TL431 to regulowany stabilizator równoległy: utrzymuje zadane napięcie przez zmianę prądu płynącego między katodą a anodą. Napięcie ustawia zewnętrzny dzielnik rezystorowy, a rezystor szeregowy ogranicza prąd pobierany z zasilania. Poprawny dobór obwodu wymaga uwzględnienia minimalnego prądu katody, tolerancji elementów i mocy strat.
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 od Uref do maksymalnie 36 V (wg noty katalogowej). Maksymalny prąd katody jest rzędu 100 mA (wg noty katalogowej); nie oznacza to dopuszczalnego prądu przy każdym napięciu i w każdej obudowie.
2. Najważniejsze właściwości TL431
Poniższe wartości katalogowe zależą od producenta i wersji układu. Sprawdź kartę katalogową konkretnego oznaczenia, zwłaszcza warunki tolerancji i gwarantowany minimalny prąd regulacji.
| Parametr | Wartość typowa / wg noty katalogowej | Znaczenie przy projektowaniu |
|---|---|---|
| Napięcie odniesienia Uref | Typowo około 2,495 V | Punkt odniesienia dla dzielnika napięcia |
| Tolerancja Uref: TL431 / TL431A / TL431B | Wg noty katalogowej: ±2 % / ±1 % / ±0,5 % | To tolerancja odniesienia, a nie całego obwodu |
| Napięcie katoda–anoda | Wg noty katalogowej: od Uref do maksymalnie 36 V | Trzeba równocześnie sprawdzić moc strat |
| Maksymalny prąd katody | Wg noty katalogowej: rzędu 100 mA | Wartość graniczna, nie zalecany punkt pracy |
| Minimalny prąd katody do regulacji | Typowo / wg noty katalogowej: rzędu 1 mA | Nota rozróżnia wartość typową i maksymalną; przewidź zapas, np. kilka mA |
| Prąd wejścia REF, Iref | Typowo około 2 µA, ogólnie rzędu kilku µA | Wprowadza błąd zależny od rezystancji dzielnika |
3. TL431: schemat działania obwodu
TL431 ma katodę, anodę i wejście odniesienia REF. Przed montażem sprawdź rozmieszczenie wyprowadzeń dla wybranej obudowy w karcie katalogowej.
Napięcie wyjściowe ustawia zewnętrzny, precyzyjny dzielnik rezystorowy.
Pod względem funkcjonalnym TL431 przypomina regulowaną diodę Zenera, lecz napięcie kontroluje jego wewnętrzny układ sterowania.
Jak działa obwód TL431
Jak wygląda to w praktyce?
Rezystory R1 i R2 tworzą dzielnik napięcia w pętli sprzężenia zwrotnego. R1 łączy katodę z REF, a R2 łączy REF z anodą. Napięcie wyjściowe Uwy mierzymy między katodą a anodą.
Gdy Uwy rośnie, zwiększa się napięcie na wejściu REF, a TL431 przewodzi większy prąd. Silniejsze bocznikowanie powoduje obniżenie napięcia wyjściowego.
Układ dąży do zrównania napięcia na wejściu REF z Uref. Napięcie wyjściowe opisuje zależność Uwy = Uref · (1 + R1/R2) + Iref · R1. Pominięcie ostatniego składnika daje wzór przybliżony.
Dobierając R1 i R2, trzeba zachować katalogowy zakres napięcia katody podany w tabeli oraz zapewnić odpowiednie napięcie zasilania.
Aby TL431 działał prawidłowo, trzeba dobrać rezystor szeregowy oraz poprawnie połączyć anodę i katodę. Minimalny prąd katody jest rzędu 1 mA (typowo / wg noty katalogowej), ale projekt należy oprzeć na gwarantowanej granicy dla danej wersji i pozostawić zapas.
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:
Uwy = Uwe − I · Rs, gdzie I to całkowity prąd rezystora szeregowego Rs. Od napięcia wejściowego odejmujemy spadek napięcia na rezystorze, czyli iloczyn prądu i rezystancji.
Dobór dzielnika TL431 dla napięcia 5 V
Przyjmijmy cel 5 V oraz R2 = 10 kΩ. W pierwszym kroku pomijamy prąd REF i przyjmujemy Uref = 2,495 V (typowo wg noty katalogowej). Wymagana rezystancja wynosi:
R1 = (5 V / 2,495 V − 1) · 10 kΩ ≈ 10,04 kΩ. Wybieramy dostępne w szeregu E12/E24 rezystory R1 = R2 = 10 kΩ. Obliczone napięcie bez poprawki wynosi Uwy = 2,495 V · 2 = 4,99 V.
Dla Iref = 2 µA (typowo wg noty katalogowej) poprawka wynosi 2 µA · 10 kΩ = 0,02 V, więc otrzymujemy około 5,01 V. Są to obliczenia, a nie nasze pomiary. Zwiększanie rezystancji dzielnika zwiększa wpływ prądu REF na napięcie wyjściowe.
| Przypadek dla rezystorów o tolerancji 1 % | Obliczone Uwy |
|---|---|
| R1 i R2 mają wartości nominalne | 4,99 V |
| R1 +1 %, R2 −1 % | Około 5,04 V |
| R1 −1 %, R2 +1 % | Około 4,94 V |
W tabeli uwzględniono wyłącznie rozrzut rezystorów: Uwy = 2,495 V · (1 + 1,01/0,99) albo 2,495 V · (1 + 0,99/1,01). Pominięto Iref oraz tolerancję Uref. Nie jest to zatem pełny przedział błędu gotowego stabilizatora. Dokładniejsza odmiana TL431 nie usuwa błędu stosunku R1/R2.
Rezystor szeregowy i moc strat — przykład 12 V na 5 V
Załóżmy Uwe = 12 V, Uwy = 5 V, prąd obciążenia Iobc = 10 mA i planowany prąd katody Ik = 5 mA. Rezystor musi dostarczyć prąd zarówno odbiornikowi, jak i TL431:
Rs = (Uwe − Uwy)/(Iobc + Ik) = (12 V − 5 V)/(10 mA + 5 mA) ≈ 467 Ω. Wybieramy 470 Ω. Poniższy bilans jest uproszczony: pomija prąd dzielnika. W rzeczywistym obwodzie ten dodatkowy pobór trzeba doliczyć do obciążenia; odpowiednio zmniejszy on prąd dostępny dla katody.
| Wielkość | Obliczenie dla Rs = 470 Ω |
|---|---|
| Prąd rezystora szeregowego | I = (12 V − 5 V)/470 Ω ≈ 14,9 mA |
| Prąd katody bez obciążenia, w przybliżeniu | Ik ≈ 14,9 mA |
| Moc TL431 bez obciążenia | P ≈ 5 V · 14,9 mA ≈ 74 mW |
| Moc rezystora szeregowego | P ≈ 7 V · 14,9 mA ≈ 104 mW |
| Prąd katody przy obciążeniu 10 mA | Ik ≈ 14,9 mA − 10 mA ≈ 4,9 mA |
W tym przykładzie rezystor 0,25 W wystarczy dla obliczonej mocy. Brak obciążenia jest najgorszym przypadkiem dla strat TL431 przy przyjętym zasilaniu: niemal cały prąd przejmuje układ. Przy obciążeniu 10 mA prąd katody pozostaje powyżej minimum, ale zapas na dalszy wzrost obciążenia jest mały. Spadek zasilania lub wzrost obciążenia może doprowadzić do utraty regulacji; wzrost zasilania zwiększa straty i ryzyko przegrzania.
Stabilność i ograniczenia praktyczne TL431
TL431 może się wzbudzać przy niektórych wartościach kondensatora obciążającego katodę. Nie dobieraj go „na oko”: sprawdź obszar stabilności w nocie konkretnego producenta i zastosuj zalecane wartości lub układ kompensacji. Większa pojemność nie gwarantuje stabilniejszego napięcia.
Stabilizator równoległy zużywa energię również wtedy, gdy odbiornik jej nie potrzebuje. Przy większych prądach wykorzystaj TL431 jako źródło odniesienia sterujące tranzystorem wykonawczym. Sprawdź wtedy moc strat tranzystora, TL431 oraz rezystorów w skrajnych warunkach zasilania i obciążenia.
4. Dziewięć zastosowań układu TL431
Poniżej przedstawiamy dziewięć praktycznych zastosowań TL431.
1. Regulowany stabilizator napięcia z TL431
Budowa regulowanego stabilizatora z układem TL431 jest stosunkowo prosta.
Schemat obwodu regulatora nastawnego
Obwód pozwala regulować napięcie w zakresie podanym w tabeli parametrów. O jego poprawnej pracy decydują:
napięcie zasilania i rezystor szeregowy,
prąd obciążenia i zapas prądu katody,
wartości oraz tolerancje rezystorów R1 i R2.
Do obliczenia napięcia w regulowanym stabilizatorze służy następujący wzór:
Uwy = Uref · (1 + R1/R2) + Iref · R1, gdzie Uref ≈ 2,495 V (typowo wg noty katalogowej).
Maksymalny prąd katody jest rzędu 100 mA (wg noty katalogowej), ale dopuszczalna moc strat może ograniczać go wcześniej. Dla większych prądów obciążenia potrzebny jest odpowiednio dobrany tranzystor wykonawczy.
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. Dzielnik ustala próg, a zmiana przewodzenia katody może sterować dodatkowym stopniem tranzystorowym.
Poziomy napięcia na wyjściu zależą od całego obwodu, jego zasilania i obciążenia. Przed połączeniem z wejściem cyfrowym trzeba sprawdzić zgodność poziomów logicznych.
4. Obwód ochrony przeciwprzepięciowej TL431
Schemat obwodu ochrony przed przepięciem
TL431 może wykrywać przekroczenie dopuszczalnego napięcia i uruchamiać zewnętrzny obwód ochronny. Dzielnik ustala próg zadziałania w granicach katalogowego zakresu pracy. Sam TL431 nie odłącza zasilania chronionego urządzenia.
W układzie z tyrystorem przekroczenie progu powoduje jego załączenie i przepływ prądu mającego uruchomić bezpiecznik. Skuteczność ochrony zależy od doboru tych elementów oraz możliwości źródła zasilania. Próg można oszacować wzorem Uprog ≈ Uref · (1 + R1/R2), pomijając wpływ Iref.
5. Źródło stałoprądowe z TL431
TL431 może sterować tranzystorem wykonawczym w źródle stałoprądowym. Rezystor pomiarowy RCL służy do uzyskania napięcia zależnego od prądu, a pozostałe elementy zapewniają właściwe warunki pracy obwodu.
Punktem odniesienia jest Uref ≈ 2,495 V (typowo wg noty katalogowej).
Zasilanie musi zapewniać zapas napięcia potrzebny do pracy elementów regulacyjnych.
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. TL431 jako komparator napięcia
W roli komparatora TL431 zaczyna przewodzić i włącza transoptor po przekroczeniu ustawionego progu napięcia.
Schemat ideowy komparatora
Układ porównuje napięcie na REF z Uref ≈ 2,495 V (typowo wg noty katalogowej). Zmiana prądu katody sygnalizuje przekroczenie progu; parametry zewnętrznego obwodu decydują o uzyskanym sygnale wyjściowym.
7. Monitor napięcia TL431
Monitor napięcia z TL431 może zapalać diodę LED po osiągnięciu zadanego progu. Taki wskaźnik informuje o napięciu; samo przekroczenie progu nie jest uniwersalnym potwierdzeniem pełnego naładowania akumulatora.
Podobny obwód można spotkać również w ładowarkach do telefonów.
Próg monitora opisuje przybliżenie Uprog ≈ Uref · (1 + R1/R2), z pominięciem Iref. Jest to napięcie, po którego osiągnięciu obwód sygnalizuje zmianę stanu.
Schemat obwodu dla monitora napięcia
Napięcie odniesienia TL431 wynosi około 2,495 V (typowo wg noty katalogowej). 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. Trzeba przy tym zachować katalogowe ograniczenia prądu i mocy strat.
Zmianę przewodzenia można wykorzystać do sterowania obwodem sygnalizacyjnym. Gdy wymagany prąd przekracza możliwości TL431, potrzebny jest dodatkowy tranzystor wykonawczy.
Schemat kontrolowanej charakterystyki bocznikowej
9. Zasilacz impulsowy TL431
W zasilaczu impulsowym TL431 może pełnić funkcję wzmacniacza błędu w pętli regulacji napięcia.
We współpracy z transoptorem przekazuje informację o napięciu wyjściowym do sterownika po drugiej stronie bariery izolacyjnej.
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 monitora zależy od tolerancji Uref, stosunku rezystancji dzielnika i wpływu Iref. Dostrojenie dzielnika nie zastępuje sprawdzenia minimalnego prądu katody, stabilności oraz mocy strat.
Jeśli któryś aspekt działania TL431 nadal wymaga wyjaśnienia, skontaktuj się z nami. Chętnie pomożemy.
