TL431

TL431
Regulator napięcia IC
Equivalent (functional level) schematic
Równoważny (poziom funkcjonalny) schemat
Typ Regulowany regulator napięcia bocznikowego
Rok wprowadzenia 1977
Oryginalny producent Instrumenty z Teksasu

TL431 to trójzaciskowy, regulowany, precyzyjny układ scalony regulatora napięcia bocznikowego . Za pomocą zewnętrznego dzielnika napięcia TL431 może regulować napięcia w zakresie od 2,5 do 36 V, przy prądach do 100 mA. Typowe początkowe odchylenie napięcia odniesienia od nominalnego poziomu 2,495 V jest mierzone w miliwoltach, maksymalne odchylenie w najgorszym przypadku jest mierzone w dziesiątkach miliwoltów. Obwód może bezpośrednio sterować tranzystorami mocy; kombinacje TL431 z tranzystorami mocy MOS są stosowane w wysokowydajnych regulatorach liniowych o bardzo niskim spadku napięcia. TL431 jest de facto przemysłowy obwód wzmacniacza błędów do zasilaczy impulsowych z optoelektronicznym sprzężeniem sieci wejściowych i wyjściowych.

Firma Texas Instruments wprowadziła TL431 w 1977 roku. W XXI wieku oryginalny TL431 pozostaje w produkcji wraz z wieloma klonami i pochodnymi (TL432, ATL431, KA431, LM431, TS431, 142ЕН19 i inne). Te funkcjonalnie podobne obwody mogą znacznie różnić się matrycy , precyzją i charakterystyką prędkości, minimalnymi prądami roboczymi i bezpiecznymi obszarami operacyjnymi .

Budowa i działanie

Schemat na poziomie tranzystora. Napięcia stałe określone dla regulacji w stanie ustalonym przy V CA =7 V
Krzywa prądowo-napięciowa dla małych napięć błędów. Zielona strefa to zalecany obszar o wysokiej transkonduktancji, rozciągający się w górę do maksymalnego prądu znamionowego. Praca w strefie żółtej jest możliwa, ale niezalecana.

TL431 to trójzaciskowy bipolarny przełącznik tranzystorowy, funkcjonalnie równoważny idealnemu tranzystorowi typu n ze stabilnym progiem przełączania 2,5 V i bez widocznej histerezy . „Baza”, „kolektor” i „emiter” tego „tranzystora” są tradycyjnie nazywane odniesieniem (R lub REF), katodą (C) i anodą (A). Dodatnie napięcie sterujące V REF jest przykładane między wejście odniesienia a anodę; prąd wyjściowy ICA przepływa od katody do anody.

Na poziomie funkcjonalnym TL431 zawiera napięcie odniesienia 2,5 V oraz wzmacniacz operacyjny z otwartą pętlą , który porównuje wejściowe napięcie sterujące z napięciem odniesienia. To jednak tylko abstrakcja : obie funkcje są nierozerwalnie połączone w przedniej części TL431. Nie ma fizycznego źródła 2,5 V: rzeczywiste wewnętrzne odniesienie jest zapewniane przez pasmo wzbronione Widlara 1,2 V (tranzystory T3, T4, T5), napędzane przez wejściowe wtórniki emitera T1, T6. Pozwala to na poprawną pracę nawet przy spadku napięcia katoda-anoda poniżej 2,5 V, do minimum około 2,0 V. Wzmacniacz różnicowy składa się z dwóch źródeł prądowych (T8, T9); dodatnia różnica ich prądów opada na podstawę T10. wyjściowy z otwartym kolektorem , T11, może pobierać prądy do 100 mA i jest chroniony przed odwróceniem polaryzacji za pomocą diody odwrotnej. Obwód nie zapewnia ochrony przed nadmiernym prądem lub przegrzaniem.

Kiedy V REF jest bezpiecznie poniżej progu 2,5 V (punkt A na krzywej prądowo-napięciowej), tranzystor wyjściowy jest zamknięty. Prąd szczątkowy katoda-anoda I CA , zasilający obwód czołowy, mieści się w granicach 100 i 200 μA. Gdy V REF zbliża się do wartości progowej, I CA wzrasta do 300–500 μA, ale tranzystor wyjściowy pozostaje zamknięty. Po osiągnięciu progu (punkt B) tranzystor wyjściowy delikatnie się otwiera, a I CA zaczyna rosnąć z szybkością około 30 mA/V. Gdy V REF przekroczy próg o około 3 mV i I CA osiąga 500–600 μA (punkt C), transkonduktancja gwałtownie skacze do 1,0–1,4 A/V. Powyżej tego punktu TL431 działa w swoim normalnym trybie o wysokiej transkonduktancji i może być wygodnie aproksymowany za pomocą modelu konwertera napięcia na prąd z jedną końcówką . Prąd rośnie, aż pętla ujemnego sprzężenia zwrotnego łącząca katodę z wejściem sterującym ustabilizuje V REF w pewnym punkcie powyżej progu. Ten punkt (V ref ) jest, ściśle mówiąc , napięcie odniesienia całego regulatora. Alternatywnie, TL431 może działać bez sprzężenia zwrotnego jako komparator napięcia lub z dodatnim sprzężeniem zwrotnym jako wyzwalacz Schmitta ; w takich zastosowaniach I CA jest ograniczony tylko obciążeniem anodowym i mocą zasilacza.

Referencyjny prąd wejściowy I REF jest niezależny od I CA i dość stały, około 2 μA. Wejście referencyjne zasilania sieciowego powinno być w stanie dostarczyć co najmniej dwukrotność tej wartości (4 μA lub więcej); praca z zawieszonym wejściem REF jest zabroniona, ale nie spowoduje bezpośredniego uszkodzenia TL431. Przetrwa otwarty obwód na dowolnym styku, zwarcie do masy dowolnego styku lub zwarcie między dowolną parą styków, pod warunkiem, że napięcia na stykach pozostają w granicach bezpieczeństwa.

Precyzja

Napięcie odniesienia a temperatura powietrza w warunkach testowych. Środek projektu (wykres środkowy) i odchylenie w najgorszym przypadku ±2% (wykresy górny i dolny)

Nominalne napięcie odniesienia, V REF = 2,495 V, podane w arkuszu danych, jest testowane w trybie Zenera w temperaturze otoczenia +25°C (77°F) i I CA =10 mA. Napięcie progowe i granica między trybami o niskiej i wysokiej transkonduktancji nie są określone i nie są testowane. Rzeczywiste V REF utrzymywane przez określony TL431 w rzeczywistej aplikacji może być wyższe lub niższe niż 2,495 V, w zależności od czterech czynników:

  • Indywidualne odchylenie początkowe określonego chipa. Dla różnych klas TL431 odchylenie w normalnych warunkach mieści się w zakresie ±0,5%, ±1% lub ±2%;
  • Temperatura . Wykres termiczny napięcia odniesienia pasma wzbronionego ma kształt przypominający garb. Z założenia garb jest wyśrodkowany w temperaturze +25 ° C (77 ° F), gdzie V REF = 2,495 V; powyżej i poniżej +25°C (77°F), V REF delikatnie spada o kilka miliwoltów. Jeśli jednak określony IC znacznie odbiega od normy, garb przesuwa się w kierunku niższych lub wyższych temperatur; w najgorszych wartościach odstających degeneruje się w monotonnie wznoszącą się lub opadającą krzywą.
  • Dzięki skończonej impedancji wyjściowej zmiany napięcia V CA wpływają na I CA i pośrednio na V REF , podobnie jak w tranzystorach czy triodach. Dla danego stałego ICA wzrost VCA o 1 V musi być zrównoważony spadkiem V REF o ≈1,4 mV (maksymalnie 2,7 mV) . Stosunek μ = 1 V / 1,4 mV ≈ 300–1000 lub ≈ 50–60 dB to teoretyczne maksymalne wzmocnienie napięcia w pętli otwartej przy prądzie stałym i niskich częstotliwościach;
  • Ze względu na skończoną transkonduktancję wzrost ICA powoduje wzrost V REF z szybkością 0,5–1 mV/mA.

Szybkość i stabilność

Odpowiedź częstotliwościowa TL431 w otwartej pętli może być wiarygodnie przybliżona jako filtr dolnoprzepustowy pierwszego rzędu . Biegun dominujący zapewnia stosunkowo duży kondensator kompensacyjny w stopniu wyjściowym. Równoważny model zawiera idealny przetwornik napięcia na prąd 1 A/V, zbocznikowany kondensatorem 70 nF. Dla typowego obciążenia katody 230 Ohm przekłada się to na częstotliwość odcięcia w pętli otwartej 10 kHz i częstotliwość wzmocnienia 2 MHz. Dzięki różnym efektom drugiego rzędu rzeczywista częstotliwość wzmocnienia jedności wynosi tylko 1 MHz; w praktyce różnica między 1 a 2 MHz jest nieistotna.

Szybkości narastania ICA , VCA i czas ustalania VREF nie są określone. Według firmy Texas Instruments stan przejściowy po włączeniu zasilania trwa około 2 μs. Początkowo V CA szybko wzrasta do ≈2 V, a następnie blokuje się na tym poziomie przez około 1 μs. Ładowanie pojemności wewnętrznych do napięć w stanie ustalonym zajmuje 0,5–1 μs więcej.

Pojemnościowe obciążenia katody (CL ) mogą powodować niestabilność i oscylacje. Zgodnie z wykresami granicznymi stabilności opublikowanymi w oryginalnym arkuszu danych, TL431 jest absolutnie stabilny, gdy CL jest mniejsze niż 1 nF lub większe niż 10 μF. W zakresie 1 nF – 10 μF prawdopodobieństwo wystąpienia oscylacji zależy od kombinacji pojemności I CA i V CA . Najgorszy scenariusz występuje przy niskim I CA i V CA . Wręcz przeciwnie, kombinacje wysokiego I CA i wysokiego V CA , gdy TL431 pracuje blisko swojego maksymalnego współczynnika rozpraszania, są absolutnie stabilne. Jednak nawet regulator zaprojektowany dla wysokiego ICA i wysokiego VCA może oscylować przy włączaniu zasilania, kiedy VCA nie wzrosło jeszcze do poziomu stanu ustalonego.

W nocie aplikacyjnej z 2014 r . firma Texas Instruments przyznała, że ​​ich wykresy granic stabilności są nadmiernie optymistyczne. Opisują „typową” próbkę układu scalonego przy zerowym marginesie fazy ; w praktyce solidne konstrukcje powinny mieć margines fazy co najmniej 30 stopni. ESR tego ostatniego , jest wystarczające do stłumienia niepożądanych oscylacji. Rezystancja szeregowa wprowadza zero częstotliwości przy stosunkowo niskiej częstotliwości, eliminując większość niepożądanego opóźnienia fazowego było to spowodowane samą pojemnością obciążenia. Minimalne wartości rezystorów szeregowych mieszczą się w przedziale od 1 Ohm (wysoki CL ) do 1 kOhm (niski CL , wysoki V CA ).

Aplikacje

Regulatory liniowe

Podstawowe konfiguracje regulatorów liniowych. Czwarty obwód wymaga dodatkowego dodatniego napięcia zasilania, ΔU, do pracy z niskim spadkiem napięcia. Rezystor szeregowy RA oddziela TL431 od pojemności bramki .

Najprostszy obwód regulatora TL431 wykonuje się przez zwarcie wejścia sterującego do katody. Powstała sieć z dwoma zaciskami ma charakterystykę prądowo-napięciową podobną do Zenera , ze stabilnym napięciem progowym V REF ≈2,5 V i impedancją niskiej częstotliwości około 0,2 oma. Impedancja zaczyna rosnąć przy około 100 kHz i osiąga 10 omów przy około 10 MHz. Regulacja napięć wyższych niż 2,5 V wymaga zewnętrznego dzielnika napięcia . W przypadku rezystorów dzielnika R2 i R1 napięcie katody i impedancja wyjściowa wzrastają 1+R2/R1 razy. Maksymalne stałe, regulowane napięcie nie może przekraczać 36 V; maksymalne napięcie katoda-anoda jest ograniczone do 37 V. W przeszłości TL431 był projektowany i produkowany z myślą o tym zastosowaniu i był reklamowany jako „niezwykle atrakcyjny zamiennik drogich zenerów z kompensacją temperatury”.

Dodanie popychacza emitera przekształca regulator bocznikowy w regulator szeregowy. Wydajność jest mierna, ponieważ pojedyncze tranzystory typu npn lub pary Darlingtona wymagają dość dużego spadku napięcia kolektor-emiter. Pojedynczy tranzystor typu pnp ze wspólnym emiterem może działać poprawnie w trybie nasycenia, przy spadku napięcia zaledwie ≈0,25, ale także przy niepraktycznie wysokich prądach bazowych. tranzystor typu pnp nie wymaga tak dużego prądu sterującego, ale wymaga co najmniej 1 V spadku napięcia. N-kanałowy MOSFET mocy Urządzenie umożliwia najlepszą kombinację niskiego prądu napędu, bardzo niskiego spadku napięcia i stabilności. Jednak praca MOSFET-a o niskim spadku wymaga dodatkowego źródła napięcia po stronie wysokiego napięcia (ΔU na schemacie) do napędzania bramki . ΔU można uniknąć, jeśli używany jest MOSFET w trybie wyczerpania.

Obwody regulatora z zamkniętą pętlą wykorzystujące TL431 są zawsze zaprojektowane do pracy w trybie wysokiej transkonduktancji, z ICA nie mniejszym niż 1 mA (punkt D na krzywej prąd-napięcie). Aby uzyskać lepszą stabilność pętli sterowania, optymalny I CA powinien być ustawiony na około 5 mA, chociaż może to negatywnie wpłynąć na ogólną wydajność.

Zasilacze impulsowe

Typowe zastosowanie TL431 w SMPS. Rezystor bocznikowy R3 utrzymuje minimalny prąd TL431, rezystor szeregowy R4 jest częścią sieci kompensacji częstotliwości (C1R4)

W XXI wieku TL431, wyposażony w diodę elektroluminescencyjną ( LED) transoptora , jest de facto standardowym rozwiązaniem branżowym dla regulowanych zasilaczy impulsowych (SMPS). Rezystancyjny dzielnik napięcia sterujący wejściem sterującym TL431 oraz katoda diody LED są zwykle podłączone do wyjścia regulatora; fototranzystor transoptora jest podłączony do wejścia sterującego modulacji szerokości impulsu (PWM) kontroler. Rezystor R3 (około 1 kOhm), bocznikujący diodę LED, pomaga utrzymać I CA powyżej progu 1 mA. W typowym zasilaczu/ładowarce dostarczanej z laptopem średni prąd I CA wynosi około 1,5 mA, w tym prąd diody LED 0,5 mA i prąd bocznikowy 1 mA (dane z 2012 r.).

Projekt solidnego, wydajnego i stabilnego SMPS z TL431 jest powszechnym, ale złożonym zadaniem. W najprostszej możliwej konfiguracji kompensacja częstotliwości jest utrzymywana przez sieć całkującą C1R4. Oprócz tej wyraźnej sieci kompensacyjnej, na odpowiedź częstotliwościową pętli sterującej wpływa wyjściowy kondensator wygładzający , sam TL431 i pojemność pasożytnicza fototranzystora. TL431 jest sterowany nie jedną, a dwiema pętlami sterującymi: główną, „slow lane” podłączoną do kondensatora wyjściowego z dzielnikiem napięcia, oraz wtórną „fast lane”, połączoną z szyną wyjściową za pomocą diody LED. Układ scalony, obciążony bardzo niską impedancją diody LED, działa jako źródło prądu ; niepożądane tętnienie napięcia przechodzi z szyny wyjściowej do katody prawie bez przeszkód. Ten „szybki pas” dominuje przy częstotliwościach środkowego pasma (ok. 10 kHz – 1 MHz) i jest zwykle przerywany przez odsprzęganie diody LED od kondensatora wyjściowego za pomocą diody Zenera lub filtr dolnoprzepustowy .

Komparatory napięcia

Podstawowy komparator stałoprogowy i jego pochodne - prosty przekaźnik czasowy i kaskadowy monitor okienkowy. Aby zapewnić szybkie stany przejściowe wyłączania, rezystor obciążenia RL powinien zapewniać prąd w stanie włączenia o wartości co najmniej 5 mA

Najprostszy obwód komparatora oparty na TL431 wymaga pojedynczego zewnętrznego rezystora, aby ograniczyć I CA do około 5 mA. Praca przy mniejszych prądach jest niepożądana ze względu na dłuższe stany przejściowe wyłączania. Opóźnienie włączenia zależy głównie od różnicy między napięciem wejściowym a progowym (napięcie przesterowania); wyższy overdrive przyspiesza proces włączania. Optymalna prędkość przejściowa jest osiągana przy 10% (≈250 mV) przesterowaniu i impedancji źródła 10 kOhm lub mniej.

Napięcie CA w stanie włączenia spada do około 2 V, co jest zgodne z logiką tranzystorowo-tranzystorową (TTL) i bramkami logicznymi CMOS z zasilaniem 5 V. Niskonapięciowy układ CMOS (np. układ logiczny 3,3 V lub 1,8 V) wymaga konwersji poziomu za pomocą rezystancyjnego dzielnika napięcia lub zastąpienia TL431 niskonapięciową alternatywą, taką jak TLV431.

Komparatory i inwertery oparte na TL431 można łatwo łączyć kaskadowo zgodnie z zasadami logiki przekaźnikowej . Na przykład dwustopniowy monitor napięcia okna włączy się (przełączając wyjście ze stanu wysokiego na stan niski), gdy

,

warunkiem, że jest większy niż między dwoma napięciami wyzwalającymi jest wystarczająco

Nieudokumentowane tryby

Do 2010 roku magazyny dla majsterkowiczów opublikowały wiele projektów wzmacniaczy audio, które wykorzystywały TL431 jako urządzenie wzmacniające napięcie. Większość z nich była jawnymi porażkami z powodu nadmiernego ujemnego sprzężenia zwrotnego i niskiego wzmocnienia. Sprzężenie zwrotne jest niezbędne do zmniejszenia nieliniowości w pętli otwartej, ale biorąc pod uwagę ograniczone wzmocnienie TL431 w pętli otwartej , każdy praktyczny poziom sprzężenia zwrotnego skutkuje niepraktycznie niskim wzmocnieniem w pętli zamkniętej. Stabilność tych wzmacniaczy też pozostawia wiele do życzenia.

Z natury niestabilny TL431 może działać jako oscylator sterowany napięciem dla częstotliwości w zakresie od kilku kHz do 1,5 MHz. Zakres częstotliwości i prawo sterowania takiego oscylatora silnie zależą od konkretnej marki użytego TL431. Chipy wykonane przez różnych producentów zwykle nie są wymienne.

Para TL431 może zastąpić tranzystory w symetrycznym astabilnym multiwibratorze dla częstotliwości w zakresie od poniżej 1 Hz do około 50 kHz. To znowu jest nieudokumentowany i potencjalnie niebezpieczny tryb, w którym okresowe prądy ładowania kondensatorów przepływają przez diody zabezpieczające stopnia wejściowego (T2 na schemacie).

Warianty, klony i pochodne

TL431 firmy STMicroelectronics i KA431 firmy ON Semiconductor , oba w obudowach TO-92 z otworami przelotowymi
Matryce TL431 trzech różnych producentów; oryginalna matryca TI po lewej stronie. Największym jasnym obszarem w każdej kostce jest kondensator kompensacyjny; duża, przypominająca grzebień struktura w pobliżu to tranzystor wyjściowy. „Nadmiarowe” pola kontaktowe są używane do testowania i stopniowej regulacji V REF przed zapakowaniem układu scalonego

Układy scalone sprzedawane przez różnych producentów jako TL431 lub mające podobne oznaczenia, takie jak KA431 lub TS431, mogą znacznie różnić się od oryginału firmy Texas Instruments. Czasami różnicę można wykryć tylko podczas testowania w nieudokumentowanych trybach; czasami jest to publicznie deklarowane w arkuszach danych. Na przykład Vishay TL431 ma nienormalnie wysokie (ok. 75 dB) wzmocnienie napięcia stałego, które zaczyna opadać przy 100 Hz; przy częstotliwościach powyżej 10 kHz wzmocnienie spada do normy i osiąga jedność przy standardowej częstotliwości 1 MHz. Kontroler SG6105 SMPS zawiera dwa niezależne regulatory oznaczone jako TL431, ale ich maksymalne I CA i V CA to odpowiednio tylko 16 V i 30 mA; producent nie testuje tych regulatorów pod kątem precyzji.

Przestarzały TL430 był brzydką siostrą TL431, produkowanym przez Texas Instruments tylko w obudowie z otworami przelotowymi i posiadającym V REF 2,75 V. Jego odniesienie do pasma wzbronionego nie było kompensowane termicznie i było mniej precyzyjne niż w przypadku TL431; stopień wyjściowy nie miał diody zabezpieczającej. TL432 jest elektrycznie taki sam jak TL431, produkowany tylko w obudowach do montażu powierzchniowego i ma inny układ pinów.

W 2015 roku firma Texas Instruments ogłosiła ATL431, ulepszoną pochodną TL431 do bardzo wydajnych regulatorów impulsowych. Zalecany minimalny prąd roboczy to tylko 35 μA (standard TL431: 1 mA); maksymalne I CA i V CA są takie same jak standardowe (100 mA i 36 V). Częstotliwość wzmocnienia jednostkowego została zmniejszona do 250 kHz, aby stłumić tętnienia o wysokiej częstotliwości, aby nie były one przesyłane z powrotem do kontrolera. ATL431 ma zupełnie inny obszar niestabilności. Przy niskich napięciach i prądach jest absolutnie stabilny przy każdym praktycznym obciążeniu pojemnościowym, pod warunkiem, że kondensatory są wysokiej jakości i mają niską impedancję. Minimalna zalecana wartość szeregowego rezystora odsprzęgającego to 250 Ohm (standard TL431: 1 Ohm).

Oprócz TL431 i jego następców, od 2015 r. Tylko dwa układy scalone regulatora bocznikowego znalazły szerokie zastosowanie w branży. Oba typy mają podobną funkcjonalność i zastosowanie, ale różne obwody wewnętrzne, różne poziomy odniesienia, maksymalne prądy i napięcia:

  • Bipolarny LMV431 firmy Texas Instruments ma V REF 1,24 V i jest w stanie regulować napięcia do 30 V przy prądzie od 80 μA do 30 mA;
  • Niskonapięciowy układ CMOS NCP100 firmy ON Semiconductor ma V REF 0,7 V i jest w stanie regulować napięcia do 6 V przy prądzie od 100 μA do 20 mA.

Bibliografia

Książki i czasopisma

Publikacje firmowe

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=TL431&oldid=1106418524 ​​”