилизаторы напряжения используются в таких устройствах, как блоки питания компьютеров, где они стабилизируют напряжения постоянного тока. В автомобильных генераторах и центральных электростанциях-генераторах стабилизаторы напряжения контролируют мощность установки.

Выпускать устройство TL431 начали в 1977 году. Оно применяется в качестве источника опорного напряжения в схемах различных блоков питания ТВ, DVD, тюнеров и других разновидностей видео- и аудиотехники.

Также устройство необходимо для реализации обратной связи: выходное напряжение очень большое или же очень маленькое. Эксплуатируя участок цепи, который называется бандгап (источник опорного напряжения; его величина определяется шириной запрещённой зоны), TL431 является стабильным источником опорного напряжения в широких температурных диапазонах.

Особенности конструкции

У TL431 есть альтернативная версия TL43LI, у которой более лучшая стабильность, а также более низкий температурный дрейф (VI (dev)). Также у улучшенной версии более низкий опорный ток, которой необходим для повышения уровня точности всей системы.

Устройство TL431 является трёхконтактным и регулируется шунтирующим регулятором с термической стабильностью. Напряжение на выходе может устанавливаться между значением источника опорного напряжения (Vref) 2.5 и 36 В с двумя внешними резисторами. У устройства на выходе стандартный электрический импенданс – 0,2 Ом. Схема активного выхода обеспечивает очень точный способ включения. Эта возможность делает аппарат превосходной заменой диодов Зенера (стабилитронов) во многих областях применения, таких как встроенное регулирование и переключение источников питания.

Другая версия устройства – TL432 – имеет те же функциональные и технические характеристики, что и верися TL431, но имеет различные выводы для цоколевки DBV, DBZ и PK. Обе версии TL431 и TL432 представлены в трех классах с изначальными температурными пределами (при 25 градусах) 0.5%, 1% и 2% для B, A и стандартного класса соответственно. Более того, низкий дрейф на выходе в зависимости от температуры обеспечивает хорошую стабильность во всем диапазоне рабочих температур.

Цоколевка TL431 имеет следующий вид: 

Распиновка TL431 выглядит так:

Технические характеристики TL431 и TL431A

У TL431A и TL431 такие параметры:

• Мощность составляет 0.2 Вт.
• Электрический ток на выходе достигает 100 мА.
• Напряжение на выходе варьируется от 2,5 до 36 В.
• Рабочая температура TL431 в диапазоне от 0 до +70 градусов.
• Рабочая температура TL431A варьируется от -40 до +85 градусов.

Также важны другие параметры.

Выходное напряжение

Оно может поддерживаться постоянным только в указанных пределах.

Регулировка нагрузки

Эта характеристика является изменением выходного напряжения для данного текущего тока нагрузки

Линейное регулирование или регулирование на входе

Это степень, в которой выходное напряжение претерпевает изменения с изменением входного (питающего) напряжения. Это аналогично отношению изменения выходного сигнала к входному или изменению выходного напряжения за весь промежуток времени.

Температурный коэффициент выходного напряжения

Это показатель изменения температуры (усредненное по заданному температурному диапазону).

Изначальная точность регулятора напряжения (или точность напряжения)

Оно отображает ошибку в выходном напряжении для заданного регулятора без учета температурного фактора на точность вывода.

Падение напряжения

Показатель – минимальная разница между входным и выходным напряжением. Для этой разницы регулятор все еще может подавать указанный ток. Дифференциальный ток ввода-вывода, при котором регулятор напряжения не будет выполнять свою функцию, – падение напряжения. Дальнейшее снижение входного напряжения может привести к понижению выходного напряжения. Данное значение зависит от тока нагрузки и температуры перехода.

Пусковой ток или импульсный входной ток

Также называется импульсный выброс при включении. Данный параметр отображает максимальный мгновенный входной ток, который потребляется устройством во время первого включения. Период длительности пускового тока – полсекунды (или несколько миллисекунд), тем не менее он почти всегда высок. Учитывая это, он является опасным, так как может постепенно сжигать детали (в течение нескольких месяцев), особенно если нет соответствующей защиты от такого типа тока.

Ток покоя в цепи регулятора

Этот электрический ток потребляется внутри цепи. Он недоступен для нагрузки и измеряется как входной ток без подключения нагрузки.

Переходная реакция

Эта реакция происходит, когда случается внезапное изменение электротока нагрузки или же входного напряжения.

Расчёт напряжения TL431 

Схемы применения TL431

Для того, чтобы правильно подключить, важно соблюдать технику безопасности и следовать последовательности, как, например, при применении схемы подключении двухклавишного выключателя или при применении схемы подключения узо.

Работа микросхемы

Извне принцип работы аппарата выделяется довольно несложно. Если подать на контакт ref напряжение, которое превышает 2 В, тогда выходной транзистор проведёт электрически ток между анодом и катодом. Ток, который идёт к микросхеме, в блоке питания в таком случае увеличивается. Это вызывает уменьшение мощности блока питания. Затем происходит уменьшение напряжения до допустимого уровня. Следовательно, для блока питания применяют TL431 с целью того, чтобы поддерживалось стабильное выходное напряжение.

Одна из самых важных частей микросхемы – источник опорного напряжения. Он эквивалентен ширине запрещённой зоны. Основные составляющие есть на фото кристалла – пространство эммитера транзистора Q5 в восемь раз превышает Q4. Так, два транзистора имеют разные реакции на температуру. Объединение выходных сигналов с транзисторов происходит посредство объединения через резисторы R4, R3 и R2 в необходимой пропорции с целью компенсации эффектов температуры. Итого, формируется стабильный опорный сигнал.

В компаратор по температуре из стабилизированной запрещённой зоны посылается напряжение. Входом компаратора служат Q9 и Q8, Q1 и Q6. Выход же компатора идёт через Q10, чтобы управлять резистором Q11 (выходной).

Схема включения TL431

Схема включения и контроля напряжения TL431A

Нередко терморезистор выполняет функцию датчика температуры, уменьшая степень своего сопротивления в случае возрастания температуры. Это происходит по причине отрицательного температурного коэффициента сопротивления (ТКС). Те резисторы, у которых сопротивление увеличивается вместе с увеличением температуры (с положительным значением ТКС), имеют название позисторы. В этом терморегуляторе в случае превышения температуры заданного лимита, заработает реле или любое другое устройство с подобными функциями. Оно сразу же отключит нагрузку или включит систему охлаждения в зависимости от ситуации.

Данная схема имеет малый гистерезис, и чтобы его увеличить, нужно ввести ООС (отрицательная обратная связь) между выводами 1-3. К примеру, подстроченный резистор с сопротивлением 1.0-0.5 мОм. Надо подобрать экспериментальным путём подобрать в зависимости от требуемого гистерезиса. Если требуется, чтобы устройство срабатывало во время температурного снижения, тогда следует поменять местами регуляторы и датчик. Иначе говоря, включить в верхнее плечо термистор, а в нижнее – переменное сопротивление с самим резистором.

Подключение устройства TL431 требует внимания и является ответственной операцией, при которой важно не пренебрегать правилами безопасности, как например при подключении электроплиты.

TL431, что это за «зверь» такой? — Начинающим — Теория

Николай Петрушов

 

Рис. 1 TL431.

TL431 была создана в конце 70-х и по настоящее время широко используется в промышленности и в радиолюбительской деятельности.
Но не смотря на её солидный возраст, не все радиолюбители близко знакомы с этим замечательным корпусом и его возможностями.
В предлагаемой статье я постараюсь ознакомить радиолюбителей с этой микросхемой.

Для начала давайте посмотрим, что у неё внутри и обратимся к документации на микросхему, «даташиту» (кстати, аналогами этой микросхемы являются — КА431, и наши микросхемы КР142ЕН19А, К1156ЕР5х).
А внутри у неё с десяток транзисторов и всего три вывода, так что же это такое?

Рис. 2 Устройство TL431.

Оказывается всё очень просто. Внутри находится обычный операционный усилитель ОУ (треугольник на блок-схеме) с выходным транзистором и источником опорного напряжения.
Только здесь эта схема играет немного другую роль, а именно — роль стабилитрона. Ещё его называют «Управляемый стабилитрон».

Как он работает?
Смотрим блок-схему TL431 на рисунке 2. Из схемы видно, ОУ имеет (очень стабильный) встроенный источник опорного напряжения 2,5 вольт (маленький квадратик) подключенный к инверсному входу, один прямой вход (R), транзистор на выходе ОУ, коллектор (К) и эмиттер (А), которого объединены с выводами питания усилителя и защитный диод от переполюсовки. Максимальный ток нагрузки этого транзистора до 100 мА, максимальное напряжение до 36 вольт.

Рис. 3 Цоколёвка TL431.

Теперь на примере простой схемы, изображенной на рисунке 4, разберём, как это всё работает.
Мы уже знаем, что внутри микросхемы имеется встроенный источник опорного напряжения — 2,5 вольт. У первых выпусков микросхем, которые назывались TL430 — напряжение встроенного источника было 3 вольта, у более поздних выпусков, доходит до 1,5 вольта.

Значит для того, чтобы открылся выходной транзистор, необходимо на вход (R) операционного усилителя, подать напряжение — чуть превышающее опорное 2,5 вольт, (приставку «чуть» можно опустить, так как разница составляет несколько милливольт и в дальнейшем будем считать, что на вход нужно подать напряжение равное опорному), тогда на выходе операционного усилителя появится напряжение и выходной транзистор откроется.
Если сказать по простому, TL431 — это что то типа полевого транзистора (или просто транзистора), который открывается при напряжении 2,5 вольта (и более), подаваемого на его вход. Порог открытия-закрытия выходного транзистора здесь очень стабильный из-за наличия встроенного стабильного источника опорного напряжения.

Рис. 4 Схема на TL431.

Из схемы (рис. 4) видно, что на вход R микросхемы TL431, включен делитель напряжения из резисторов R2 и R3, резистор R1 ограничивает ток светодиода.
Так как резисторы делителя одинаковые (напряжение источника питания делится пополам ), то выходной транзистор усилителя (ТЛ-ки) откроется при напряжении источника питания 5 вольт и более ( 5/2=2,5). На вход R в этом случае с делителя R2-R3 будет подаваться 2,5 вольт.

То есть светодиод у нас загорится (откроется выходной транзистор) при напряжении источника питания — 5 вольт и более. Потухнет соответственно при напряжении источника менее 5-ти вольт.
Если увеличить сопротивление резистора R3 в плече делителя, то необходимо будет увеличить и напряжение источника питания больше 5 вольт, для того, что-бы напряжение на входе R микросхемы, подаваемое с делителя R2-R3 опять достигло 2,5 вольт и открылся выходной транзистор ТЛ-ки.

Получается, что если данный делитель напряжения (R2-R3) подключить на выход БП, а катод ТЛ-ки к базе или затвору регулирующего транзистора БП, то изменением плеч делителя, например изменяя величину R3 — можно будет изменять выходное напряжение данного БП, потому что при этом будет изменяться и напряжение стабилизации ТЛ-ки (напряжение открытия выходного транзистора) — то есть мы получим управляемый стабилитрон.

Или если подобрать делитель не изменяя его в дальнейшем — можно сделать выходное напряжение БП строго фиксированным при определённом значении.

Вывод; — если микросхему использовать как стабилитрон (основное её назначение), то мы можем с помощью подбора сопротивлений делителя R2-R3 сделать стабилитрон с любым напряжением стабилизации в пределах 2,5 — 36 вольт (максимальное ограничение по «даташиту»).
Напряжение стабилизации в 2,5 вольта — получается без делителя, если вход ТЛ-ки подключить к её катоду, то есть замкнуть выводы 1 и 3.

Тогда возникают ещё вопросы. можно ли например заменить TL431 обычным операционником?
— Можно, только если есть желание конструировать, но необходимо будет собрать свой источник опорного напряжения на 2,5 вольт и подать питание на операционник отдельно от выходного транзистора, так как ток его потребления может открыть исполнительное устройство. В этом случае можно сделать опорное напряжение какое угодно (не обязательно 2,5 вольта), тогда придётся пересчитать сопротивления делителя, используемое совместно с TL431, чтобы при заданном выходном напряжении БП — напряжение подаваемое на вход микросхемы было равно опорному.

Ещё один вопрос — а можно использовать TL431, как обычный компаратор и собрать на ней, допустим, терморегулятор, или что то подобное?

— Можно, но так как она отличается от обычного компаратора уже наличием встроенного источника опорного напряжения, схема получится гораздо проще. Например такая;

Рис. 5 Терморегулятор на TL431.

Здесь терморезистор (термистор) является датчиком температуры, и он уменьшает своё сопротивление при повышении температуры, т.е. имеет отрицательный ТКС (Температурный Коэффициент Сопротивления). Терморезисторы с положительным ТКС, т.е. сопротивление которых при увеличении температуры увеличивается — называются позисторы.
В этом терморегуляторе при превышении температуры выше установленного уровня (регулируется переменным резистором), сработает реле или какое либо исполнительное устройство, и контактами отключит нагрузку (тэны), или например включит вентиляторы в зависимости от поставленной задачи.

Эта схема обладает малым гистерезисом, и для его увеличения, необходимо вводить ООС между выводами 1-3, например подстроечный резистор 1,0 — 0,5 мОм и величину его подобрать экспериментальным путём в зависимости от необходимого гистерезиса.
Если необходимо, чтобы исполнительное устройство срабатывало при понижении температуры, то датчик и регуляторы нужно поменять местами, то есть термистор включить в верхнее плечо, а переменное сопротивление с резистором — в нижнее.
И в заключении, Вы уже без труда разберётесь, как работает микросхема TL431 в схеме мощного блока питания для  трансивера, которая приведена на рисунке 6, и какую роль здесь играют резисторы R8 и R9, и как они подбираются.

Рис. 6 Мощный блок питания на 13 вольт, 22 ампера.

 

TL 431 стабилитрон, схемы включения, характеристики регулятор

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.

Линейный стабилизатор напряжения с регулировкой на TL431 и NPN транзисторах

Всем привет!
В последнее время я увлекся сборкой схем линейных стабилизаторов напряжения. Такие схемы не требуют редких деталей, а подборка компонентов и настройка также не вызывает особых сложностей. В этот раз я решил собрать схему линейного стабилизатора напряжения на «регулируемом стабилитроне» (микросхеме) TL431. TL431 выступает в качестве источника опорного напряжения, а силовую роль выполняет мощный NPN транзистор в корпусе ТО -220.

При входном напряжении 19В, схема способна служить источником стабилизированного напряжения в пределах от 2,7 до 16 В при токе до 4А. Стабилизатор оформлен в виде модуля, собранного на макетной плате. Выглядит следующим образом:

Видео:

Стабилизатор требует блок питания постоянного тока. Имеет смысл применять такой стабилизатор с классическим линейным блоком питания, состоящим из железного трансформатора, диодного моста и конденсатора большой емкости. Напряжение в сети может меняться в зависимости от нагрузки и как следствие, будет меняться напряжение на выходе трансформатора. Данная схема будет обеспечивать стабильное выходное напряжение при изменяющимся входном. Нужно понимать, что стабилизатор понижающего типа, а также на самой схеме падает 1-3 В напряжения, поэтому максимальное выходное напряжение будет всегда меньше входного.

В качестве блока питания для данного стабилизатора в принципе можно использовать и импульсные блоки питания, например от ноутбука на 19 В. Но в этом случае, роль именно стабилизации будет минимальной, т.к. заводские импульсные блоки питания и так на выходе выдают стабилизированное напряжение.

Схема:

Подбор компонентов
Максимальный ток, который может через себя пропустить микросхема TL431, согласно документации – 100 мА. В моем случае, я ограничил ток с запасом до примерно 80 мА при помощи резистора R1. Нужно рассчитать резистор по формулам.

Для начала нужно определить сопротивление резистора. При максимальном входном напряжении 19В по закону Ома сопротивление рассчитывается следующим образом:
R= U/I = 19В / 0,08A = 240 Ом

Нужно рассчитать мощность резистора R1:
P=I^2*R = 0,08 А * 0,08 А * 240 Ом = 1,5 Ватта

Я использовал советский резистор на 2 Ватта

Резисторы R2 и R3 образуют делитель напряжения, которое «программирует» TL431, причем резистор R3 переменный, что позволяет менять опорное напряжение, которое потом повторяется каскадом из транзисторов. Я использовал R2 – 1К Ом, R3 — 10К оМ. Мощность резистора R2 зависит от выходного напряжения. Например, при выходном напряжении 19В:
P=U^2/R = 19 * 19/ 1000 = 0,361 Ватт

Я использовал резистор в 1 Ватт.

Резистор R4 служит для ограничения тока на базе транзистора VT2. Номинал подбирать лучше опытным путем, контролируя выходное напряжение. Если сопротивление будет слишком большим, это заметно ограничит выходное напряжение схемы. В моем случае – это 100 Ом, мощность годится любая.

В качестве основного силового транзистора (VT1) лучше использовать транзисторы в корпусе ТО – 220 или более мощном (ТО247, ТО-3). Я использовал транзистор Е13009, купленный на Али Эксресс. Транзистор на напряжение до 400В и ток до 12А. Для подобной схемы высоковольтный транзистор – не самое оптимальное решение, но работать будет нормально. Транзистор скорее всего поддельный и 12 А не выдержит, а вот 5-6А вполне. В нашей схеме ток до 4А, поэтому для данной схемы годится. В данной схеме транзистор должен быть способен рассеять мощность до 30-35 Ватт.

Рассчитывается рассеваемая мощность как разница между входным и выходным напряжением умноженная на ток коллектора :
P = (U выход -U вход)*I коллектора
Например, входное напряжение у нас 19 В, мы выставили выходное напряжение 12 В, а ток коллектора у нас 3 А
Р = (19В-12В) *3А = 21 Ватт – вполне нормальная ситуация для нашего транзистора.

А если мы продолжим снижать выходное напряжение до 6В, то картина будет другая:
Р = (19В-6В) *3А = 39 Ватт , что не очень хорошо для транзистора в корпусе ТО-220 (еще нужно учитывать, что при закрытии транзистора ток тоже будет уменьшаться: на 6В ток будет около 2-2,5А, а не 3). В таком случае лучше либо использовать другой транзистор в более массивном корпусе, либо уменьшить разницу между входным и выходным напряжением (например, если блок питания трансформаторный, путем переключения обмоток).

Также транзистор должен быть рассчитан на ток от 5А и больше. Лучше брать транзистор со статическим коэффициентом передачи тока от 20. Китайский транзистор вполне соответствует данным требованиям. Перед запайкой в схему, я его проверил (ток и рассеиваемую мощность) на специальном стенде.

Т.к. TL431 может выдавать ток не более 100 мА, а для питания базы транзистора требуется больший ток, потребуется ещё один транзистор, который будет усиливать ток с выхода микросхемы TL431, повторяя опорное напряжение. Для этого и нужен транзистор VT2.
Транзистор VT2 должен быть способен подавать достаточный ток на базу транзистора VT1.

Грубо определить необходимый ток можно через статический коэффициент передачи тока (h31э или hFE или β) транзистора VT1. Если мы хотим на выходе иметь ток в 4 А, а статический коэффициент передачи тока VT1 равен 20, то:
I базы = I коллектора / β = 4 А / 20 = 0,2 А.

Статический коэффициент передачи тока будет меняться в зависимости от тока коллектора, так что это значение ориентировочное. Замер на практике показал, что нужно около 170 мА подать на базу транзистора VT1, чтобы ток коллектора был 4А. Транзисторы в корпусе ТО-92 начинают заметно греться при токах выше 0,1 А, поэтому в данной схеме я использовал транзистор КТ815А в корпусе ТО-126. Транзистор рассчитан на ток до 1,5А, статический коэффициент передачи тока — около 75. Небольшой радиатор для данного транзистора будет уместен.
Конденсатор С3 нужен для стабилизации напряжения на базе транзистора VT1, номинал — 100 мкФ, напряжение 25В.

На выходе и входе установлены фильтры из конденсаторов: С1 и С4 (электролитические на 25В, 1000 мкФ) и С2, С5 (керамические 2-10 мкФ).
Диод D1 служит для защиты транзистора VT1 от обратного тока. Диод D2 нужен для защиты от транзистора при питании коллекторных электродвигателей. Двигатели при отключении питания ещё какое-то время крутятся и в режиме торможения работают как генераторы. Вырабатываемый таким образом ток идет в обратном направлении и может повредить транзистор. Диод в данном случае замыкает двигатель на себя и ток не доходит до транзистора. Резистор R5 выполняет роль малой нагрузки для стабилизации в холостом режиме, номинал 10к Ом, мощность любая.

Сборка
Схема собирается в виде модуля на макетной плате. Я использовала радиатор из импульсного блока питания.

С радиатором такого размера не стоит максимально нагружать схему. При токе больше 1 А, необходимо заменить радиатор на более массивный, обдув вентилятором тоже не помешает.

Важно помнить, что чем больше разница между входным и выходным напряжением и чем больше ток, тем больше выделяется тепла и тем сильнее нужно охлаждение.
На пайку ушло около часа. В принципе хорошим тоном было бы сделать плату методом ЛУТ, но т.к. плата мне требуется только в одном экземпляре, не хотелось тратить время на проектирование платы.

Получился вот такой модуль:

После сборки проверил характеристики:

Схема практически не имеет защит (имеется в виду, что нет защиты от КЗ, защиты от переполюсовки, плавного старта, ограничения по току и т.д.), поэтому использовать ее нужно очень аккуратно. По той же причине не рекомендуется использовать подобные схемы в «лабораторных» блоках питания. Для этой цели лучше подойдут готовые микросхемы в корпусе ТО-220 на токи до 5А, например КР142ЕН22А. Либо как минимум для данной схемы нужно сделать дополнительный модуль для защиты от КЗ.

Схему можно назвать классической, как и большинство схем линейных стабилизаторов. Современные импульсные схемы имеют множество преимуществ, например: более высокий КПД, гораздо меньший нагрев, меньшие габариты и вес. В то же время линейные схемы проще освоить начинающим радиолюбителям, и если КПД и габариты не особо важны, они вполне годятся для питания устройств стабилизированным напряжением.

И конечно же ничто не сравниться с чувством, когда запитал какое-то устройство от самодельного источника питания, а линейные схемы для начинающих радиолюбителей более доступны, как ни крути. Доставка новых самоделок на почту

Получайте на почту подборку новых самоделок. Никакого спама, только полезные идеи!

*Заполняя форму вы соглашаетесь на обработку персональных данных

Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.

tl431, tl432 — Регулируемые источники опорного напряжения — DataSheet

Свойства

• Регулируемое выходное напряжение: от 2.5 В до 36 В
• Нагрузочный ток: от 1 мА до 100 мА
• Полное выходное сопротивление: 0.22 Ом
• Отклонение точности установленного выходного напряжения 1% или 2 %
• Температурный диапазон: от  — 40 °C до +125 °C

Применение

• Источники питания
• Промышленность
• Автомобили

 

Купить TL431

 

Описание

TL431 и TL432 — регулируемые стабилитроны с гарантированной стабильностью в рабочем диапазоне температур.  Температурный диапазон расширен для автомобильной версии (от  — 40 °C до +125 °C).  Выходное напряжение может быть установлено в диапазоне от 2.5 В до 36 В с помощью двух внешних резисторов. TL431 и TL432 могут работать в широком диапазоне токов от 1 мА до 100 мА c полным динамическим сопротивлением 0.22 Ом. Отечественным налогом является микросхема 142ЕН19.

Типы корпусов

1 Схематическое представление

 

Расположение выводов для корпуса TO-92 (вид сверху)Рис. 2 Расположение выводов для корпуса SO8 (вид сверху)

 

Рис. 3 Расположение выводов для корпусов SOT23-5 и SOT23-3 (вид сверху)

Рис. 4 Расположение выводов для корпуса SOT323-6 (вид сверху)

 

Рис. 5 Блок-схема TL431 и TL432

 

 

2 Абсолютные максимальные значения и условия эксплуатации

 

Абсолютные максимальные значения

Обозначение	Параметр	Значение	Ед. изм.
VKA	Напряжение между катодом и анодом	37	В
Ik	Диапазон катодного тока	от -100 до +150	мА
Rthja	Тепловое сопротивление между кристаллом и окружающей средой
	TO-92	200	°C/Вт
	SO-8	85	°C/Вт
	SOT23-3L	248	°C/Вт
	SOT23-5L	157	°C/Вт
	SOT323-6L	221	°C/Вт
Rthjс	Тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом
	SO-8	30	°C/Вт
	SOT23-3L	136	°C/Вт
	SOT23-5L	67	°C/Вт
	SOT323-6L	110	°C/Вт
Tstg	Температура хранения	от -65 до +150	°C
TJ	Температура p-n перехода	150	°C
ESD	TL431IY, TL431AIY-T: HBM (модель человеческого тела)	3000	В
	TL431-TL432: HBM (модель человеческого тела)	2000
	MM: модель машины	200
	CDM: Модель заряженного устройства	1500

1. Короткое замыкание может привести к перегреву. Все значения являются типовыми.
2. Модель человеческого тела представляет собой конденсатор 100 пФ, заряженный до указанного напряжения, который разряжается между двумя выводами устройства, через резистор 1,5 кОм. Это проделывается для всех комбинаций пар связанных выводов.
3. Модель машины: конденсатор 200 пФ , заряженный до указанного напряжения, который разряжается между двумя выводами устройства без внешнего резистора (внутреннее сопротивление < 5 Ом). Это проделывается для всех комбинаций пар связанных выводов.
4. Модель заряженного устройства: все выводы и корпус заряжаются вместе до указанного значения напряжения, а затем разряжаются непосредственно на землю только через один вывод.

 

Рабочие значения

Обозначение	Параметр	Значение	Ед. изм.
VKA	Напряжение между катодом и анодом	от Vref  до 36	В
Ik	Катодный ток	от 1 до 100	мА
Toper	Диапазон рабочих температур на открытом воздухе
	TL431C/AC	от 0 до +70	°C
	TL431I/AI — TL432I/AI	от -40 до +105
	TL431IY/AIY	от -40 до +125

3 Электрические характеристики

 

TL431C (T_amb = 25° C, если не указано иное) 

Обозначение	Параметр	TL431C			TL431AC			Ед. изм.
		Мин.	Тип.	Макс.	Мин.	Тип.	Макс.
Vref	Входное опорное напряжение							В
	VKA = Vref, Ik = 10 мА, Tamb = 25° C	2.44	2.495	2.55	2.47	2.495	2.52
	Tmin ≤ Tamb ≤ Tmax	2.423		2.567	2.453		2.537
ΔVref	Отклонение входного опорного напряжения в зависимости от температуры							мВ
	VKA = Vref, Ik = 10 мА, Tmin ≤ Tamb ≤ Tmax		3	17		3	15
Vref/Vka	Отношение изменения входного опорного напряжения к изменению напряжения между анодом и катодом (1)
	Ik = 10 мА , ΔVKA = от 10 В до Vref	-2.7	-1.4		-2.7	-1.4		мВ/В
	ΔVKA = от 36 В до 10 В	-2	-1		-2	-1
Iref	Входной опорный ток  Ik = 10 мА, R1 = 10 кОм, R2 = ∞							мкА
	Tamb = 25° C		1.8	4		1.8	4
	Tmin ≤ Tamb ≤ Tmax			5.2			5.2
ΔIref	Отклонение входного опорного тока в зависимости от температуры							мкА
	Ik = 10 мА, R1 = 10 кОм, R2 = ∞
	Tmin ≤ Tamb ≤ Tmax		0.4	1.2		0.4	1.2
Imin	Минимальный катодный ток для управления VKA = Vref		0.5	1		0.5	0.6	мА
Ioff	Катодный ток в закрытом состоянии		2.6	1000		2.6	1000	нА
|ZKA|	Полное динамическое сопротивление (2) VKA = Vref, ΔIk = от 1 до 100 мА f ≤ 1 кГц		0.22	0.5		0.22	0.5	Ом

1. См. пункт 3.1
2. Полное динамическое сопротивление рассчитывается по формуле: |ZKA| =ΔV_KA/ΔIk

 

TL431I/TL432I (T_amb = 25° C, если не указано иное) 

Обозначение	Параметр	TL431I/TL432I			TL431AI/TL432AI			Ед. изм.
		Мин.	Тип.	Макс.	Мин.	Тип.	Макс.
Vref	Входное опорное напряжение							В
	VKA = Vref, Ik = 10 мА, Tamb = 25° C	2.44	2.495	2.55	2.47	2.495	2.52
	Tmin ≤ Tamb ≤ Tmax	2.41		2.58	2.44		2.55
ΔVref	Отклонение входного опорного напряжения в зависимости от температуры (1)							мВ
	VKA = Vref, Ik = 10 мА, Tmin ≤ Tamb ≤ Tmax		7	30		7	30
Vref/Vka	Отношение изменения входного опорного напряжения к изменению напряжения между анодом и катодом
	Ik = 10 мА , ΔVKA = от 10 В до Vref	-2.7	-1.4		-2.7	-1.4		мВ/В
	ΔVKA = от 36 В до 10 В	-2	-1		-2	-1
Iref	Входной опорный ток  Ik = 10 мА, R1 = 10 кОм, R2 = ∞							мкА
	Tamb = 25° C		1.8	4		1.8	4
	Tmin ≤ Tamb ≤ Tmax			6.5			6.5
ΔIref	Отклонение входного опорного тока в зависимости от температуры							мкА
	Ik = 10 мА, R1 = 10 кОм, R2 = ∞
	Tmin ≤ Tamb ≤ Tmax		0.8	2.5		0.8	1.2
Imin	Минимальный катодный ток для управления VKA = Vref		0.5	1		0.5	0.7	мА
Ioff	Катодный ток в закрытом состоянии		2.6	1000		2.6	1000	нА
|ZKA|	Полное динамическое сопротивление (2) VKA = Vref, ΔIk = от 1 до 100 мА f ≤ 1 кГц		0.22	0.5		0.22	0.5	Ом

1. См. пункт 3.1
2. Полное динамическое сопротивление рассчитывается по формуле: |ZKA| =ΔV_KA/ΔIk

 

TL431IY (T_amb = 25° C, если не указано иное) 

Обозначение	Параметр	TL431IY			TL431AIY			Ед. изм.
		Мин.	Тип.	Макс.	Мин.	Тип.	Макс.
Vref	Входное опорное напряжение							В
	VKA = Vref, Ik = 10 мА, Tamb = 25° C	2.44	2.495	2.55	2.47	2.495	2.52
	Tmin ≤ Tamb ≤ Tmax	2.41		2.58	2.44		2.55
ΔVref	Отклонение входного опорного напряжения в зависимости от температуры (1)							мВ
	VKA = Vref, Ik = 10 мА, Tmin ≤ Tamb ≤ Tmax		7	30		7	30
Vref/Vka	Отношение изменения входного опорного напряжения к изменению напряжения между анодом и катодом
	Ik = 10 мА , ΔVKA = от 10 В до Vref	-2.7	-1.4		-2.7	-1.4		мВ/В
	ΔVKA = от 36 В до 10 В	-2	-1		-2	-1
Iref	Входной опорный ток  Ik = 10 мА, R1 = 10 кОм, R2 = ∞							мкА
	Tamb = 25° C		1.8	4		1.8	4
	Tmin ≤ Tamb ≤ Tmax			6.5			6.5
ΔIref	Отклонение входного опорного тока в зависимости от температуры							мкА
	Ik = 10 мА, R1 = 10 кОм, R2 = ∞
	Tmin ≤ Tamb ≤ Tmax		0.8	2.5		0.8	1.2
Imin	Минимальный катодный ток для управления VKA = Vref		0.5	1		0.5	0.6	мА
Ioff	Катодный ток в закрытом состоянии		2.6	1000		2.6	1000	нА
	Tmin ≤ Tamb ≤ Tmax			3000			3000
|ZKA|	Полное динамическое сопротивление (2) VKA = Vref, ΔIk = от 1 до 100 мА f ≤ 1 кГц		0.22	0.5		0.22	0.5	Ом

1. См. пункт 3.1
2. Полное динамическое сопротивление рассчитывается по формуле: |ZKA| =ΔV_KA/ΔIk

 

3.1 Отклонение входного опорного напряжения в диапазоне температур

 

ΔV_ref определяется как разница между максимальным и минимальным значениями, полученными на всем диапазоне температур.

Рис. 6 Отклонение входного опорного напряжения на всем диапазоне температур

 

Рис. 7 Тестовая цепь для VKA = Vref

 

Рис. 8 Тестовая цепь для режима управления

 

Рис. 9 Тестовая цепь для Ioff

 

Рис. 10 Цепь для проверки запаса по фазе и усиления по напряжению

 

Рис. 11 Цепь для проверки времени срабатывания

Рис. 12 Зависимость опорного напряжения от температуры	Рис. 13 Зависимость опорного напряжения от катодного тока
Рис. 14 Зависимость опорного напряжения от катодного тока в приближенном масштабе	Рис. 15 Опорный ток от температуры
Рис. 16 Катодный ток в закрытом состоянии от температуры	Рис. 17 Зависимость отношения изменения Vref к VKA от температуры
Рис. 18 Статическое полное сопротивление от температуры	Рис. 19 Минимальный рабочий ток от температуры
Рис. 20 Усиление и фаза от температуры	Рис. 21 Стабильность при разных емкостях нагрузки
Рис. 22 Максимальная рассеиваемая мощность	Рис. 23 Импульсная характеристика для Ik = 1 мА

4 Применение

 

Рис. 24 Схема включения для компаратора с опорным напряжением

 

Параметры	Значения
Диапазон входного напряжения	от 0 В до 5 В
Входное сопротивление	10 кОм
Напряжение питания	24 В
Катодный  (Ik)	5 mA
Уровень выходного напряжения	~2 В – VSUP
Логический вход VIH/VIL	VL

Рис. 25 Схема включения для параллельного стабилизатора

Параметры	Значения
Отклонение опорного напряжения	1.0 %
Напряжение питания	24 В
Катодный ток (Ik)	5 мА
Уровень выходного напряжения	2.5 В — 36 В
Нагрузочная емкость	100 нФ
Резисторы обратной связи (R1 & R2)	10 kΩ

 

Рис. 26 Схема мощного стабилизатора напряжения

1. Сопротивление R должно обеспечивать ток  ≥1 mA для TL431 при минимуме V_(BATT).

 

Рис. 27 Схема управления трехвыводного стабилизатора с фиксированным выходом

 

Рис. 28 Схема мощного параллельного стабилизатора

 

Рис. 29 Схема с зашитой от перенапряжений

 

Рис. 30 Высокоточный стабилизатор 5 В, 1.5 А на LM317

 

Рис. 31 Эффективный, высокоточный стабилизатор на 5 В

1. Резистор R_b должен обеспечивать катодный ток для TL431 ≥1 мА.

Рис 32 ШИМ конвертер с опорным напряжением на TL431

 

Рис. 33 Схема устройства контроля напряжения

1. R3 и R4 следует подобрать такими, чтобы обеспечить желаемую яркость свечения светодиодов и катодный ток  ≥1 мА при напряжении V_I(BATT)

 

Рис. 34 Реле времени

 

Рис. 35 Высокоточный ограничитель тока

 

Рис. 36 Прецизионный источник постоянного тока

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Реверс-инжиниринг TL431, крайне распространенной микросхемы, о которой вы и не слышали

Кен, как и планировал, провёл реверс-инжиниринг микросхемы по фотографиям, сделанным BarsMonster. Барс в статье упомянул своё общение с Кеном, но этой переводимой статьи тогда еще не было.

Фото кристалла интересной, но малоизвестной, микросхемы TL431, используемой в блоках питания, даёт возможность разобраться в том, как аналоговые схемы реализуются в кремнии. Несмотря на то, что схема на фото выглядит как какой-то лабиринт, сама микросхема относительно проста, и может быть исследована без большого труда. В своей статье я попытаюсь объяснить каким образом транзисторы, резисторы и другие радиодетали запакованы в кремний для выполнения своих функций.

Фото кристалла TL431. Оригинал Zeptobars.

TL431 является «программируемым прецизионным источником опорного напряжения» [1] и обычно используется в импульсных источниках питания для реализации обратной связи в случае, когда выходное напряжение слишком велико или, наоборот, мало. Используя участок цепи, называемый бандгапом (источник опорного напряжения, величина которого определяется шириной запрещённой зоны), TL431 предоставляет стабильный источник опорного напряжения в широком температурном диапазоне. На блок-схеме TL431 видны 2.5-вольтовый источник опорного сигнала и компаратор, но, глядя на фото кристалла, можно заметить, что внутреннее устройство микросхемы отличается от чертежа.

Блок-схема TL431, взятая из даташита.

У TL431 длинная история: он был выпущен еще в 1978 [2] году и с тех пор побывал во множестве устройств. Он помогал стабилизировать напряжение в блоке питания для Apple II, а сейчас используется в большинстве ATX блоков питания [3] и даже в зарядных устройствах для iPhone и прочих девайсов. И MagSafe-коннекторы, и адаптеры для ноутбуков, и микрокомпьютеры, LED драйверы, блоки питания для аудиотехники, видеоприставки, телевизоры [4]. Во всей этой электронике присутствует TL431.

Фотографии ниже показывают TL431 внутри шести различных БП. TL431 выпускается самых разных форм и размеров. Два наиболее популярных форм-фактора показаны ниже. [5] Возможно, причина того, что TL431 не привлекает особого внимания, заключается в том, что он больше похож на обычный транзистор чем на микросхему.

Шесть примеров схем БП, использующих TL431. Верхний ряд: дешёвый 5-вольтовый БП, дешёвое ЗУ для телефона, ЗУ для Apple iPhone (на фото можно еще заметить GB9-вариацию). Нижний ряд: MagSafe адаптер, ЗУ KMS USB, Dell ATX БП (на переднем плане — оптопары)

Как же радиоэлектронные компоненты выглядят в кремнии?

TL431 очень простая микросхема, и вполне возможно понять её логику на кремниевом уровне пристальным изучением фото. Я покажу, каким же образом транзисторы, резисторы, перемычки и конденсаторы реализованы. А затем уже проведу полный реверс-инжиниринг данной микросхемы.

Реализация транзисторов различных типов

Микросхема использует как n-p-n, так и p-n-p биполярные транзисторы (в отличие от микросхем навроде 6502, в которых использовались MOSFET). Если вы изучали электронику в школе или в университете, вы возможно видели схему n-p-n транзистора (вроде той, что ниже), на которой показаны коллектор (обозначен как C), база (B) и эмиттер (E). Транзистор изображен в виде своеобразного бутерброда с P-слоем между двумя N-слоями, такое расположение слоёв характеризует транзистор как n-p-n. Однако, выясняется, что в микросхеме нет совершенно ничего схожего с этой схемой. Даже база находится не в центре!

Символьное обозначение и структура n-p-n транзистора.

На фотографии ниже можно рассмотреть один из транзисторов TL431. Цветовые различия в розовых и фиолетовых регионах вызваны разным легированием кремния, для формирования N и P областей. Светло-желтые области — металлический слой микросхемы, располагающийся поверх кремниевого. Такие области нужны для обеспечения возможности подключения проводников к коллектору, эмиттеру и базе.

В нижней части фотографии нарисовано поперечное сечение, примерно изображающее как конструируется транзистор. [6] Можно заметить, что на нём куда больше деталей, чем в n-p-n бутерброде из книг, Однако, если внимательно присмотреться, то в поперечном сечении под эмиттером (E) можно найти то самое n-p-n, которое формирует транзистор. Проводник эмиттера соединяется с N+ кремнием. Под ним располагается P-слой, подключенный к контакту базы. Еще ниже — слой N+, соединенный с коллектором (не напрямую). [7] Транзистор заключен в P+ кольцо для изоляции от соседних компонентов. Так как большинство транзисторов в TL431 принадлежат к n-p-n типу, то, после того как разобрались в первый раз, их очень просто находить на фотографии и определять нужные контакты.

n-p-n транзистор из фотографии кристалла TL431, и его структура в кремнии.

Выходной n-p-n транзистор намного больше остальных, так как ему необходимо выдерживать полную нагрузку по току. Большинство транзисторов работает с микроамперами, а этот выходной транзистор поддерживает ток до 100 миллиампер. Для работы с такими токами он и сделан более крупным (занимает 6% всего кристалла), и имеет широкие металлические коннекторы на эмиттере и коллекторе.

Топология выходного транзистора сильно отличается от других n-p-n транзисторов. Он создаётся, так сказать, боком, планарная структура вместо глубинной, и база располагается между эмиттером и коллектором. Металл слева подсоединён к десяти эмиттерам (синеватый кремний N-типа), каждый из которых окружен розовым P-слоем, который является базой (средний проводник). Коллектор (правая часть) имеет только один большой контакт. Проводники эмиттера и базы образуют вложенную «гребёнку». Обратите внимание, что металл коллектора становится шире сверху вниз для того, чтобы поддерживать большие токи на нижней части транзистора.

Транзисторы p-n-p типа имеют совершенно другое строение. Они состоят из округлого эмиттера (P), окруженного кольцом базы (N), которую, в свою очередь, обступает коллектор (P). Таким образом, получается горизонтальный бутерброд, вместо обычной вертикальной структуры n-p-n транзисторов. [8]

Схема снизу показывает один из таких p-n-p транзисторов, а поперечное сечение изображает кремниевую структуру. Стоит отметить то, что хотя металлический контакт для базы находится в углу транзистора, он электрически соединен через N и N+ области с активным кольцом, пролегающим между коллектором и эмиттером.

Структура p-n-p транзистора.

Реализация резисторов в микросхеме

Резисторы являются ключевым компонентом почти в любой аналоговой схеме. Они реализованы как длинная полоса легированного кремния. (Похоже, что в этой микросхеме использовался кремний P-типа). Различные сопротивления достигаются использованием различной площади материала — сопротивление пропорционально площади.

Снизу заметно три резистора — их формируют три длинных горизонтальных полоски кремния. Желтоватые металлические проводники проходят через них. Места соединения металлического слоя и резистора выглядят как квадраты. Расположение этих контактов и задаёт длину резистора и, соответственно, его сопротивление. К примеру, сопротивление нижнего резистора немного больше остальных потому, что контакты расположены на большем расстоянии. Верхние два резистора объединены в пару металлическим слоем сверху слева.

Резисторы.

Резисторы в микросхемах имеют очень плохой допуск — сопротивление может различаться на 20% между микросхемами из-за вариаций в производственном процессе. Очевидно, что это серьезная проблема для таких точных микросхем, как TL431. Поэтому TL431 спроектирован таким образом, что важной характеристикой является не конкретное сопротивление, а отношение сопротивлений. Конкретные значения сопротивлений не сильно важны, если сопротивления меняются в одной пропорции. Вторым методом уменьшения зависимости от эффекта изменчивости является сама топология микросхемы. Резисторы располагаются на параллельных дорожках одинаковой ширины для снижения эффекта от любой асимметрии в сопротивлении кремния. Кроме того, они размещены рядом друг с другом для минимизации отклонений в свойствах кремния между разными частями микросхемы. Помимо всего этого, в следующей главе я расскажу о том, как перед корпусированием кристалла можно настроить сопротивления для регулирования производительности микросхемы.

Кремниевые перемычки для настройки сопротивлений

Вот чего я не ожидал в TL431, так это перемычек для подстройки сопротивлений. Во время производства микросхем эти перемычки могут быть удалены для того, чтобы отрегулировать сопротивления и повысить точность микросхемы. На некоторых более дорогих микросхемах есть сопротивления, которые могут быть удалены лазером, просто выжигающим часть резистора перед корпусированием. Точность настройки таким методом куда выше чем у перемычек.

Цепь с перемычкой показана на фото снизу. Она содержит параллельных два резистора (на фото они выглядят как один элемент) и перемычку. В обычном состоянии, эта перемычка шунтирует резисторы. При изготовлении микросхемы, её характеристики могут быть замерены, и если требуется большее сопротивление, то два щупа подсоединяются к площадкам и подаётся высокий ток. Этот процесс сжигает перемычку, добавляя немного сопротивления цепи. Таким образом, сопротивление всей схемы может быть немного подкорректировано для улучшения характеристик микросхемы.

Перемычка для настройки сопротивления

Конденсаторы

TL431 содержит всего два внутренних конденсатора, но они выполнены в двух совершенно разных манерах.

Первый конденсатор (под текстом «TLR431A») сформирован обратносмещенным диодом (красноватые и фиолетовые полосы). У инверсного слоя в диоде есть ёмкостное сопротивление, которое может быть использовано для формирования конденсатора (подробнее). Главное ограничение такого типа конденсаторов в том, что ёмкостное сопротивление разнится в зависимости от напряжения, потому что меняется ширина инверсного слоя.

Конденсатор, образованный p-n переходом. Вендорная строка написана с помощью металла, нанесенного поверх кремния.

Второй конденсатор сконструирован совершенно другим методом, и больше похож на обычный конденсатор с двумя пластинами. Даже не на что поглядеть — он состоит из большой металлической пластины с подложкой из N+ кремния в качестве второй пластины. Для того чтобы уместиться рядом с другими частями цепи, он имеет неправильную форму. Данный конденсатор занимает около 14% площади кристалла, иллюстрируя то, что конденсаторы в микросхемах очень неэффективно используют пространство. В даташите упоминается, что оба конденсатора по 20 пикоФарад, но я не знаю насколько этому можно верить.

Конденсатор.

Реверс-инжиниринг TL431

Промаркированный кристалл TL431.

На схеме сверху выделены и поименованы элементы на кристалле, и затем перенесены на чертеж снизу. После всех разъяснений ранее, я думаю, структура любого элемента должна быть ясна. Три пина микросхемы подсоединены к площадкам «ref», «anode» и «cathode». Микросхема имеет один уровень металлизации (светло-желтый) для соединения компонентов. На чертеже сопротивление задаётся относительно неизвестного R. Наверное, 100 Ом вполне подходит, но я не знаю точного значения. Самым большим сюрпризом было то, что характеристики элементов сильно отличились от тех, что были опубликованы ранее в других схемах. Данные характеристики фундаментально сказываются на том, как в целом работает стабилитрон с напряжением запрещённой зоны. [9]

Чертеж TL431

Как работает микросхема?

Работа TL431 извне выглядит довольно незатейливо — если на контакт «ref» подаётся напряжение выше 2.5 вольт, то выходной транзистор проводит ток между катодом и анодом. В блоке питания это увеличивает ток, идущий к управляющей микросхеме (косвенно), и влечёт за собой уменьшение мощности БП, после чего происходит спад напряжения до нормального уровня. Таким образом, БП используют TL431 для того, чтобы стабильно держать необходимое выходное напряжение.

Наиболее интересная часть микросхемы это источник опорного напряжения, равного ширине запрещённой зоны. [10]. Ключевые элементы видны на фото кристалла: область эмиттера транзистора Q5 в 8 раз больше чем у Q4, поэтому два транзистора по-разному реагируют на температуру. Выходные сигналы с транзисторов объединяются через резисторы R2, R3, R4 в нужной пропорции для компенсации температурных эффектов, и формируют стабильный опорный сигнал. [11] [12]

Напряжения из стабилизированного по температуре бандгапа посылаются в компаратор, входом которого являются Q6 и Q1, а Q8 и Q9 управляют им. Наконец, выход компаратара проходит через Q10 для управления выходным транзистором Q11.

«Открываем» микросхему низко-технологичным методом

Получение фотографии кристалла микросхемы обычно требует её растворения в опасных кислотах, и фотографирование самого кристалла с помощью дорогого металлографического микроскопа. (Zeptobars описывал этот процесс здесь). Мне было интересно что получится, если я просто разломаю TL431 зажимными щипцами и взгляну на него в дешёвый микроскоп. В процессе я переломил кристалл пополам, но всё равно получил интересные результаты. На изображении виден большой медный анод внутри корпуса, который еще работает и как радиатор. Рядом с ним кристалл (по крайней мере, большая его часть), который был установлен на аноде внутри белого круга. Заметили, насколько сам кристалл меньше своего корпуса?

Корпус TL431, внутренний анод и большая часть от кристалла.

Используя простой микроскоп, я получил фото снизу. Несмотря на то, что, очевидно, я не получил такого же качественного снимка как у Zeptobars, структура микросхемы видна значительно лучше чем я ожидал. Данный эксперимент показывает, что вы можете проводить снятие корпуса микросхем и фотографирование кристалла даже не касаясь разных опасных кислот. Сравнивая свой снимок дешевого TL431, заказанного на eBay, с TL431, сфотографированного Zeptobars, вижу их идентичность. Так как его микросхема не совпадает с опубликованными чертежами, то я гадаю, не прекратили ли они в определенный момент производство того странного варианта микросхемы. Но думаю, что это предположение неверно.

Кусок кристалла, сфотографированный через микроскоп.

Заключение

На самом ли деле TL431 наиболее распространенная микросхема о которой не слышали люди? Нет надежного способа проверить, но я думаю что это хороший кандидат. Похоже, никто не публиковал данные, в которых другая микросхема была бы произведена в больших количествах. Некоторые источники утверждают что таймер 555 является наиболее распространенной микросхемой с миллиардными тиражами каждый год (не очень мне верится в такое большое число). Но TL431 точно располагается достаточно высоко в списке по распространенности. Вы, скорее всего, имеете TL431 в каком-то устройстве на расстоянии вытянутой руки прямо сейчас (ЗУ для телефона, адаптер питания для ноутбука, блок питания PC или монитора). Разница между 555 или 741 и TL431 в том, что эти микросхемы настолько широко известны, что уже стали чуть ли не частью поп-культуры — книги, майки и даже кружки. Но если вы не работаете с блоками питания, достаточно высоки шансы, что вы никогда и не слышали о TL431. Таким образом, я отдаю свой голос TL431 в такой странной номинации. Если у вас есть какие-то другие варианты микросхем, которые незаслуженно обошли вниманием, оставляйте комментарии.

Признательности

Снимки кристалла сделаны Zeptobars (за исключением моего). Чертёж и анализ основываются на работе Cristophe Basso [12] Кроме того, я значительно улучшил свой анализ с помощью дискуссий с Михаилом из Zeptobars и Visual 6502 group, в частности B. Engl.

Заметки и ссылки

1. Из-за того, что у TL431 не самая обычная функция, стандартного названия для элемента такого рода не существует. Разные даташиты дают такие имена: «регулируемый шунтирующий стабилизатор», «программируемый прецизионный источник опорного напряжения», «программируемый шунтирующий источник опорного напряжения», «программируемый стабилитрон». ↑

2. Я раскопал истоки возникновения TL431 в Voltage Regulator Handbook, опубликованным Texas Instruments в 1977 году. Предшественником этой микросхемы был TL430, выпущенный как регулируемый шунтирующий стабилизатор в 1976. TL431 был создан в том же 1976 как обновление для TL430 с улучшенной точностью и стабильностью, и поэтому был назван как регулируемый прецизионный шунтирующий стабилизатор. В 1977 его анонсировали как один из будущих продуктов TI, а выпустили в продажу уже в 1978. Другим анонсом являлся TL432, который должен был бы называться «Компоновочный блок из таймера/стабилизатора/компаратора» и состоять из источника опорного напряжения, компаратора и транзисторного усилителя, согласно предварительному даташиту. Но на момент выпуска TL432, план по предоставлению «компоновочных блоков» был забыт. TL432 превратился в аналог TL431 с другими расположением контактов для более удобной разводки плат (даташит). ↑

3. Современные ATX блоки питания (пример раз, пример два) зачастую содержат по три TL431. Один для обратной связи при резервном питании, второй для обратной связи в основной схеме питания, а третий берётся в качестве линейного регулятора для 3.3В выходного напряжения. ↑

4. Интересно взглянуть на импульсные БП, которые не используют TL431. Более ранние модели использовали опорный стабилитрон в качестве источника опорного напряжения. Например, такое практиковалось в первых экземплярах блоков питания для Apple II (Astec AA11040), но вскорости в них сделали замену стабилитрона на TL431 — Astec AA11040, ревизия B. В Commodore CBM-II, модель B, применялось необычное решение — TL430 вместо TL431. Оригинальный блок питания для IBM PC использовал опорный стабилитрон (вместе с кучей операционных усилителей). Позднее БП для PC часто использовали ШИМ-контроллер TL494, который уже содержал источник опорного напряжения для вторичной цепи. Другие БП могли содержать SG6105, уже включающий в себя два TL431.
В зарядных устройствах для телефонов обычно применяют TL431. Редко можно встретить дешёвую подделку этого элемента: проще взять опорный стабилитрон вместо него и сэкономить пару центов. Другим исключением могут являться такие зарядные устройства, как для iPad’a. В них реализована стабилизация в первичной цепи и не требуется совсем никакой обратной связи от выходного напряжения. В своей статье про блоки питания я описал это подробнее. ↑

5. TL431 доступен в большем числе вариантов корпуса чем я думал. На двух фотографиях TL431 выполнен в «транзисторном» корпусе с тремя ножками (TO-92). На остальных фотографиях показан SMD-вариант в SOT23-3. TL431 также может быть в 4-контактном, 5-контактном, 6-контактном и 8-контактном SMD-корпусе (SOT-89, SOT23-5, SOT323-6, SO-8 или MSOP-8). Кроме того, его можно встретить в более крупном варианте TO-252 или даже в виде 8-контактного микросхемы (DIP-8). (картинки). ↑

6. Более детальную информацию о том, как устроен в кремнии биполярный транзистор, можно найти много где. Semiconductor Technology даёт неплохой обзор об устройстве n-p-n транзистора. Презентация Basic Integrated Circuit Processing очень детально описывает производство микросхем. Даже схемы с википедии очень интересны. ↑

7. Возможно, вы гадаете, почему это идёт терминологическое разделение на коллектор и эмиттер, если в нашей простой схеме транзистора они абсолютно симметричны? Ведь оба подключаются к N-слою, чему там различаться? Но как можете видеть на фото кристалла, коллектор и эмиттер не только сильно отличаются по размеру, но и легирование проходит по-разному. Если поменять коллектор и эмиттер местами, по у транзистора будет очень слабый коэффициент передачи. ↑

8. p-n-p транзисторы в TL431 имеют круговую структуру, которая их очень сильно отличает от n-p-n. Эта круговая структура проиллюстрирована в книге Designing Analog Chips от Hans Camenzind, автора таймера 555. Если вы хотите узнать больше о том, как работают аналоговые микросхемы, то я рекомендую эту книгу, в которой детально разъясняется этот вопрос с минимумом математики. Бесплатный PDF или бумажная версия.
Кроме того, о структуре p-n-p транзисторов можно почитать в «Principles of Semiconductor». А книга «Analysis and Design of Analog Integrated Circuits» рассказывает о детальных моделях биполярных транзисторов и о том, как они имплементируются в микросхемах. ↑

9. Транзисторы и резисторы на кристалле, который я исследовал, имеют совершенно другие характеристики по сравнению с теми, что публиковались ранее. Эти характеристики фундаментально задают работу стабилитрона с напряжением запрещённой зоны. Конкретно говоря, на предыдущих схемах R2 и R3 были в отношении 1 к 3, а у Q5 зона эмиттера была в два раза больше чем у Q4. Глядя на фото кристалла, я вижу что R2 и R3 имеют одинаковое сопротивление, а Q5 имеет зону эмиттера в 8 раз большую по сравнению с Q4. Исходя из таких отношений между характеристиками, мы получим другое ΔVbe. Для того чтобы компенсировать разницу между фактическими характеристиками и вычисленными, в прошлых схемах R1 и R4 так же были сделаны иными чем на кристалле. Я разъясню этот момент более подробно дальше в статье, но просто отмечу: Vref = 2*Vbe + (2*R1+R2)/R4 * ΔVbe должно быть около 2.5 вольт. Обратите внимание, важно не конкретное сопротивление резисторов, а именно их отношения. Как я писал ранее, это помогает нейтрализовать плохой допуск резисторов в микросхеме. На кристалле Q8 сформирован из двух параллельных транзисторов. Но я не могу понять, что стоит за этим странным решением. Я ожидал, что Q8 и Q9 будут идентичны, чтобы построить сбалансированный компаратор. Моя основная теория заключается в том, что это сделано для настройки опорного напряжения, чтобы оно достигало 2.5В. B. Engl предположил, что это могло помогать устройству лучше работать при низком напряжении. ↑

10. Я не буду здесь углубляться в детали реализации стабилитрона с напряжением запрещённой зоны, разве упомяну что пусть его название и звучит как имя какого-то безумного квантового устройства, но, на самом деле, это просто пара транзисторов. Чтобы разобраться в том, как работает данный стабилитрон, можете поглядеть статью «How to make a bandgap voltage reference in one easy lesson» за авторством Paul Brokaw, изобретателя одноименного стабилитрона опорного напряжения. Кроме того есть еще такая презентация. ↑

11. В известном смысле, цепь бандгапа в TL431 работает в противоположном направлении, по сравнению с обычным бандгапом, который подводит к эмиттеру правильные напряжения, чтобы получить на выходе необходимое значение. TL431 же берёт опорное напряжение в качестве входного, а эмиттеры использует как входные сигналы для компаратора. Другими словами, в противоположность блок-схеме, внутри TL431 входной «ref» сигнал не сравнивается ни с каким стабильным опорным напряжением. Вместо этого, вход «ref» генерирует два сигнала для компаратара, которые совпадают если входное напряжение 2.5 вольта. ↑

12. Существует много статей о TL431, но они все с уклоном в матан и ожидают от читателя каких-либо начальных знаний по теории автоматического управления, графикам Боде, и так далее. «The TL431 in Switch-Mode Power Supplies loops» — классическая статья от Christophe Basso и Petr Kadanka. Она объясняет работу TL431 в цепи компенсации обратной связи в действующих блоках питания. Книжка содержит детальные чертежи и описания внутреннего устройства элемента. Еще есть интересные статьи на powerelectronics.com. В статье «Designing with the TL431» от Ray Ridley, для Switching Power Magazine, содержится подробное объяснение того, как использовать TL431 в цепях обратной связи для БП и так же объясняется работа компенсатора. Можно обратить внимание на презентацию «The TL431 in the Control of Switching Power Supplies» от ON Semiconductor. Конечно же, даташит тоже содержит чертежи внутреннего устройства микросхемы. Странно, но сопротивления на этих чертежах отличаются от тех, что я получил, исследуя фото кристалла. ↑

Tl431 — схема и принцип включения, характеристики, использование

Все люди, которые интересуются электрикой и все, что с ней связано, изучают различные микросхемы, в том числе цоколевку TL431. Что собой представляет tl431 схема включения, какие у нее основные технические характеристики, как ее использовать, каков источник опорного напряжения на tl431? Об этом и другом далее.

Что это такое

Цоколевка TL431 является одной из микросхем, которая массово стала выпускаться с 1978 года. Ее можно было найти в большинстве советской электронике. Делая точное описание, необходимо сказать, что это прецизионный программируемый источник опорного напряжения. Он популярен из-за того, что имеет низкую стоимость, высокую точность и универсальность.

Основные разновидности цоколевки TL431

Характеристики

Обладает анодно-катодным напряжением в 36 вольт, анодно-катодным током до 100 микроампер, опорным источником напряжения от 0,5 до 2%. Работает в широком диапазоне напряжений, имеет маленькие токовые импульсные параметры в 100 микроампер.

Обратите внимание! Чтобы получить более мощный параллельный ток, то интегральный стабилитрон должен стать источником опорного напряжения, который бы регулировал функцию в качестве мощного транзистора.

Основные технические характеристики прецизионного программируемого источника опорного напряжения

Особенности эксплуатации

TL431 обладает мощным корпусом, программируемым выходным напряжением, низким эквивалентным температурным и световым коэффициентом, не содержит свинца и имеет низкий выход шума сигнализатора. Проверяется мультиметром.

Принцип работы очень просто понять, смотря на структурную схему. В момент того, когда напряжение на выходе ниже, чем на опоре, то на конце операционный усилитель будет работать с такой же силой. Если же этот показатель будет в норме, то усилителем будет открыт транзистор и по катоду с анодом будет течь заряд.

Использование и принцип включения цоколевки TL431

Компенсационный стабилизатор напряжения

Принцип его работы такой же, как и у обычного стабилитрона. Благодаря разности напряжения у входа и выхода компенсируется мощного вида биполярный транзистор. Однако стабилизированная точность выше благодаря выходу стабилизатора.

Обратите внимание! Для стабилизации тока используется промежуточный вид усилительного каскада. Оба транзисторных устройства работают с эмиттерным повторителем, то есть усиливается ток и не повышается показатель силы.

Подключение компенсационного стабилизатора напряжения

Реле времени

Важно понимать, что TL431 многофункциональный. Благодаря показателю в 4 микроампера входного тока, можно сделать реле времени. Когда основной контакт разомкнется, медленно начнет заряжаться транзистор. При получении напряжения в 2,5 вольт, транзистор на выходе будет открыт, и благодаря оптопаровому светодиоду будет протекать электроток. В соответствии с этим будет открыт фототранзистор и замкнута внешняя цепь.

Согласно приведенной ниже схеме, второй резистор осуществляет ограничение тока с помощью оптрона и стабилизатора, третий же предупреждает тот момент, чтобы зажегся светодиод.

Схема работы реле времени

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.

Чем можно заменить

Заменить устройство сегодня можно отечественным и зарубежным аналогом. Отлично справляются со своей задачей TL431, TL431A, TL431ACD, TL431ACZ, TL431CLP, TL431CD и другие.

Основной аналог цоколевки TL 431 — TL431CD

В целом, цоколевка TL431 является регулируемым стабилитроном, используемым как источник опорного напряжения в разных блоках питания. С самого начала выпуска ее использовали в компьютерах, ноутбуках и прочей электронике. Принцип ее работы прост: операционный усилитель открывает транзистор и к аноду начинает протекать ток. Имеет свое реле, стабилизатор тока и зарядник. Аналогом оборудования служит TL431CLP, TL431CD и другие.