Как проверить источник опорного напряжения tl431

Назначение и сфера применения

Не существует ни одного в котором бы не было микросхемы TL431 datasheet. Также ее можно встретить практически во всех импульсных маломощных источниках питания, например, в зарядках для мобильных телефонов. Эти микросхемы можно использовать не только по прямому назначению (стабилитрон для блоков питания), но и создавать на их базе различные световые индикаторы и звуковые сигнализаторы. С помощью таких приборов отслеживают множество различных параметров (но основным все-таки является напряжение). Существует множество схем на базе TL431 datasheet, благодаря которым можно собрать устройства, контролирующие уровень жидкости в емкости, влажность и температуру, давление газа или жидкости, освещенность. Перечисленные варианты — не единственно возможные, применение данной микросхемы на самом деле весьма широко, все зависит от желания конструктора.

Очень часто начинающие радиолюбители интересуются, чем можно заменить TL431. Аналог, конечно, существует. Так, можно использовать импортные изделия КА431 и отечественные устройства КР142ЕН19А, К1156ЕР5х.

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.

Технические характеристики

Рассмотрим максимально допустимые характеристики микросхемы TL431. Если при работе они будут превышены, то прибор выйдет из строя. Длительная эксплуатация устройства с параметрами, близкими к предельным, также опасна для него. Значения этих параметров представлены ниже:

наибольшее возможное напряжение между анодом и катодом – 37 В;
диапазон токов, протекающих через катод на протяжении длительного времени – от -100 до +150мА;
диапазон токов на входе (управляющем электроде) устройства – от -0,05 до +10 мА;
максимальная рассеиваемая мощность зависит от типа корпуса:
SOT-89 – 0.8 Вт;
ТО-92 – 0,78 Вт;
SO-8 – 0.75 Вт;
SOT-23 – 0,33 Вт;
SOT-25 – 0,5 Вт.
диапазон рабочих температур – от -25 до +85ОС;
предельно допустимая температура кристалла – +150 ОС;
диапазон температур при которых может хранится изделие — -65 до +150 ОС.

В технической документации производители приводят диапазон рекомендуемых рабочих характеристик. Напряжение на катоде VKA может изменяться от минимального, равного управляющему VREF, до максимального 36 В. Катодный ток должен находиться в пределах от 1 до 100 мА.

При конструировании нового устройства следует также обращать внимание на электрические характеристики. Измерение производилось при температуре TC= 25°C

Остальные параметры тестирования приведены в колонке «Режимы измерения».

Параметры	Режимы измерения	Обозн.	min	typ	max	Ед. изм
Управляющее напряжение	VKA=VREF,IKA=10 мA	VREF	2,455	2,495	2,535	В
Величина отклонения управляющего напряжения при изменении температуры	VKA=VREF,IKA=10 мA, Ta = от 0°C до +85°C	VDEV	9,0	20	мВ
Изменение напряжения на управляющем электроде в зависимости от изменения напряжения на катоде	IKA=10 мA ΔVKA=10V~VREF ΔVKA=36V~10V	ΔVREF ΔVКА	-1,0 -0,5	-2,7 -2,0	мВ/В мВ/В
Ток через управляющий электрод	IKA=10 мA	IREF	1,5	4	мкА
Отклонение управляющего (опорного) тока при изменении температуры	IKA=10 мA	ΔIREF ΔT	0,4	1,2	мкА
Минимальный управляющий ток через катод,	VKA=VREF	IKA(MIN)	0,3	0,5	мА
Ток через катод при закрытом переходе	VKA=36V, VREF=0	IKA(OFF)	0,05	1,0	мкА
Динамическое сопротивление	VKA=VREF, f≤1.0 кГц IKA=1 to 100 мA	ZKA	0,15	0,5	Ом

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

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.

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_МАК_C.) без радиатора не более 1.5 Вт., с теплоотводом до 10 Вт;
предельный выходной ток (при Р ≤ Р_МАК_C.) I_МАК_C. 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.

ЗУ для мобильного телефона

Стабилизатор можно применить как своеобразный ограничитель тока. Это свойство будет полезным в устройствах для зарядки мобильного телефона.

Если напряжение в выходном каскаде не достигнет 4,2 В, происходит ограничение тока в цепях питания. После достижения заявленных 4,2 В стабилизатор уменьшает величину напряжения – следовательно, падает и величина тока. За ограничение величины тока в схеме отвечают элементы схемы VT1 VT2 и R1-R3. Сопротивление R1 шунтирует VT1. После превышения показателя в 0,6 В элемент VT1 открывается и постепенно ограничивает подачу напряжения на биполярный транзистор VT2.

На базе транзистора VT3 резко уменьшается величина тока. Происходит постепенное закрытие переходов. Напряжение падает, что приводит к падению силы тока. Как только U подходит к отметке 4,2 В, стабилизатор tl431 начинает уменьшать его величину в выходных каскадах устройства, и заряд прекращается. Для изготовления устройства необходимо использовать следующий набор элементов:

DA1 – TL431K – если нет в наличии этого элемента, то его можно заменить на tl4311, tl783ckc ;
R1 – 2,2 Ом;
R2 – 470 Ом;
R3 – 100 кОм;
R4 – 15 кОм;
R5 – 22 кОм;
R6 – 680 Ом;
VT1, VT2 – BC857B;
VT3 – az431 или az339p ;
VT4 – BSS138.

Необходимо обратить особое внимание на транзистор az431. Для равномерного уменьшения напряжения в выходных каскадах желательно поставить транзистор именно az431, datasheet биполярного транзистора можно наблюдать в таблице

Операционный усилитель TL431 является многофункциональным элементом и дает возможность конструировать различные устройства: зарядные для мобильных телефонов, системы сигнализации и многое другое. Как показывает практика, операционный усилитель обладает хорошими характеристиками и не уступает зарубежным аналогам.

Работа TL431 совместно с датчиками

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

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

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

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

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

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.

Описание

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.

Схемы включения TL431

Параметрический стабилизатор напряжения

Тл431, цоколевка которого начертана на схеме, может включаться в различных вариантах. Используя ИС, можно не только стабилизировать, но и контролировать напряжение и различные параметры в электросхемах. Кроме того, она входит в состав звуковых или световых сигнализирующих устройств.

Интересно. Если перевести показатель любой физической величины в напряжение, то допустимо собрать аппарат, контролирующий эту физическую величину.

Это значит, что, установив специальные датчики, возможно следить за такими параметрами, как:

влажность;
температура;
давление;
уровень жидкости;
значение освещённости.

Перечень можно продолжать, но суть одна – электронный стабилитрон допустимо использовать не только в БП и преобразователях.

Корпус и цоколёвка ИС

Стабилизатор тока на TL431

Стабилитрон tl431 в подобном подключении стабилизирует величину тока. Включенный между эмиттером и корпусом схемы (минусом) R2 используется как шунт. Напряжение на нём составляет 2,5 В. Выходной ток (Iвых) соответствует соотношению 2,5/R2.

Токовая стабилизация на TL431

Индикатор повышения напряжения

Мониторить уровни U позволяет стабилизатор tl431 схема включения которого выполнена так, что стабилитрон не откроется при поступлении на вход R (управляющий) U < 2,5 В.

Внимание! Сквозь запертый TL431 ток течёт всё равно. Хоть он мал – до 0,4 мА, но заставляет индикатор гореть

Приходится параллельно led-диоду включать R = 2-3 кОм.

Схема индикатора

При поступлении на R U > 2,5 В ИС откроется. Индикатор зажжётся. Чтобы согласовать стабилитрон и led-диод по величине текущего через них тока, в ветвь для токоограничения (индикатора) включают R3.

Формула для расчёта R3 имеет вид:

R3 = (Uпит – Uh1 – Uda)/Ih1,

где:

Uh1 – напряжение на led-диоде, В;
Uda – значение потенциала на открытом стабилитроне, В;
Ih1 – номинальный ток светодиода.

При расчётах следует ориентироваться на то, что для TL431 Umax = 36 В, допустимые токи для led-диодов – 5…15 мА. Делитель напряжения на входе управляет величиной напряжения срабатывания Uзажиг. данного сигнализатора. Рассчитывают R2, применяя формулу:

R2 = 2,5*R1/(Uзажиг. – 2,5).

Кстати. На практике R2 подбирается при помощи подключения подстроечного сопротивления. С его помощью выставляется нужный предел включения, после чего замеряется тестером его сопротивление, и впаивается уже резистор с постоянным значением.

Проверка исправности TL431

Возникает вопрос: tl431 как проверить мультиметром? Никак! Это микросхема, вмещающая в своём составе множество элементов. Только одних транзисторов десять штук. Поэтому либо совсем заменяется управляемый стабилитрон, либо собирается тестовая схема (типа индикатора напряжения), и проверяется то, как она будет работать.

Индикатор низкого напряжения

В данном случае применяют инверсное подключение, светодиод излучает при запертом стабилитроне. Элемент индикации подключен параллельно ИС и при открытом стабилитроне 2-х вольт мало для излучения света. Когда микросхема закроется, ток уменьшится, напряжение на нём увеличится, и индикатор засветится.

Схема индикации низкого напряжения

Индикатор изменения напряжения

В устройствах, применяемых для контроля над изменением напряжения, используют управляемый стабилитрон. В качестве индикатора берётся светодиод с двумя цветами свечения, например, красно-зелёный. Красный свет сигнализирует о превышении, зелёный – о низком значении U.

Схема устройства контроля над изменением напряжения

Работа TL431 совместно с датчиками

Для работы с датчиками ИС tl431a схема включения изменяется так, что на смену R2 в плечо подключают нужный датчик.

Внимание! На нижеприведённой схеме для примера обозначены разные датчики, которые присоединяют на место R2. Датчики вместо резистора

Датчики вместо резистора

TL431 в схеме со звуковой индикацией (ЗИ)

Применение ИС в схемах с ЗИ возможно для мониторинга процессов наполнения и поддержания границ воды в водонапорных башнях. В ёмкости крепится пара металлических полосок на верхнем уровне водяного столба. Вода, заполнив ёмкость, замкнёт электроды, размещённые друг относительно друга через 2,5-3,5 мм. Схема сработает и выдаст акустическое оповещение.

Индикатор уровня воды

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.

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.

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 включения

Микросхема tl 431 представляет собой стабилитрон интегрального типа. Она обладает тремя схемами включения:

на 2.48 В (1);
на 3, 3 В (2);
на 14 В.

Вариант 1: схема на 2,48 В.

Схема включения стабилитрона на 2.48 вольта оснащена одноступенчатым преобразователем. Среднее значение рабочего тока в подобной системе составляет 5.3 А. К выводу ref (цепь опорного напряжения) монтируется цепь, состоящая из двух параллельно соединённых резисторов (по 2.4 и 2.26 кОм). На эти резисторы предварительно подаётся напряжение равное 5 В, которое после прохождения цепи превращается в 2,48.

Вариант 2: схема включения на 3,3 В.

В схеме включения на 3,3 В также используется одноступенчатый преобразователь и резистор на 1 кОм, подключённый к катоду. Перед сопротивлением ставится сторонний источник питания на 3 В. К выводу (ref) подключается конденсатор ёмкостью 10 нФ, соединённый с землёй. Анод в подобной схеме сажается напрямую на землю, а катодная и входная цепи соединяются двумя общими точками.

Проблемой этой схемы включения является большая вероятность возникновения короткого замыкания (КЗ). Для того чтобы снизить риск возникновения КЗ, после стабилитронов монтируют предохранитель.

Чтобы усиливать сигнал к выводу подключают специальные фильтры. В такой схеме включения средние показатели напряжения и тока составляют 5 В/ 3.5 А, а точность стабилизации менее 3%. Стабилитрон подключается через векторный переходник поэтому нужно подбирать транзистор резонного типа Средняя ёмкость модулятора должна составлять 4.2 пФ. Для увеличения проводимости тока можно использовать триггеры.

Схемы включения TL431

Разберемся как работает TL431 на примере простейшей схемы стабилизации, состоящей из самого стабилитрона и одного резистора. К катоду подключается положительный, а к аноду отрицательный полюс питания. Для включения микросхемы, на её управляющий электрод подается опорное напряжение (V_ref).

Если его значение будет больше 2.5 В, то стабилитрон почти сразу откроется и начнет пропускать через себя ток (I_KA), которым можно запитать соответствующую нагрузку. Его значение будет расти вместе с повышением уровня V_{in .} I_KAможно определить по формуле I_KA= (V_in— V_ref)/R_. При этом, выходное напряжение схемы будет стабилизировано на уровне опорного (V_КА= V_ref), не превышающего 2.5 В и независимо от подаваемого на входе V_in.

Расчет параметрической схемы стабилизации

Для получения на выходе микросхемы большего по величине напряжения (вплоть до 36 В), к её управляющему электроду дополнительно подсоединяют резистивный делитель. Он состоит из двух резисторов (R₁ и R₂) подключаемых между катодом и анодом. В этом случае внутреннее сопротивление стабилитрона возрастает на (1 + R₁/R₂) раз.

Для расчета схемы стабилизации на TL431 необходимы начальные данные о входном(V_IN) и выходном (V_КА) напряжениях, а также токах: стабилизации (I_KA) и нагрузки (I_L). Имея эти данные можно рассчитать значения других электронных компонентов, представленных на рисунке ниже.

Выходное напряжение и номиналы сопротивлений связаны между собой следующей формулой V_КА= V_{ref *}(1 + R₁/R₂)+ I_{ref *}R₁. Где V_ref= 2495 мВ и I_ref= 2 мкА -это типовые величины, они указаны в электрических параметрах из даташит на устройство.

Сопротивление R1 также можно взять из datasheet. Чаще всего берут с номиналами от 10 до 30 кОм. Значение R1 ограничено небольшим опорным током (I_ref= 2 мкА), которым часто пренебрегают для расчетов схем стабилизации на TL431. Поэтому для вычисления значения R2, без учета I_ref, можно использовать следующую формулу R2=R1/((V_КА/V_ref)-1).

Регулировка напряжения стабилизации

Для построения схем с возможностью ручной регулировки напряжения на выходе, вместо обычного R1 ставят потенциометр. Номинал ограничительного резистора R, оказывающего сопротивление току на входе (I_IN), рассчитывают по формуле R=(V_IN-V_КА)/ I_IN. Здесь I_IN = I_KA+ I_L_.

Несмотря на достоинства микросхемы TL431, есть у неё и весьма существенный недостаток– это маленький ток в нагрузке, который она способна выдержать. Для решения этой проблемы в схему включают мощные биполярные или полевые транзисторы.

Примеры различных схем на основе стабилитрона TL431 можно посмотреть в следующем видео.