TL431

TL431
ИС регулятора напряжения
Функционально-эквивалентная упрощенная схема
Тип	Регулируемый шунтирующий стабилизатор напряжения
Год внедрения	1977
Оригинальный производитель	Техасские инструменты

(ИС) TL431 Интегральная схема представляет собой трехконтактный регулируемый точный шунтирующий стабилизатор напряжения . С помощью внешнего делителя напряжения TL431 может регулировать напряжение в диапазоне от 2,495 до 36 В при токе до 100 мА . Типичное начальное отклонение опорного напряжения от номинального уровня 2,495 В измеряется в милливольтах, максимальное отклонение в худшем случае измеряется десятками милливольт. Схема может напрямую управлять силовыми транзисторами; Комбинации TL431 с силовыми МОП-транзисторами используются в высокоэффективных линейных стабилизаторах с очень низким падением напряжения. TL431 является де-факто стандартной отраслевой схемой усилителя ошибки для импульсных источников питания с оптоэлектронной связью входных и выходных сетей.

Компания Texas Instruments представила TL431 в 1977 году. В 21 веке оригинальный TL431 продолжает производиться вместе с множеством клонов и производных (TLV431, TL432, ATL431, KA431, LM431, TS431, 142ЕН19 и другие). Эти функционально схожие схемы могут значительно отличаться по размеру и компоновке кристалла , прецизионным и скоростным характеристикам, минимальным рабочим токам, безопасным рабочим зонам и конкретному опорному напряжению.

Строительство и эксплуатация

Схема транзисторного уровня. Напряжения постоянного тока указаны для установившегося регулирования при В _CA =7 В.

TL431 функционально эквивалентен идеальному биполярному транзисторному переключателю npn со стабильным порогом переключения 2,495 В и отсутствием явного гистерезиса . «Базу», «коллектор» и «эмиттер» этого «транзистора» традиционно называют опорным (R или REF), катодом (С) и анодом (А). Положительное управляющее напряжение V _REF подается между опорным входом и анодом; выходной ток _ICA течет от катода к аноду.

На функциональном уровне TL431 содержит операционный усилитель который сравнивает входное управляющее напряжение с опорным напряжением 2,495 В. с разомкнутым контуром , Однако это всего лишь абстракция : обе функции неразрывно связаны внутри внешнего интерфейса TL431. Физического источника напряжения 2,495 В нет: фактическое внутреннее опорное напряжение обеспечивается запрещенной зоной Видлара 1,2 В (транзисторы T3, T4, T5), управляемой входными эмиттерными повторителями T1, T6. Это обеспечивает правильную работу, даже когда напряжение катод-анод падает ниже 2,495 В, примерно до минимума 2,0 В. Дифференциальный усилитель выполнен из двух источников тока (Т8, Т9); положительная разность их токов опускается в основание Т10. Выходной транзистор с открытым коллектором Т11 выдерживает ток до 100 мА и защищен от переполюсовки обратным диодом. Схема не обеспечивает защиту от чрезмерного тока или перегрева.

Соотношение ток-напряжение

Кривая вольт-амперного напряжения для малых напряжений ошибки. Зеленая зона — это рекомендуемая зона с высокой крутизной проводимостью, простирающаяся вверх до максимального номинального тока. Работа в желтой зоне возможна, но не рекомендуется.

Когда напряжение V _REF безопасно ниже порога 2,495 В (точка А на кривой ток-напряжение), выходной транзистор закрывается. Остаточный катодно-анодный ток ICA _, питающий входную цепь, находится в пределах 100 и 200 мкА. Когда V _REF приближается к порогу, ток I _CA возрастает до 300–500 мкА, но выходной транзистор остается закрытым. При достижении порога (точка B) выходной транзистор начинает проводить ток (включаться), а ICA _{начинает} расти со скоростью около 30 мА/В. Когда V _REF превышает порог примерно на 3 мВ, а ICA _{достигает} 500–600 мкА (точка С), крутизна резко подскакивает до 1,0–1,4 А/В. Выше этой точки TL431 работает в нормальном режиме с высокой крутизной, и его можно удобно аппроксимировать моделью преобразователя дифференциального напряжения в несимметричный ток . Ток растет до тех пор, пока петля отрицательной обратной связи , соединяющая катод с управляющим входом, не стабилизирует V _REF в некоторой точке выше порогового значения. Эта точка (V _ref ), строго говоря, является опорным напряжением комплектного стабилизатора. Альтернативно, TL431 может работать без обратной связи в качестве компаратора напряжения или с положительной обратной связью в качестве триггера Шмитта ; в таких приложениях I _CA ограничивается только анодной нагрузкой и мощностью источника питания.

Опорный входной ток I _REF не зависит от I _CA и достаточно постоянен и составляет около 2 мкА. Вход эталонного питания сети должен обеспечивать по меньшей мере удвоенную мощность (4 мкА или более); работа с зависающим входом REF запрещена, но не повредит напрямую TL431. Он выдержит разрыв цепи на любом контакте, короткое замыкание на землю любого контакта или короткое замыкание между любой парой контактов при условии, что напряжения на контактах остаются в пределах безопасности.

Точность

Зависимость опорного напряжения от температуры наружного воздуха в условиях испытаний. Расчетный центр (средний график) и отклонение в худшем случае ±2% (верхний и нижний графики)

Номинальное опорное напряжение V _REF = 2,495 В, указанное в техническом описании, проверено в режиме стабилитрона при температуре окружающей среды +25 °C (77 °F) и I _CA = 10 мА. Пороговое напряжение и граница между режимами низкой и высокой крутизны не указаны и не проверяются. Фактическое напряжение V _REF, поддерживаемое конкретным TL431 в реальном приложении, может быть выше или ниже 2,495 В в зависимости от четырех факторов:

• Индивидуальное начальное отклонение конкретного чипа. Для разных марок TL431 отклонение в нормальных условиях находится в пределах ±0,5%, ±1% или ±2%;
• Температура . Термическая диаграмма опорного напряжения на запрещенной зоне имеет горбовидную форму. По конструкции выступ расположен в центре +25 °C (77 °F), где V _REF = 2,495 В; выше и ниже +25 °C (77 °F) напряжение V _REF плавно уменьшается на несколько милливольт. Однако если конкретная ИК существенно отклоняется от нормы, то горб смещается в сторону более низких или более высоких температур; в худших случаях она вырождается в монотонно повышающуюся или нисходящую кривую.
• Из-за конечного выходного импеданса изменения напряжения V _CA влияют на I _CA и, косвенно, на V _REF , точно так же, как это происходит в транзисторах или триодах. Для данного фиксированного ICA _{повышение} на 1 В _{напряжения VCA} должно быть компенсировано на ≈1,4 мВ (максимум 2,7 мВ в худшем случае). уменьшение V _REF . Отношение ц = 1 В/1,4 мВ ≈ 300–1000, или ≈ 50–60 дБ — теоретический максимальный коэффициент усиления по напряжению разомкнутого контура на постоянном токе и низких частотах;
• Из-за конечной крутизны рост ICA _{вызывает} рост V _REF со скоростью 0,5–1 мВ/мА.

Скорость и стабильность

разомкнутого контура Частотная характеристика TL431 может быть надежно аппроксимирована как фильтр нижних частот первого порядка . Доминирующий полюс обеспечивается относительно большим компенсационным конденсатором в выходном каскаде. Эквивалентная модель содержит идеальный преобразователь напряжения в ток 1 А/В, зашунтированный конденсатором емкостью 70 нФ. Для типичной катодной нагрузки 230 Ом разомкнутого контура это соответствует частоте среза 10 кГц и единичного усиления 2 МГц. частоте Из-за различных эффектов второго порядка фактическая частота единичного усиления составляет всего 1 МГц; на практике разница между 1 и 2 МГц не имеет значения.

Скорости нарастания ICA _время , VCA _и установления V REF _не указаны. По данным Texas Instruments, переходный процесс при включении питания длится около 2 мкс. Первоначально VCA _быстро возрастает до ≈2 В, а затем фиксируется на этом уровне примерно на 1 мкс. Зарядка внутренних емкостей до установившегося напряжения занимает на 0,5–1 мкс больше.

Емкостные катодные нагрузки (CL ₎ могут вызывать нестабильность и колебания. Согласно диаграммам границ стабильности, опубликованным в оригинальном техническом описании, TL431 абсолютно стабилен, когда CL _меньше 1 нФ или больше 10 мкФ. В диапазоне 1 нФ–10 мкФ вероятность колебаний зависит от комбинации емкости _ICA и _VCA . Наихудший сценарий реализуется при низких значениях _ICA и _VCA . Напротив, комбинации высокого ICA _и высокого VCA _, когда TL431 работает близко к максимальному значению рассеивания, абсолютно стабильны. Однако даже стабилизатор, рассчитанный на высокие значения ICA _и VCA _, может колебаться при включении питания, когда VCA _еще не достигло установившегося уровня.

В примечаниях к заявке от 2014 года компания Texas Instruments признала, что их диаграммы границ стабильности необоснованно оптимистичны. Они описывают «типичный» образец микросхемы с нулевым запасом по фазе ; На практике надежные конструкции должны обеспечивать запас по фазе не менее 30 градусов. последней вставить последовательное сопротивление между катодом и емкостью нагрузки, эффективно увеличивая ESR Обычно для подавления нежелательных колебаний достаточно . Последовательное сопротивление вводит низкочастотный ноль на относительно низкой частоте, устраняя большую часть нежелательной задержки фазы , вызванной только емкостью нагрузки. Минимальные значения последовательных резисторов лежат в диапазоне от 1 Ом (высокое значение C _L ) до 1 кОм (низкое значение C _L , высокое напряжение _CA ).

Приложения

Линейные регуляторы

Базовые конфигурации линейного регулятора. Четвертая схема требует дополнительного положительного напряжения питания ΔU для работы с низким падением напряжения. Последовательный резистор RA отделяет TL431 от емкости затвора .

Фиксированный режим Зенера

Простейшая схема регулятора TL431 выполнена путем замыкания управляющего входа на катод. Полученная двухполюсная схема имеет стабилитронную вольт -амперную характеристику со стабильным пороговым напряжением V _REF ≈ 2,5 В и низкочастотным сопротивлением около 0,2 Ом. Импеданс начинает расти в районе 100 кГц и достигает 10 Ом в районе 10 МГц.

Переменный режим Зенера

Для регулирования напряжения выше 2,5 В требуется внешний делитель напряжения . При использовании резисторов делителя R2 и R1 катодное напряжение и выходное сопротивление увеличиваются. $1+{\tfrac {R2}{R1}}$ раз. Максимальное поддерживаемое регулируемое напряжение не может превышать 36 В; максимальное напряжение катод-анод ограничено 37 В. Исторически TL431 разрабатывался и производился с учетом этого применения и рекламировался как «чрезвычайно привлекательная замена дорогих стабилитронов с температурной компенсацией».

Дополнительный проходной транзистор

Добавление эмиттерного повторителя превращает шунтирующий регулятор в последовательный регулятор. КПД посредственный, поскольку одиночные транзисторы npn-типа или пары Дарлингтона требуют довольно высокого падения напряжения коллектор-эмиттер. Одиночный pnp-транзистор с общим эмиттером может корректно работать в режиме насыщения с падением напряжения всего ≈0,25 В, но также и с непрактично высокими базовыми токами. Составной транзистор pnp-типа не требует такого большого тока возбуждения, но требует падения напряжения не менее 1 В. N-канальный силовой МОП- транзистор обеспечивает наилучшее сочетание низкого тока возбуждения, очень низкого падения напряжения и стабильности. Однако работа МОП-транзистора с низким падением напряжения требует дополнительного источника напряжения верхнего плеча (ΔU на схеме) для управления затвором . ΔU можно избежать, если использовать МОП-транзистор в режиме обеднения.

Схемы регуляторов с обратной связью, использующие TL431, всегда рассчитаны на работу в режиме высокой крутизны, с ICA _не менее 1 мА (точка D на кривой ток-напряжение). Для большей стабильности контура управления оптимальный ICA _должен быть установлен на уровне около 5 мА, хотя это может снизить общую эффективность.

Импульсные источники питания

Типичное использование TL431 в SMPS. Шунтирующий резистор R3 поддерживает минимальный ток TL431, последовательный резистор R4 является частью схемы частотной компенсации (C1R4).

В 21 веке TL431, оснащенный оптопарой со светодиодом ( LED ), является де-факто отраслевым стандартом для регулируемых импульсных источников питания (SMPS). Резистивный делитель напряжения, управляющий входом управления TL431, и катод светодиода обычно подключаются к выходу стабилизатора; оптрона Фототранзистор подключен к управляющему входу контроллера широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Резистор R3 (около 1 кОм), шунтирующий светодиод, помогает удерживать I _CA выше порога 1 мА. В типичном блоке питания/зарядном устройстве, поставляемом в комплекте с портативным компьютером , средний ток ICA _{установлен} на уровне около 1,5 мА, включая ток светодиода 0,5 мА и шунтирующий ток 1 мА (данные за 2012 год).

Разработка надежного, эффективного и стабильного импульсного источника питания на базе TL431 — обычная, но сложная задача. В простейшей возможной конфигурации частотная компенсация поддерживается интегрирующей цепью C1R4. Помимо этой явной компенсационной сети, на частотную характеристику контура управления влияют выходной сглаживающий конденсатор , сам TL431 и паразитная емкость фототранзистора. TL431 управляется не одним, а двумя контурами управления: основной контур «медленной полосы», подключенный к выходному конденсатору с делителем напряжения, и вторичный контур «быстрой полосы», подключенный к выходной шине со светодиодом. Микросхема, нагруженная очень низким сопротивлением светодиода, работает как источник тока ; нежелательные пульсации напряжения практически беспрепятственно переходят от выходной шины к катоду. Эта «скоростная полоса» доминирует на средних частотах (около 10 кГц–1 МГц). и обычно пробивается путем развязки светодиода от выходного конденсатора стабилитроном или фильтр нижних частот .

Компараторы напряжения

Базовый компаратор с фиксированным порогом и его производные - простое реле времени и каскадный оконный монитор. Для обеспечения быстрых переходных процессов при выключении нагрузочный резистор RL должен обеспечивать ток во включенном состоянии не менее 5 мА.

на основе TL431 Простейшая схема компаратора требует одного внешнего резистора для ограничения тока I _CA на уровне около 5 мА. Работа при меньших токах нежелательна из-за более длительных переходных процессов при выключении. Задержка включения зависит главным образом от разницы между входным и пороговым напряжением (напряжение перегрузки); более высокая овердрайв ускоряет процесс включения. Оптимальная переходная скорость достигается при перегрузке 10 % (≈250 мВ) и импедансе источника 10 кОм или менее.

В открытом состоянии _{напряжение CA} падает примерно до 2 В, что совместимо с транзисторно-транзисторной логикой (TTL) и логическими элементами КМОП с источником питания 5 В. Низковольтная КМОП (например, логика 3,3 В или 1,8 В) требует преобразования уровня с помощью резистивного делителя напряжения . или заменить TL431 низковольтной альтернативой, такой как TLV431.

Компараторы и инверторы на базе TL431 можно легко подключать каскадно, следуя правилам релейной логики . Например, двухступенчатый оконный монитор напряжения включится (переключаясь с выхода высокого состояния на выход низкого состояния), когда

$U_{REF}(1+R3/R4)<U_{IN}<U_{REF}(1+R1/R2)$,

при условии, что $R1/R2$ больше, чем $R3/R4$ так что разброс между двумя напряжениями срабатывания достаточно широк.

Недокументированные режимы

К 2010 году журналы DIY опубликовали множество проектов аудиоусилителей, в которых TL431 использовался в качестве устройства усиления напряжения. Большинство из них потерпели неудачу из-за чрезмерной отрицательной обратной связи и низкого усиления. Обратная связь необходима для уменьшения нелинейности разомкнутого контура, но, учитывая ограниченный коэффициент усиления разомкнутого контура TL431, любой практический уровень обратной связи приводит к непрактично низкому коэффициенту усиления с обратной связью. Стабильность этих усилителей тоже оставляет желать лучшего.

Нестабильный по своей природе TL431 может работать как генератор, управляемый напряжением, в диапазоне частот от нескольких кГц до 1,5 МГц. Частотный диапазон и закон управления таким генератором сильно зависят от конкретной марки используемого TL431. Чипы разных производителей обычно не взаимозаменяемы.

Пара TL431 может заменить транзисторы в симметричном нестабильном мультивибраторе для частот от менее 1 Гц до примерно 50 кГц. Это, опять же, недокументированный и потенциально небезопасный режим, в котором периодические токи заряда конденсатора протекают через защитные диоды входного каскада (T2 на схеме).

Варианты, клоны и производные

TL431 от STMicroelectronics и KA431 от ON Semiconductor , оба в со сквозным отверстием. TO-92 корпусах

Матрицы TL431 трех разных производителей; оригинальный штамп TI слева. Самая большая яркая область в каждом кристалле — это компенсационный конденсатор; большая гребенчатая структура рядом — это выходной транзистор. «Резервные» контактные площадки используются для тестирования и ступенчатой ​​регулировки V _REF перед упаковкой интегральной схемы.

Интегральные схемы, продаваемые различными производителями как TL431 или имеющие аналогичные обозначения, такие как KA431 или TS431, могут существенно отличаться от оригинала Texas Instruments. Иногда разницу можно выявить только при тестировании в недокументированных режимах; иногда это публично декларируется в таблицах данных. Например, Vishay TL431 имеет аномально высокий (около 75 дБ) коэффициент усиления постоянного напряжения, который начинает спадать на частоте 100 Гц; на частотах выше 10 кГц усиление возвращается к стандартному и достигает единицы на стандартной частоте 1 МГц. Контроллер SG6105 SMPS содержит два независимых регулятора, маркированных как TL431, но их максимальные значения ICA _и VCA _{составляют} всего 16 В и 30 мА соответственно; производитель не проверяет эти регуляторы на точность.

Устаревший TL430 был уродливой сестрой TL431, произведенный Texas Instruments только в корпусе со сквозным отверстием и имеющий V _REF 2,75 В. Его опорное значение запрещенной зоны не было термически компенсировано и было менее точным, чем у TL431; выходной каскад не имел защитного диода. TL432 электрически аналогичен TL431, производится только в корпусах для поверхностного монтажа и имеет другую распиновку.

В 2015 году Texas Instruments анонсировала ATL431, улучшенную версию TL431 для импульсных регуляторов с очень высоким КПД. который имеет V _REF 2,5 В вместо 2,495 В. Рекомендуемый минимальный рабочий ток составляет всего 35 мкА (стандарт TL431: 1 мА); максимальные значения _ICA и VCA _такие же, как и стандартные (100 мА и 36 В). Частота единичного усиления снижается до 250 кГц, чтобы ослабить высокочастотные пульсации и не допустить их обратной передачи на контроллер. У ATL431 совсем другая область нестабильности. При малых напряжениях и токах абсолютно стабилен при любой практической емкостной нагрузке при условии, что конденсаторы качественные, низкоомные. Минимальное рекомендуемое значение последовательного развязывающего резистора составляет 250 Ом (стандарт TL431: 1 Ом).

Помимо TL431 и его потомков, по состоянию на 2015 год только две микросхемы шунтирующего регулятора нашли широкое применение в отрасли. Оба типа имеют схожие функциональные возможности и применение, но разные внутренние схемы, разные опорные уровни, максимальные токи и напряжения:

• Биполярный LMV431 фирмы Texas Instruments имеет напряжение V _REF 1,24 В и способен регулировать напряжение до 30 В при токах от 80 мкА до 30 мА;
• Низковольтный КМОП NCP100 компании ON Semiconductor имеет напряжение V _REF 0,7 В и способен регулировать напряжение до 6 В при токах от 100 мкА до 20 мА.

Библиография

Книги и журналы

• Бассо, К. (2012). «Глава 7. Компенсаторы на базе TL431». Проектирование контуров управления линейными и импульсными источниками питания . Артех Хаус . стр. 383–454. ISBN  9781608075577 .
• Браун, М. (2001). Поваренная книга по источникам питания . Серия EDN для инженеров-конструкторов. Том. 22. С. 229–237. дои : 10.1023/А:1015600726905 . ISBN  9780080480121 . S2CID   28225767 . Архивировано из оригинала 15 июля 2020 г. Проверено 04 июля 2020 г. {{cite book}}: |journal= игнорируется ( помогите )
• Камензинд, Х. (2005). Проектирование аналоговых схем . Virtualbookworm Publishing (самопубликовано). ISBN  9781589397187 .
• Ридли, Р. (2005). «Проектирование с помощью TL431 — первый полный анализ» . Журнал Switching Power (1 августа): 1–5.
• Ридли, Р. (2007). «Использование TL431 в источнике питания». Проектирование энергетических систем в Европе (июнь): 16–18.
• Тепса, Т.; Сунцио, Т. (2013). «Системы управления на основе регулируемых шунтовых регуляторов» . Письма IEEE по силовой электронике . 1 (4): 93–96. дои : 10.1109/LPEL.2003.822582 . S2CID   24697129 . Архивировано из оригинала 04.11.2018 . Проверено 04 июля 2020 г.
• Чжанью Ша (2015). Оптимальная конструкция импульсного источника питания . Уайли . ISBN  9781118790946 . Архивировано из оригинала 11 ноября 2020 г. Проверено 04 июля 2020 г.

Корпоративные издания

• Справочник по прецизионному программируемому устройству TL43xx (PDF) (техническое описание). Преподобный Р. Texas Instruments . Октябрь 2023 г. [август 2004 г.]. СЛВС543Р. Архивировано (PDF) из оригинала 13 июня 2020 г. Проверено 04 июля 2020 г.
• ATL431, ATL432 Регулируемый прецизионный шунтирующий стабилизатор с низким Iq, 2,5 В (PDF) (техническое описание). Преподобный Д. Texas Instruments . Октябрь 2016 г. [март 2015 г.]. SLVSCV5D. Архивировано (PDF) из оригинала 4 ноября 2018 г. Проверено 04 июля 2020 г.
• Леверетт, А. (июнь 2015 г.). Проектирование с использованием «Расширенного» TL431, ATL431 (PDF) (Отчет о применении). Техасские инструменты . СЛВА685. Архивировано (PDF) из оригинала 23 декабря 2018 г. Проверено 04 июля 2020 г.
• Дубхаши, А. (1993). «AN-970: Силовые МОП-транзисторы HEXFET в линейных пострегуляторах с малым падением напряжения». Руководство проектировщика HEXFET, том I. Международный выпрямитель . стр. 211–214.
• Михаллик, Р. (январь 2014 г.) [сентябрь 2011 г.]. Понимание таблиц граничных условий устойчивости в листе данных TL431, TL432 (PDF) (отчет о применении). Преподобный А. Texas Instruments . СЛВА482А. Архивировано (PDF) из оригинала 1 февраля 2020 г. Проверено 04 июля 2020 г.
• Пиппингер, Делавэр; Тобабен, Э.Дж. (1985). Применение линейных и интерфейсных схем. Том I: Усилители, компараторы, таймеры, регуляторы напряжения . Техасские инструменты . стр. 3–19, 6–10, 6–21–27.
• Ривера-Матос, Рикардо; Чем, Итан; Самора, Марко (декабрь 2019 г.) [июль 2018 г.]. Использование TL431 для обнаружения пониженного и повышенного напряжения (PDF) (отчет о применении). Преподобный А. Texas Instruments . СЛВА987А. Архивировано из оригинала (PDF) 2 ноября 2018 г.
• Шенбергер, Джон (2012). Проектирование контроллера обратноходового преобразователя на базе TL431 (PDF) (Технический отчет). Плексим ГМБХ. Архивировано (PDF) из оригинала 23 ноября 2015 г. Проверено 04 июля 2020 г.
• Самора, Марко (январь 2018 г.). Контакт TL431 FMEA (PDF) (отчет о применении). Техасские инструменты . СНВА809. Архивировано (PDF) из оригинала 22 июня 2020 г. Проверено 04 июля 2020 г.
• TL431 в разделе «Управление импульсными источниками питания» (PDF) (Технический отчет). ОН Полупроводник . 03.12.2019. В учебниках описываются только операционные усилители в компенсаторах… Реальность рынка иная: рулит TL431!