TL431 — интегральная схема (ИС) трёхвыводного регулируемого параллельного стабилизатора напряжения с улучшенной температурной стабильностью. С внешним делителем TL431 способна стабилизировать напряжения от 2,5 до 36 В при токах до 100 мА . Типичное отклонение фактической величины опорного напряжения от паспортного значения измеряется единицами мВ, предельно допустимое отклонение составляет несколько десятков мВ . Микросхема хорошо подходит для управления мощными транзисторами ; её применение в связке с низковольтными МДП-транзисторами позволяет создавать экономичные линейные стабилизаторы с особо низким падением напряжения . В схемотехнике импульсных преобразователей напряжения TL431 — фактический отраслевой стандарт стабилизаторов с оптронной развязкой входных и выходных цепей .

TL431 впервые появилась в каталогах Texas Instruments в 1977 году . В XXI веке TL431 и её функциональные аналоги выпускаются множеством производителей в различных вариантах (TL432, ATL431, KA431, LM431, TS431, 142ЕН19 и другие), различающихся кристаллов , точностными и частотными характеристиками, минимальными рабочими токами и .

Устройство и принцип действия

TL431 — трёхвыводной пороговый элемент, построенный на биполярных транзисторах , — своего рода аналог идеального транзистора с порогом переключения ≈2,5 В . «База», «коллектор» и «эмиттер» TL431 традиционно именуются соответственно управляющим входом (R), катодом (C) и анодом (A). Положительное управляющее напряжение U _ref прикладывается между управляющим входом и анодом, а выходным сигналом служит ток катод-анод I _KA .

Функционально, на уровне абстракции, TL431 содержит источник опорного напряжения ≈2,5 В и операционный усилитель , сравнивающий напряжение на управляющем входе U _ref с опорным . Физически обе функции плотно, неразрывно интегрированы во входных каскадах TL431. Виртуальный опорный уровень ≈2,5 В не вырабатывается ни в одной точке схемы: действительным источником опорного напряжения служит бандгап Видлара на транзисторах Т3, Т4 и Т5, вырабатывающий напряжение ≈1,2 В и оптимизированный для работы в связке с эмиттерными повторителями Т1 и T6 . Дифференциальный усилитель образуют два встречно включённых источника тока на транзисторах T8 и T9: положительная разница между токами коллекторов T8 и T9, ответвляющаяся в базу T10, управляет выходным каскадом . Выходной каскад TL431, непосредственно управляющий током нагрузки, — транзистор Дарлингтона npn-структуры с открытым коллектором , защищённый обратным диодом . Каких-либо средств защиты от перегрева или перегрузки по току не предусмотрено .

Если U _ref не превышает порога переключения, то выходной каскад закрыт, а управляющие им каскады потребляют в покое ток типичной величиной 100…200 мкА . С приближением U _ref к порогу переключения ток, потребляемый управляющими каскадами, достигает величины порядка 300…500 мкА , при этом выходной каскад остаётся закрытым. После превышения порога выходной каскад плавно открывается, I _KA нарастает с крутизной примерно 30 мА/В . Когда U _ref превысит порог примерно на 3 мВ , а I _KA достигнет примерно 500…600 мкА , крутизна скачкообразно возрастает до примерно 1 А/В . С достижением номинальной крутизны, типичное значение которой составляет 1…1,4 А/В , схема выходит на режим стабилизации , в котором ведёт себя подобно классическому . Рост тока прекращается тогда, когда управляющее напряжение стабилизируется действием петли отрицательной обратной связи , включённой между катодом и управляющим входом . Установившееся при этом значение U _ref ≈2,5 В и называется опорным (U _REF ) . В менее распространённом релейном режиме (режиме компаратора) петля ООС отсутствует, а ток катода ограничен лишь характеристиками источника питания и нагрузки .

Стабилизаторы на TL431 проектируются таким образом, чтобы микросхема всегда работала в активном режиме с высокой крутизной; для этого I _KA не должен опускаться ниже 1 мА . С точки зрения устойчивости петли управления может оказаться целесообразным увеличить минимальный ток ещё больше, до 5 мА , но на практике это противоречит требованиям к экономичности стабилизатора . Втекающий ток управляющего входа I _ref во всех режимах примерно постоянен, его типичная величина составляет 2 мкА . Производитель рекомендует проектировать входную цепь TL431 таким образом, чтобы гарантировать I _ref не менее 4 мкА ; эксплуатация микросхемы с «висящим» управляющим входом не допускается . Обрыв или замыкание на землю любого из выводов, а также короткое замыкание любых двух выводов не способны разрушить TL431, но делают устройство в целом неработоспособным .

Точностные характеристики

Паспортная величина опорного напряжения U _REF =2,495 В определяется и тестируется заводом-изготовителем при токе катода 10 мА , замыкании управляющего входа на катод и температуре окружающей среды +25 °C . Порог переключения (точка В на передаточной характеристике) и порог перехода в режим высокой крутизны (точка С) не нормируются . Фактическое опорное напряжение, которое устанавливает конкретный экземпляр TL431 в конкретной схеме, может быть и больше, и меньше паспортного, в зависимости от четырёх факторов:

• Технологический разброс . Допустимый разброс U _REF при нормальных условиях составляет для различных серий TL431 не более ±0,5 %, не более ±1 % или не более ±2 % ;
• Температурный дрейф . Зависимость опорного напряжения бандгапа от температуры имеет форму плавного горба. Если характеристики конкретной микросхемы точно соответствуют конструкторскому расчёту, то вершина горба наблюдается при температуре около +25°С, а U _REF при нормальных условиях точно равно 2,495 В ; выше и ниже отметки +25°С U _REF плавно снижается на несколько мВ. Для микросхем с заметным отклонением характеристик от расчётных горб сдвигается в области высоких или низких температур, а сама зависимость может принимать монотонно спадающий или монотонно возрастающий характер. Отклонение фактического U _REF от паспортных 2,495 В во всех случаях не превышает нескольких десятков мВ ;
• Влияние напряжения анод-катод (U _KA ). С ростом U _KA опорное напряжение TL431, необходимое для поддержания фиксированного тока катода, снижается с типичной скоростью в 1,4 мВ/В (но не более 2,7 мВ/В ) . Величина, обратная этому показателю, — примерно 300…1000 (50…60 дБ ) — есть верхний предел коэффициента усиления напряжения в области низких частот ;
• Влияние тока катода . С ростом тока катода, при прочих равных условиях, U _REF возрастает со скоростью примерно 0,5…1 мВ/мА , что соответствует крутизне преобразования в 1…2 А/В .

Частотные характеристики

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) TL431, встроенной миллеровской ёмкостью выходного каскада , в первом приближении описывается уравнением фильтра нижних частот первого порядка; простейшая частотно-зависимая модель схемы состоит из идеального преобразователя напряжения в ток, выход которого за шунтирован ёмкостью в 70 нФ . При работе на типичную резистивную нагрузку сопротивлением 230 Ом спад АЧХ стандартной TL431 начинается на отметке 10 кГц , а расчётная частота единичного усиления, не зависящая от сопротивления нагрузки, составляет около 2 МГц . Из-за явлений второго порядка АЧХ в области высших частот спадает быстрее, чем предсказывает модель, поэтому реальная частота единичного усиления составляет всего 1 МГц ; на практике это различие не имеет значения .

Скорости нарастания и спада I _KA , U _KA и время установления U _REF не нормируются. По данным Texas Instruments, при включении питания U _KA быстро возрастает до ≈2 В и, временно, примерно на 1 мкс , останавливается на этом уровне. Затем в течение примерно 0,5…1 мкс происходит заряд встроенной ёмкости, и на катоде устанавливается постоянное стабилизированное U _KA .

Шунтирование анода и катода TL431 ёмкостью может приводить к самовозбуждению . При малых (не более 1 нФ ) и при больших (свыше 10 мкФ ) ёмкостях TL431 устойчива; в области 1 нФ…10 мкФ самовозбуждение вероятно . Ширина области неустойчивости зависит от сочетания I _KA и U _KA . Наихудшим с точки зрения устойчивости является сочетание малых токов и малых напряжений; напротив, при больших токах и напряжениях, когда рассеиваемая микросхемой мощность приближается к предельной величине, TL431 становится абсолютно устойчивой . Однако даже стабилизатор относительно высокого напряжения может самовозбуждаться при включении, когда напряжение на катоде ещё не поднялось до штатного уровня .

Публикуемые в технической документации графики граничных условий устойчивости являются, по признанию самой Texas Instruments , неоправданно оптимистичными . Они описывают «типичную» микросхему при нулевом , тогда как на практике следует ориентироваться на запас по фазе не менее 30° . Для подавления самовозбуждения обычно достаточно включить между анодом TL431 и ёмкостью нагрузки «антизвонное» сопротивление в 1…1000 Ом ; его минимальная величина определяется сочетанием ёмкости нагрузки, I _KA и U _KA .

Применение

Линейные стабилизаторы напряжения

В простейшей схеме параллельного стабилизатора напряжения управляющий вход TL431 замыкается на катод, что превращает микросхему в функциональный аналог стабилитрона с фиксированным опорным напряжением ≈2,5 В . Типичное внутреннее сопротивление такого «стабилитрона» на частотах до 100 кГц составляет примерно 0,2 Ом ; в диапазоне частот 100 кГц…10 МГц оно монотонно возрастает до примерно 10 Ом . Для стабилизации бо́льших напряжений управляющий вход TL431 подключается к резистивному делителю R2R1, включённому между катодом и анодом. Стабилизируемое напряжение анод-катод и внутреннее сопротивление такого «стабилитрона» возрастают в ${\displaystyle (1+R2/R1)}$ раз . Предельно допустимое напряжение стабилизации не должно превышать +36 В , предельно допустимое напряжение на катоде ограничено +37 В . Изначально именно это включение TL431 было основным: микросхема позиционировалась на рынке как экономичная альтернатива дорогим прецизионным стабилитронам .

Дополнение схемы параллельного стабилизатора эмиттерным повторителем , включённым в петлю обратной связи, превращает её в последовательный стабилизатор. Обычные или составные транзисторы npn-структуры, используемые в качестве проходных вентилей, работоспособны лишь при достаточно высоком падении напряжения между входом и выходом, что снижает коэффициент полезного действия стабилизатора . Проходные транзисторы pnp-структуры в работоспособны при напряжениях коллектор-эмиттер до ≈0,25 В , но при этом требуют высоких управляющих токов, что вынуждает использовать составные транзисторы с минимальным падением напряжения 1 В и выше . Наименьшее падение напряжения достигается при использовании мощных МДП-транзисторов . Стабилизаторы с схемотехнически просты, устойчивы, экономичны, но требуют дополнительного источника питания затворов МДП-транзисторов (ΔU на иллюстрации) .

Импульсные стабилизаторы напряжения

TL431, нагруженная на светодиод оптрона , — фактический отраслевой стандарт усилителя ошибки в бытовых импульсных преобразователях напряжения . Более того, выпускаются комбинированные микросхемы, представляющие собой транзисторный оптрон и кристалл, аналогичный TL431, в одном корпусе . Делитель напряжения R1R2, задающий напряжение на управляющем входе TL431, и катод светодиода подключаются к выходу преобразователя, а фототранзистор оптрона — к управляющему входу ШИМ-контроллера его первичной цепи. Для того, чтобы минимальный ток катода TL431 не опускался ниже 1 мА , светодиод оптрона шунтируют резистором R3 величиной порядка 1 кОм . Например, в типичном импульсном блоке питания ноутбука , по данным 2012 года, средний I _KA равен 1,5 мА , из которых 0,5 мА протекают через светодиод, а 1 мА — через шунт .

Проектирование эффективных, но устойчивых цепей частотной компенсации таких стабилизаторов — непростая задача . В простейшей конфигурации компенсация возлагается на интегрирующую цепь C1R4 . Помимо этой цепи, выходного сглаживающего фильтра преобразователя и самой микросхемы, в схеме неявно присутствует ещё одно частотнозависимое звено, с частотой среза порядка 10 кГц — выходная ёмкость фототранзистора в связке с сопротивлением его коллекторной нагрузки . При этом через микросхему одновременно замыкаются две петли обратной связи: основная, медленная петля замыкается через делитель на управляющий вход TL431; побочная, быстрая ( англ. fast lane ) замыкается через светодиод на катод TL431 . Быструю петлю можно разорвать, например, зафиксировав напряжение на катоде светодиода стабилитроном или подключив катод светодиода к отдельному фильтру .

Компараторы напряжения

Простейшая схема компаратора на TL431 требует единственного резистора, ограничивающего предельный ток катода на рекомендованном уровне 5 мА . Меньшие значения возможны, но нежелательны из-за затягивания времени переключения из открытого (логический ноль) в закрытое (логическая единица) состояние . Время переключения из закрытого в открытое состояние зависит от величины превышения U _ref над порогом переключения: чем больше превышение, тем быстрее срабатывает компаратор. Оптимальная скорость переключения достигается при десятипроцентном превышении, при этом выходное сопротивление источника сигнала не должно превышать 10 кОм . В полностью открытом состоянии U _KA опускается до 2 В , что согласуется с уровнями ТТЛ и КМОП при напряжениях питания 5 В и выше . Для согласования TL431 с низковольтной КМОП-логикой необходимо использовать внешний делитель напряжения или заменить TL431 на микросхему-аналог с меньшим порогом переключения, например TLV431 .

Компараторы и логические инверторы на TL431 легко стыкуются между собой по принципам . Например, в приведённой схеме монитора напряжения выходной каскад открывается, а выходной сигнал принимает значение логического нуля тогда, и только тогда, когда входное напряжение U _BX укладывается в интервал

${\displaystyle U_{REF}(1+R3/R4)<U_{BX}<U_{REF}(1+R1/R2)}$ .

Схема работоспособна, если условие ${\displaystyle R1/R2>R3/R4}$ выполняется с достаточным запасом .

Недокументированные режимы

В радиолюбительской прессе неоднократно публиковались конструкции усилителей напряжения низкой частоты на TL431 — как правило, неудачные . Стремясь подавить нелинейность микросхемы, конструкторы увеличивали глубину обратной связи и тем самым снижали коэффициент усиления до нецелесообразно низких значений . Стабилизация режима работы усилителей на TL431 также оказалась непростой задачей .

Склонность TL431 к самовозбуждению можно использовать для построения генератора, управляемого напряжением на частоты от нескольких кГц до 1,5 МГц . Частотный диапазон такого генератора и характер зависимости частоты от управляющего напряжения сильно зависят от используемой серии TL431: одноимённые микросхемы разных производителей в этом недокументированном режиме не взаимозаменяемы . Пара TL431 может быть использована и в схеме астабильного мультивибратора на частоты от долей Гц до примерно 50 кГц . В этой схеме TL431 также работают в недокументированном режиме: токи заряда времязадающих ёмкостей протекают через диоды, защищающие управляющие входы (T2 на принципиальной схеме) .

Нестандартные варианты и функциональные аналоги

Микросхемы различных производителей, выпускаемые под именем TL431 или под близкими к нему именами (KA431, TS431 и т. п.), могут существенно отличаться от оригинальной TL431 производства Texas Instruments. Иногда различия вскрываются лишь опытным путём, при испытаниях ИС в недокументированных режимах ; иногда они явно декларируются в документации производителей. Так, TL431 производства Vishay отличается аномально высоким, порядка 75 дБ , коэффициентом усиления напряжения на низких частотах . Спад коэффициента усиления этой ИС начинается на отметке 100 Гц . В диапазоне частот свыше 10 кГц частотная характеристика TL431 Vishay приближается к стандарту; частота единичного усиления, около 1 МГц , совпадает со стандартной . Микросхема ШИМ-контроллера SG6105 содержит два независимых стабилизатора, заявленные как точные аналоги TL431, но их предельно допустимые I _KA и U _KA составляют лишь 16 В и 30 мА ; точностные характеристики этих стабилизаторов заводом-изготовителем не тестируются .

Микросхема TL430 — исторический функциональный аналог TL431 с опорным напряжением 2,75 В и предельно допустимым током катода 150 мА , выпускавшийся Texas Instruments только в корпусе для монтажа в отверстия . Встроенный бандгап TL430, в отличие от одновременно выпущенной TL431, не был скомпенсирован по температуре и был менее точен; в выходном каскаде TL430 не было защитного диода . Выпускаемая в XXI веке микросхема TL432 представляет собой обычные кристаллы TL431, упакованные в корпуса для поверхностного монтажа с нестандартной цоколёвкой .

В 2015 году Texas Instruments анонсировала выпуск ATL431 — функционального аналога TL431, оптимизированного для работы в экономичных импульсных стабилизаторах . Рекомендованный минимальный ток катода ATL431 составляет всего 35 мкА против 1 мА у стандартной TL431 при тех же предельных значениях тока катода ( 100 мА ) и напряжения анод-катод ( 36 В ) . Частота единичного усиления сдвинута вниз, до 250 кГц , чтобы подавить усиление высокочастотных помех . Совершенно иной вид имеют и графики граничных условий устойчивости: при малых токах и напряжении анод-катод 15 В схема абсолютно устойчива при любых значениях ёмкости нагрузки — при условии использования высококачественных малоиндуктивных конденсаторов . Минимальное рекомендованное сопротивление «антизвонного» резистора — 250 Ом против 1 Ом у стандартной TL431 .

Помимо микросхем семейства TL431, по состоянию на 2015 год широко применялись всего лишь две интегральные схемы параллельных стабилизаторов, имеющие принципиально иную схемотехнику, опорные уровни и предельные эксплуатационные характеристики :

• Биполярная ИС LMV431 производства Texas Instruments имеет опорное напряжение 1,24 В и способна стабилизировать напряжения до 30 В при токе катода от 80 мкА до 30 мА ;
• Низковольтная КМОП -микросхема NCP100 производства имеет опорное напряжение 0,7 В и способна стабилизировать напряжения до 6 В при токе катода от 100 мкА до 20 мА .

Схемотехника устройств на LMV431 и NCP100 аналогична схемотехнике устройств на TL431 .

Примечания

Литература

• Интегральные микросхемы. Микросхемы для линейных источников питания и их применение. — М. : Додэка, 1996. — ISBN 5878350211 .
• Basso C. Chapter 7. TL431-based Compensators // . — Artech House, 2012. — P. 383—454. — ISBN 9781608075577 .
• Brown M. . — Newnes. — 2001. — (EDN Series for Design Engineers). — ISBN 9780080480121 .
• . — Virtualbookworm Publishing, 2005. — 244 p. — ISBN 9781589397187 . от 10 марта 2018 на Wayback Machine
• Leverette A. (англ.) // Texas Instruments Application Report. — 2015. — June ( no. SLVA685 ). — P. 1—7.
• Michallick R. (англ.) // Texas Instruments Application Report. — 2014. — January ( no. SLVA482A ). — P. 1—6.
• Ridley, R. (2005). . Switching Power Magazine (August 1): 1—5.
• Ridley R. Using the TL431 in a Power Supply (англ.) // Power Systems Design Europe. — 2007. — June. — P. 16—18.
• Ridley R. (англ.) // Switching Power Magazine. — 2008. — 1 August. — P. 1—5.
• Rivera-Matos R. and Than E. (англ.) // Texas Instruments Application Report. — 2018. — January ( no. SLVA987 ). — P. 1—4. 2 ноября 2018 года.
• Schönberger J. . — Plexim GMBH, 2012.
• Tepsa T., Suntio T. // IEEE Power Electronics Letters. — 2013. — Vol. 1. — P. 93—96.
• / Ed. D. E. Pippinger and E. J. Tobaben. — Texas Instruments, 1985.
• (англ.) // Texas Instruments Datasheet. — 2015. — January ( no. SLVS543O ).
• (англ.) // Texas Instruments Datasheet. — 2016. — October ( no. SLVSCV5D ).
• Zhanyou Sha et al. . — Wiley, 2015. — ISBN 9781118790946 .