Jeśli projektujesz regulator liniowy, układ zasilania ze sprzężeniem zwrotnym albo precyzyjny komparator napięcia, warto poznać układ TL431. Ten popularny element może pracować jako programowalne źródło napięcia odniesienia i stanowi praktyczną alternatywę dla klasycznego źródła typu bandgap.
TL431 odgrywa ważną rolę w stabilizacji napięcia i sterowaniu zasilaczami, choć jego prawidłowa konfiguracja wymaga zrozumienia kilku zależności. Wewnętrzne źródło napięcia odniesienia jest kompensowane temperaturowo.
Dla początkujących zasada działania układu może początkowo wydawać się złożona.
Dlatego w tym artykule krok po kroku omawiamy budowę, działanie i najważniejsze zastosowania TL431.
Zacznijmy od podstaw.
1. Czym jest układ TL431?
TL431 to trójwyprowadzeniowy układ scalony, często spotykany w pętli sprzężenia zwrotnego zasilaczy impulsowych. Pracuje jako regulowany stabilizator bocznikowy, a zewnętrzny dzielnik rezystorowy pozwala ustawić napięcie w zakresie od 2,5 do 36 V. Maksymalny prąd katody wynosi 100mA.
2. Najważniejsze właściwości TL431
Zanim przejdziemy do zasady działania, przyjrzyjmy się podstawowym właściwościom TL431:
dobra tolerancja napięcia odniesienia w temperaturze 25°C,
standardowa tolerancja napięcia wyjściowego (2%),
tolerancja wersji klasy A oraz wersji standardowej (2%),
tolerancja wersji klasy B (2%),
regulowane napięcie wyjściowe od Vref do 36 V,
zakres temperatur pracy od 40°C do 125°C,
typowe przesunięcie temperaturowe dla wersji TL43xB:
14 miliwoltów,
sześć miliwoltów,
niski poziom szumu wyjściowego,
typowa impedancja wyjściowa 0.2 Ω,
prąd roboczy od 1 mA do 100 mA,
pojemność układu zmienna w funkcji napięcia.
3. TL431: schemat działania obwodu
TL431 jest precyzyjnym układem sterowania napięciem, dostępnym między innymi w obudowie 8-pinowej, SOT23-3 oraz obudowach przypominających tranzystory. W praktyce stanowi uniwersalną alternatywę dla regulowanego stabilizatora napięcia.
Napięcie wyjściowe można ustawić z wykorzystaniem następujących elementów:
wybranej obudowy układu,
obudowy o większych wymiarach,
zewnętrznego, precyzyjnego dzielnika rezystorowego.
Układ ma jednak więcej możliwości.
Pod względem funkcjonalnym TL431 można traktować jako precyzyjną, regulowaną diodę odniesienia pracującą przy polaryzacji zaporowej.
Jak działa obwód TL431
Jak wygląda to w praktyce?
Rezystory R1 i R2 tworzą dzielnik napięcia oraz pętlę sprzężenia zwrotnego. Ich wartości, a także tolerancja, decydują o napięciu wyjściowym Vo.
Gdy Vo rośnie, zwiększa się napięcie w torze sprzężenia zwrotnego, a TL431 przewodzi większy prąd. Silniejsze bocznikowanie powoduje obniżenie napięcia wyjściowego.
Układ dąży do zrównania napięcia na wejściu odniesienia z Vref. Ujemne sprzężenie zwrotne stabilizuje obwód, a napięcie wyjściowe opisuje zależność Vo = (1+R1/R2)Vref.
Dobierając wartości R1 i R2, można ustawić napięcie wyjściowe w zakresie od 2,5v do 36v.
Aby TL431 działał prawidłowo, trzeba spełnić kilka warunków, w tym odpowiednio dobrać rezystor oraz zapewnić właściwe połączenie anody i katody. Prąd płynący między tymi wyprowadzeniami powinien być większy niż 1mA.
Gdy rośnie napięcie wejściowe, wzrasta również napięcie próbkowane z wyjścia. TL431 reaguje zmianą przewodzenia i przywraca wartość wyjściową do zadanego poziomu. Na tym polega podstawowa zasada regulacji.
Wewnętrzny układ steruje prądem bocznikowanym przez TL431. Wzrost prądu powoduje jednocześnie większy spadek napięcia na rezystorze ograniczającym.
Zależność opisująca regulację napięcia ma postać:
Napięcie wyjściowe = napięcie wejściowe - rezystor ograniczający prąd.
4. Dziewięć zastosowań układu TL431
Poniżej przedstawiamy dziewięć praktycznych zastosowań TL431.
1. Regulowany obwód regulatora z wykorzystaniem TL431
Budowa regulowanego stabilizatora z układem TL431 jest stosunkowo prosta.
Schemat obwodu regulatora nastawnego
Obwód pozwala regulować napięcie w znamionowym zakresie 2,5v - 36v. Uzyskana wartość zależy od następujących czynników:
wejściowego napięcia zasilania,
układu ścieżek na płytce,
wartości elementów R2 i R1.
Do obliczenia napięcia w regulowanym stabilizatorze służy następujący wzór:
V0 = Vref(1+R1/R2), Vref = 2,5v.
Prąd jest jednak ograniczony do 100mA. Jeśli potrzebna jest większa wartość, można zastosować tranzystor wspomagający albo parę tranzystorów.
Napięcie na rezystorze R jest związane z różnicą (Vi - Vo), dlatego jego prąd rośnie wraz ze wzrostem tej różnicy. TL431 pracuje wówczas jako programowalny stabilizator bocznikowy z kompensowanym temperaturowo źródłem bandgap.
2. Precyzyjne źródło napięcia odniesienia TL431
TL431 jest często wykorzystywany jako precyzyjne źródło napięcia odniesienia w obwodach sterowania izolowanych zasilaczy. Może także pracować jako element sterujący w układach analogowych.
Umożliwia to wbudowany wzmacniacz błędu.
Schemat obwodu precyzyjnego źródła napięcia odniesienia
Takie źródło napięcia odniesienia ma wydajny tranzystor wyjściowy, stabilną wartość referencyjną i dobrą stabilność temperaturową. Przy obciążeniu pojemnościowym trzeba jednak zwrócić uwagę na wartość CL, aby zapobiec samowzbudzeniu i zachować stabilne napięcie odniesienia (Vref).
3. Układ detektora napięcia z wykorzystaniem TL431
TL431 pozwala również zbudować prosty detektor poziomu napięcia. W obwodzie cyfrowym zasilanym napięciem 5v można wykorzystać tranzystory bipolarne, a po przekroczeniu progu uzyskać na wyjściu stan logiczny wysoki 5v.
Gdy sygnał przyjmuje stan niski, napięcie wyjściowe spada do 1,8v. Regulowany stabilizator bocznikowy ułatwia zatem zbudowanie pętli sprzężenia zwrotnego o oczekiwanym progu zadziałania.
4. Obwód ochrony przeciwprzepięciowej TL431
Schemat obwodu ochrony przed przepięciem
Jak wskazuje nazwa, układ ten chroni przed zbyt wysokim napięciem i zapewnia kompensację temperaturową w obwodach analogowych. Gdy napięcie wejściowe przekroczy ustawiony próg, chronione urządzenie zostaje automatycznie wyłączone. Precyzyjne napięcie odniesienia TL431 pozwala traktować go jak regulowaną diodę Zenera. Za pomocą dwóch zewnętrznych rezystorów próg można zaprogramować od Vref do 36v.
Układ pracuje w szerokim zakresie prądu od 1.0 mA do 100 mA, a jego typowa impedancja dynamiczna wynosi 0.22 Ω. Gdy Vi przekroczy ustawiony próg sprzężenia zwrotnego, TL431 zostaje wyzwolony. Tyrystor zaczyna wtedy przewodzić i powoduje przepływ dużego prądu impulsowego, który przepala bezpiecznik, chroniąc dalszą część obwodu. Punkt zadziałania V jest równy (1+R1/R2)Vref.
5. Układ źródła prądu stałego TL431
Stabilizator bocznikowy TL431 może pracować w szeregowym regulatorze prądu stałego. O wartości prądu wyjściowego decyduje przede wszystkim RCL, a nie R1. Rezystor R1 również uwzględnia się w obliczeniach, ale ma mniejsze znaczenie.
Wzór ten to Vref = 2,5 V.
Wartość minimalnego napięcia stałego zależy od zewnętrznej rezystancji i dodatniego napięcia odniesienia.
Schemat obwodu źródła stałoprądowego
Dobierając tranzystor mocy, należy uwzględnić odpowiedni zapas parametrów. Jeśli źródło prądowe nie zostanie połączone z obwodem stabilizowanym, może pełnić funkcję ogranicznika prądu.
6. Komparator TL431.
W roli komparatora TL431 zaczyna przewodzić i włącza transoptor po przekroczeniu ustawionego progu napięcia.
Schemat ideowy komparatora
TL431 ma trzy wyprowadzenia. VT mierzy napięcie proporcjonalne do napięcia wyjściowego, a układ porównuje je z wartością krytyczną Vref = 2.5v. Dzięki temu zmiany sygnału wyjściowego wiernie odpowiadają zmianom na wejściu.
7. Monitor napięcia TL431
Monitor napięcia z TL431 ma proste zadanie: zapala diodę LED po osiągnięciu zadanego napięcia. Dobrze sprawdza się więc w ładowarkach akumulatorów, na przykład w zasilaczu do laptopa, jako wskaźnik pełnego naładowania.
Podobny obwód można spotkać również w ładowarkach do telefonów.
Próg monitora opisuje wzór High limit = Vref (1+R1/R2). Wartość „High limit” oznacza napięcie docelowe, po którego osiągnięciu zapala się dioda LED.
Schemat obwodu dla monitora napięcia
W układzie TL431 napięcie odniesienia wynosi 2,5 V. Rezystory R1 i R2 tworzą dzielnik, za pomocą którego ustawia się wymagany próg zadziałania.
8. Sterowana charakterystyka bocznikowa TL431
W tym zastosowaniu nawet niewielka zmiana napięcia na zacisku REF zmienia stopień przewodzenia między katodą a anodą. Prąd może zmieniać się w zakresie 1 - 100 mA, co wpływa zarówno na prąd katody, jak i anody.
Sterowana charakterystyka bocznikowa pozwala wykorzystać niewielkie zmiany napięcia do sterowania lampką kontrolną, przekaźnikiem i innymi elementami. Układ może również bezpośrednio sterować niektórymi obciążeniami audio.
Schemat kontrolowanej charakterystyki bocznikowej
9. Zasilacz impulsowy TL431
W starszych konstrukcjach zasilaczy impulsowych TL431 pełnił jedną, ściśle określoną funkcję.
Po wzmocnieniu sygnału błędu układ przekazywał informację z wyjścia do wejściowej części zasilacza. Nowsze rozwiązania pozwalają realizować to zadanie bardziej elastycznie.
Schemat zasilacza impulsowego
W tym układzie TL431 wykorzystuje sygnał z wyjścia jako napięciowe sprzężenie zwrotne i wzmacnia uchyb regulacji. Prąd katody steruje następnie diodą transoptora, który przekazuje informację zwrotną przez barierę izolacyjną. Sygnał ten pozwala korygować pracę sterownika PWM w trybie prądowym i stabilizować napięcie stałe na wyjściu.
Podsumowanie
TL431 ma znacznie więcej zastosowań niż dziewięć przykładów opisanych powyżej. Może między innymi kontrolować napięcie wejściowe i zastępować regulowaną diodę Zenera. Jest dobrym wyborem wszędzie tam, gdzie potrzebne jest precyzyjne porównanie napięć.
Na koniec warto zapamiętać jedną praktyczną zasadę:
Dokładność rezystorów decyduje o dokładności monitora napięcia. Próg można precyzyjnie dostroić, łącząc rezystor R2 szeregowo z rezystorem nastawnym o niewielkiej wartości.
Jeśli któryś aspekt działania TL431 nadal wymaga wyjaśnienia, skontaktuj się z nami. Chętnie pomożemy.