Управляемый стабилизатор напряжения tl431 (on semiconductor)

Схема включения стабилитрона TL431

Теперь давайте посмотрим, как этот прибор может быть использован в практических схемах. Схема ниже показывает, как можно использовать TL431 в роли обычного регулятора напряжения:

Приведенный выше рисунок показывает, как с помощью всего пары резисторов и TL431 получить регулятор, работающий в диапазоне 2,5…36 вольт. R1 представляет собой переменный резистор, который используется для регулировки выходного напряжения.

Следующая формула справедлива для вычисления сопротивлений резисторов, в случае если мы хотим получить какое-то фиксированное напряжение.

Vo = (1 + R1/R2)Vref

При совместном применении стабилизаторов серии 78xx (7805,7808,7812..) и TL431 можно использовать следующую схему:

TL431 катод соединен с общим выводом 78xx. Выход 78xx подключен к одной из точки резисторного делителя напряжения, который определяет выходное напряжение.

Вышеуказанные схемы использования TL431 ограничены выходным током 100 мА максимум.

Для получения более высокого выходного тока может быть использована следующая схема.

В приведенной выше схеме большинство компонентов схожи с обычным регулятором, приведенным выше, за исключением того, что здесь катод подключен к плюсу через резистор и к их точке соединения подсоединена база буферного транзистора. Выходной ток регулятора будет зависеть от мощности данного транзистора.

Описание

TL431 – datasheet на русском. TL431 представляет собой регулируемый стабилизатор напряжения параллельного типа (интегральный аналог стабилитрона) и предназначен для использования в качестве ИОН и регулируемого стабилитрона с гарантированной термостабильностью по сравнению с применяемым коммерческим температурным диапазоном.

Выходное напряжение может быть установлено на любом уровне от 2,495 V (VREF) до 36 V, для этого применяются два внешних резистора, которые являются делителем напряжения.

Этот стабилизатор имеет широкий диапазон рабочих токов от 1,0 мА до 100 мА с динамическим сопротивлением 0,22 Ом. Активные выходные элементы TL431 обеспечивают резкие характеристики включения, благодаря чему эта микросхема работает лучше обычных стабилитронов во многих схемах.

Погрешность опорного напряжения ± 0,4% (TL431B) позволяет отказаться от использования переменного резистора, что экономит затраты и уменьшает проблемы дрейфа и надежности.

Простое зарядное устройство для литиевого аккумулятора.

Главное отличие зарядного устройства от блока питания – четкое ограничение зарядного тока. Следующая схема имеет два режима ограничения:
—
по току;
—
по напряжению;

Пока напряжение на выходе меньше 4,2 В ограничивается выходной ток, при достижении напряжением величины 4,2 В начинает ограничиватся напряжение и ток заряда снижается.
На следующей схеме ограничение тока осуществляют транзисторы VT1, VT2 и резисторы R1-R3. Резистор R1 выполняет функцию шунта, когда напряжение на нем превышает 0,6 В (порог открывания VT1), транзистор VT1 открывается и закрывает транзистор VT2. Из-за этого падает напряжение на базе VT3 он начинает закрываться и следовательно снижается выходное напряжение, а это ведет к снижению выходного тока. Таким образом работает обратная связь по току и его стабилизация. Когда напряжение подбирается к уровню 4,2 В в работу начинает вступать DA1 и ограничивать напряжение на выходе зарядного устройства.

А теперь список номиналов компонентов схемы:

• DA1 – TL431C;
• R1 – 2,2 Ом;
• R2 – 470 Ом;
• R3 – 100 кОм;
• R4 – 15 кОм;
• R5 – 22 кОм;
• R6 – 680 Ом (нужен для подстройки выходного напряжения);
• VT1, VT2 – BC857B;
• VT3 – BCP68-25;
• VT4 – BSS138.

Для автомобильных инверторов

Для автомобильных инверторов часто используются серии АС стабилитроны TL431. Схема включения в данном случае подразумевает использование двухразрядных триодов. Непосредственно фильтры применяются открытого типа. Если рассматривать схемы без расширителя, то пороговое напряжение колеблется в районе 10 Вт.

Непосредственно рабочий ток составляет 4 А. Параметр перегрузки системы допускается в 3 мА. Если рассматривать модификации с расширителями, то в данном случае устанавливаются высокоемкостные модуляторы. Резисторы используются стандартно селективного типа.

В некоторых случаях применяются разной мощности усилители. Параметр порогового напряжения, как правило, не превышает 12 Вт. Выходное сопротивление системы может колебаться от 70 до 80 Ом. Показатель точности стабилизации равняется примерно 2%. Рабочий ток у систем составляет не более 4.5 А. Непосредственно подключение стабилитронов происходит через катод.

Схемы включения

Стабилизатор LM317 зарекомендовал себя универсальной микросхемой способной стабилизировать напряжение и Амперы. За десятки лет разработаны сотни схем включения LM317T различного применения. Основное назначение, это стабилизатор напряжения в блоках питания. Для увеличения силы количества Ампер на выходе есть несколько вариантов:

1. подключение параллельно;
2. установка на выходе силовых транзисторов, получим до 20А;
3. замена на мощные аналоги LM338 до 5A или LM350 до 3А.

Для построения двухполярного блока питания применяются стабилизаторы отрицательного напряжение LM337.

Считаю, что параллельное подключение не самый лучший вариант из-за разницы в характеристиках стабилизаторов. Невозможно настроить несколько штук точно на одинаковые параметры, чтобы распределить нагрузку равномерно. Благодаря разбросу, на один нагрузка всегда будет больше чем на другие. Вероятность выхода из строя нагруженного элемента выше, если он сгорит, то резко возрастёт нагрузка на другие, которые могут не выдержать её.

Чтобы не подключать параллельно, лучше использовать для силовой части DC-DC преобразователя напряжения транзисторы на выходе. Они рассчитаны на большой ток и отвод тепла у них лучше из-за больших размеров.

Современные импульсные микросхемы уступают по популярности, её простоту трудно превзойти.  Стабилизатор тока на lm317 для светодиодов прост в настройке и расчётах, в настоящее время до сих пор применяется на небольших производствах электронных блоков.

Светодиодный драйвер

Светодиодный драйвер до 5А

Зарядное для аккумуляторов

Регулируемый двухполярный блок питания от 0 до 36В

Двухполярный БП LM317 и LM337,  для получения положительного и отрицательного напряжения.

    

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.

Модели AC

Для дипольных инверторов часто используются чери АС стабилитроны TL431. Как проверить работоспособность подсоединенного элемента? Сделать это можно при помощи обычного тестера. Параметр выходного сопротивления обязан составлять не более 70 Ом

Также важно отметить, что устройства этой серии включаются через векторный преобразователь

В данном случае скалярные модификации не подходят. Во многом это связано с низким порогом проводимости тока

Также важно отметить, что показатель номинального напряжения не превышает 4 Вт. Рабочий ток в цепи поддерживается на уровне 2 А

Для понижения тепловых потерь используются различные тиристоры. На сегодняшний день выпускаются расширительные и фазовые модификации.

Характеристики

Предельно допустимые характеристики КР142ЕН5А, сильно зависят от температуры её корпуса (Т_КОРП.) и приводятся в даташит производителей отдельно от остальных. Перечислим их:

максимальное напряжение на входе (UВХ.) до 15 В, при ТКОРП. = — 45 …+ 70 °C;

при Т_КОРП. = — 45 …+ 100 °C:

• выходное напряжение (U_ВЫХ.) находится в диапазоне 4.9 … 5.1 В;
• рассеиваемая мощность (Р_МАКC.) без радиатора не более 1.5 Вт., с теплоотводом до 10 Вт;
• предельный выходной ток (при Р ≤ Р_МАКC.) I_МАКC. до 1.5 А.

Электрические параметры

Кроме максимально допустимых значений у КР142ЕН5А есть электрические параметры. Они приводятся совместно с дополнительными условиями их измерения. Все значения в этом перечне справедливы только при условии температуры окружающей среды Т_ОКР. = + 25ОС.

Аналоги

Линейный стабилизатор напряжения КР142ЕН5А является аналогом зарубежных микросхем первого поколения серии LM7805, впервые представленных в 70-х годах американской компанией  Fairchild Semiconductor. Это популярная импортная ИС из серии 78xx, так как имеет на выходе наиболее распространенные для питания различных приборов +5 В. Современными аналогами микросхемы являются: А7805Т, KIA7805, L7805CV, LM7805. Отечественную КР142ЕН5В можно так же рассмотреть в качестве полноценной замены.

Особенности маркировки

Не все экземпляры КР142ЕН5А имеют полную маркировку на корпусе. Вместо неё указывается условный код, по которому и узнают “кренку”. В этом случае на корпус наносится следующая информация: марка завода-изготовителя, тип микросхемы, год и неделя выпуска. 

Встречается так же и другое сокращенное обозначение данного устройства – КРЕН 5А.

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.

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.

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.

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»).

Схема для блоков на 15 В

Стабилитрона TL431 схема включения через блок на 15 В осуществляется при помощи одноступенчатого преобразователя. В свою очередь, модулятор подходит с емкостью на уровне 5 пФ. Резисторы применяются исключительно селективного типа. Если рассматривать модификации с триггерами, то параметр порогового напряжения не превышает 3 Вт. Точность стабилизации находится в районе 3%. Фильтры для системы подходят как открытого, так и закрытого типа.

Также важно отметить, что в цепи может устанавливаться расширитель. На сегодняшний день модели выпускаются в основном коммутируемого типа

У модификаций с трансиверами проводимость тока не превышает 4 мк. В данном случае показатель чувствительности стабилитрона колеблется в районе 30 мВ. Выходное сопротивление при этом достигает примерно 80 Ом.

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.

Независимые устройства на базе микросхемы

Эту микросхему используют в блоках питания телевизоров и компьютером. Однако на её базе можно составить независимые электрические схемы некоторыми, из которых являются:

• стабилизатор тока;
• звуковой индикатор.

Стабилизатор тока

Стабилизатор тока — это одна из самых простых схем, которые можно реализовать на микросхеме tl 341. Он состоит из следующих элементов:

• источника питания;
• сопротивления R 1, подключённого с помощью общей точки к + линии питания;
• шунтирующего сопротивления R 2 к — линии питания;
• транзистора, чей эмиттер подключён к — линии через резистор R 2, коллектор к выходу — линии, а база через общую точку к катоду микросхемы;
• микросхемы tl 341, чей анод подключён к — линии с помощью общей токи, а вывод ref включён в эмиттерную цепь транзистора также с помощью общей точки.

Звуковой индикатор

Звуковой индикатор на базе tl 341 представляет собой простую схему, изображённую на рисунке 5

Такой звуковой индикатор можно использовать для отслеживания уровня воды в какой-либо ёмкости. Датчик представляет собой электронную схему в корпусе с двумя выводными электродами, изготовленными из нержавеющей стали, один из которых расположен на 20 мм выше другого.

В момент соприкосновения выводов датчика с водой происходит снижение сопротивления и осуществляется переход tl 341 в линейный режим через резисторы R 1и R 2. Это способствует появлению автогенирации на резонансной частоте и образованию звукового сигнала.

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.

Уровень включения сигнализатора

R2=2.5хR1/(Uз – 2.5)

Для максимально точной подстройки порога включения можно вместо резистора R2 поставить подстроечный, с показателем раза в 1,5 выше, нежели получилось по расчету. Затем, когда настойка сделана, его можно поменять на постоянный резистор, его сопротивление должно равняться сопротивлению установленной части подстроечного.

Как TL431 проверить схему включения? Чтобы проконтролировать несколько уровней тока будет необходимо 3 этих сигнализатора, каждый из них настраивается на определенное напряжение. Таким способом можно сделать целую линейку шкалы и индикаторов.

Для электропитания цепи индикации, которая состоит из резистора R3 и диода HL1, можно использовать отдельный даже нестабилизированный источник питания. В данном случае контролируемый ток подается на верхний по схеме выход резистора R1, который нужно отсоединить от резистора R3. При этом подключении контролируемый ток может быть в диапазоне от 3-х, до десятков вольт.

Отличие данной схемы от предыдущей заключается в том, что диод подсоединен по-другому. Это подключение называется инверсным, так как диод включается в лишь случае, если схема закрыта. В случае, когда контролируемый ток превышает порог заданный разделителем R1, R2 схема открыта, и ток проходит через резистор R3 и выходы 3 – 2 микросхемы.

На схеме в данном случае происходит падение напряжения до 2 Вольт, которого не хватает для включения светодиода. Чтобы диод гарантированно не включился, последовательно с ним устанавливают два диода.

Если контролируемый ток будет меньше заданного разделителем R1, R2 схема закроется, ток на ее выводе будет значительно больше 2 Вольт, потому диод HL1 включится.

Если нужно проконтролировать лишь изменение тока, то индикатор можно сделать по схеме.

Если нужно отследить изменение какой-то физической величины, то R2 заменяют датчиком, который изменяет сопротивление под воздействием окружающей среды.

Условно на схеме находится одновременно несколько датчиков. Если это фототранзистор, то будет фотореле. Пока света достаточно, фототранзистор открыт, и сопротивление у него небольшое. Потому ток на управляющем выходе DA1 ниже порогового, в результате этого диод не светит.

По мере уменьшения света сопротивление фототранзистора повышается, это приводит к увеличению напряжения на управляющем выходе DA1. Если данное напряжение будет больше порогового (2,5 Вольт), то стабилитрон открывается и загорается диод.

Если подключить терморезистор, вместо фототранзистора, к входу микросхемы, к примеру, серии ММТ, то выйдет индикатор температуры: при уменьшении температуры диод будет включаться.

Порог срабатывания в любом случае задается при помощи резистора R1.

Помимо описанных световых индикаторов, на базе TL431 аналога можно сделать и звуковой индикатор. Для контроля воды, к примеру, в ванне, к схеме подсоединяется датчик из двух пластин нержавейки, которые находятся на расстоянии пары миллиметров между собой.

Если вода дойдет до датчика, то его сопротивление снижается, а микросхема с помощью R1, R2 войдет в линейный режим. Так, возникает автогенерация на резонансной частоте НА1, в этом случае произойдет звуковой сигнал.

Подводя итог, хотелось бы сказать, что все-таки основная сфера использования микросхемы TL434, естественно же, блоки питания. Но, как можно убедиться, возможности микросхемы только этой функцией абсолютно не ограничены, и можно собрать множество устройств.