Описание микросхемы TL431 принцип работы, назначение выводов и аналоги

---

Введение

Микросхема TL431 — это универсальное устройство, которое можно найти во многих современных устройствах электронной техники. Она представляет собой программируемый стабилизатор напряжения, который имеет решающее значение для создания стабильных и точных источников питания, а также для контроля напряжения, которое используют различные электронные устройства. В этой статье мы подробно рассмотрим основные характеристики, принцип работы и математические аспекты микросхемы TL431. Мы также рассмотрим ее реальные применения в проектах. Получив более глубокое понимание TL431, мы сможем лучше понять его роль в современной электронике и значение для инженеров и разработчиков.

Технические характеристики

Характеристика	Значение
Напряжение стабилизации	2.5…36 В
Макс. отклонение напряжения	2%
Ток стабилизации	1…100 мА
Внутреннее опорное напряжение	2.5 В
Диапазон рабочих температур	-40°C..+125°C
Корпус	TO-92

Описание и назначение выводов микросхемы

Микросхема TL431 обычно имеет три вывода, каждый из которых выполняет свою уникальную функцию:

1. Ref (Reference):
   • Назначение: Задает опорное напряжение 2,495 В. Используется для регулирования выходного напряжения с помощью внешнего делителя напряжения.
2. A (Anode):
   • Назначение: Анодный вывод, обычно подключается к земле или к более низкому напряжению в цепи.
3. K (Cathode):
   • Назначение: Катодный вывод, на котором формируется выходное напряжение, регулируемое относительно анода и Ref.

Принцип работы микросхемы TL431

Описание внутренней структуры

Внутри микросхемы находится источник эталонного напряжения 2.495 В, который служит основой для всех операций регулирования. Дифференциальный усилитель сравнивает напряжение на референсном входе (Ref) с этим эталонным напряжением. Разница между ними используется для управления выходным транзистором, который подключен к катоду и регулирует ток через нагрузку.

Выходной транзистор изменяет своё внутреннее сопротивление, чтобы поддерживать стабильное выходное напряжение. Внешний делитель напряжения, подключенный к выводу Ref, задаёт требуемое выходное напряжение, деля его и подавая часть на вход дифференциального усилителя.

Внутренние схемы защиты TL431 предотвращают повреждение микросхемы при перегрузках и коротких замыканиях.

Математическое описание работы референтного входа и делителя напряжения

1. Референтный вход (Ref):
   • Референтный вход обеспечивает стабильное опорное напряжение, обычно 2.5 В. Это напряжение используется как точка отсчета для установки выходного напряжения микросхемы.
2. Делитель напряжения:
   • Внешний делитель напряжения подключается к микросхеме и представляет собой два резистора. Один из них соединен с выходом микросхемы, а другой — с ее входом. Математический делитель напряжения описывается как отношение сопротивлений двух резисторов:

где:

• Vвых​ — выходное напряжение
• Vref​ — опорное напряжение (2.5 В),
• R1​ и R2​ — сопротивления резисторов делителя.

Математические модели и анализ

Чтобы лучше понять характеристики и поведение микросхемы TL431 в различных условиях, ее математические модели используются. Они позволяют инженерам предсказывать характеристики, проводить анализ стабильности и оптимизировать схемы.

1. Модель стабильности:
   • Математическая модель стабильности TL431 помогает определить, какие условия внешних изменений (например, температурных или изменений нагрузки) могут повлиять на стабильность выходного напряжения. Это позволяет инженерам выбирать оптимальные компоненты и конфигурации схем для устойчивой работы.
2. Модель температурной дрейфа:
   • Уравнения, описывающие температурный дрейф микросхемы TL431, помогают определить, как изменения температуры влияют на ее выходное напряжение. Это важно для приложений, где требуется высокая стабильность в различных температурных условиях.

Уравнения для расчета коэффициента температурной дрейфа и других параметров

Коэффициент температурной дрейфа (TC)

Коэффициент дрейфа температуры показывает, насколько изменяется выходное напряжение TL431 при изменении температуры. Следующее уравнение может быть использовано для расчета этого параметра:

где:

• TC — коэффициент температурной дрейфа
• ΔVвых​ — изменение выходного напряжения
• ΔT — изменение температуры.

Уравнения для других параметров

Математичеcкие модели также могут включать уравнения для расчета таких параметров, как линейность выходного напряжения, статическая и динамическая стабильность и другие.

Применение микросхемы TL431 в практических схемах

1. Источники питания с использованием TL431:
   • Микросхема TL431 часто используется в разработке источников питания, особенно в тех случаях, когда необходимо обеспечить стабильное выходное напряжение с возможностью регулировки. Примеры применения включают линейные источники питания для электронных устройств, зарядные устройства для аккумуляторов и стабилизаторы напряжения для аудио- и видеооборудования.
2. Схемы обратной связи и регулирования напряжения, включая математический анализ:
   • Микросхема TL431 играет ключевую роль в схемах обратной связи, где она используется для точного регулирования и стабилизации выходного напряжения. Эти схемы включают в себя сравнительные усилители, делители напряжения и элементы управления. Математический анализ позволяет оптимизировать параметры схемы, такие как коэффициент усиления и полоса пропускания, чтобы достичь желаемой производительности.
3. Защитные схемы и контроль напряжения в электронных устройствах с учетом математических моделей:
   • TL431 также используется в защитных схемах для контроля напряжения и срабатывания в случае превышения порогового значения. Это особенно важно для защиты более чувствительных компонентов электронных устройств от перенапряжения. Инженеры могут использовать математические модели, чтобы точно настроить пороги и параметры срабатывания таких защитных схем.

Аналоги TL431

Для регулирования выходного напряжения и стабилизации напряжения микросхема TL431 имеет много аналогов и альтернативных устройств. Некоторые из наиболее известных аналогов TL431 включают:

1. Shunt Voltage References: Эти аналоги TL431 также известны как «shunt voltage references.» Они производятся разными компаниями и имеют схожие характеристики. Примеры включают в себя компоненты, такие как ADR431, TLV431, MAX6029, REF02, LT1460, и многие другие.
2. ADJ (Adjustable) Voltage Regulators: Некоторые регуляторы напряжения с возможностью настройки также могут использоваться вместо TL431. Они позволяют пользователю устанавливать желаемое выходное напряжение. Примеры включают в себя LM317 и LM337.
3. Precision Voltage References: Эти компоненты предназначены для предоставления стабильного опорного напряжения и могут использоваться в схемах собственного регулятора напряжения. Примеры включают REF33, ADR430, LT1004, и другие.
4. Programmable Voltage References: Некоторые программируемые опорные напряжения также могут заменить TL431 в подходящих приложениях. Примеры включают AD5791, AD588, LTZ1000, и другие.

Отечественные аналоги

Регулируемые стабилизаторы напряжения параллельного типа.

• КР142ЕН19
• КР142ЕН19А
• К1156ЕР5Т
• Н142ЕН19

Преимущества и ограничения

Преимущества использования TL431 в сравнении с другими регуляторами:

1. Гибкость настройки: TL431 предоставляет возможность точной регулировки выходного напряжения с помощью внешнего делителя напряжения, что делает его очень гибким и адаптивным к различным требованиям проектов.
2. Стабильность: Микросхема TL431 обладает отличной стабильностью выходного напряжения и низким коэффициентом температурной дрейфа. Это делает его хорошим выбором для приложений, где необходимо поддерживать постоянное напряжение в широком диапазоне температур.
3. Простота применения: TL431 имеет относительно простую схему подключения, что упрощает его интеграцию в различные электронные схемы. Кроме того, множество производителей выпускают данную микросхему, что обеспечивает ее доступность.
4. Низкий собственный потребляемый ток: TL431 имеет низкий собственный потребляемый ток, что позволяет его использовать в батарейных и низкопотребляющих схемах.

Ограничения и ситуации, когда TL431 может быть не наилучшим выбором:

1. Ограниченное выходное напряжение: Максимальное выходное напряжение TL431 ограничено, и если требуется более высокое напряжение, то другие регуляторы могут быть более подходящими.
2. Ток стабилизации: TL431 обычно имеет ограничение на максимальный ток стабилизации. Если вам нужно обеспечить высокий ток, то могут потребоваться другие регуляторы.
3. Шум и электромагнитная совместимость: В некоторых случаях TL431 может иметь более высокий уровень шума и быть менее устойчивым к помехам, чем некоторые другие регуляторы.
4. Сложные схемы: В некоторых сложных схемах TL431 может потребовать дополнительных компонентов для обеспечения требуемой производительности и стабильности.

Примеры применения в реальных проектах

Варианты включения TL431 в режиме стабилизации напряжения

Стабилизатор тока

Контроллер для светодиодных DRL на TL431

Регулируемый стабилизатор напряжения на TL431

Зарядное устройство для литиевых аккумуляторов

Заключение

Наконец, микросхема TL431 является важным и широко используемым устройством для стабилизации и регулирования выходного напряжения в электронных схемах и системах. Ее преимущества, такие как простота применения, стабильность и гибкость настройки, делают ее популярным выбором для многих схем.