TL431 — интегральная схема трёхвыводного регулируемого параллельного стабилизатора напряжения с улучшенной температурной стабильностью.

Эта микросхема разрабатывалась как полный аналог обычного стабилитрона (диода Зенера). Но, по сравнению с обычными стабилитронами, микросхема обладает очень высокой точностью напряжения стабилизации. Это напряжение очень мало зависит от протекающего через неё тока и температуры нагрева корпуса.

Ссылка на скачивание технического описания на микросхему TL431A (на русском языке).

В её основе (см. рис 1) лежит операционный усилитель (ОУ), к инверсному входу которого подключен внутренний источник опорного напряжения. Высокая стабильность микросхемы во многом и обусловлена тем, что источник опорного напряжения работает с постоянной неизменяемой высокоомной нагрузкой — входом ОУ.

К выходу ОУ подключен биполярный транзистор, который преобразует изменения напряжения на выходе ОУ в изменения тока. Диод между коллектором и эмиттером транзистором предназначен для защиты от переполюсовки. Кроме того, этот диод обеспечивает «похожесть» характеристики микросхемы на характеристику стабилитрона, который в прямом направлении является обычным диодом.

Классическая схема источника опорного напряжения 2,495 В

Схема источника опорного напряжения 2,495 В приведена на рис 2. Это значение напряжения может изменяться в зависимости от типа микросхемы и температуры нагрева её корпуса. Например, для TL431 (без буквы) этот диапазон лежит в пределах от 2440 до 2550 мВ (см. datasheet). Данная схема обладает очень высокими характеристиками стабильности. Выходное напряжение очень мало зависит от тока стабилизации Iст. Практическое применение показало, что если не допускать нагрева корпуса микросхемы и использовать небольшое значение тока стабилизации (до 5 — 10 мА), то выходное напряжение остаётся неизменным в течение очень длительного времени (годы).

Расчёт элементов схемы (см. рис 2) подразумевает нахождение значения сопротивления и рассеиваемой мощности резистора R1 в зависимости от падения напряжения на нём и необходимого тока нагрузки. Следует помнить, что максимальный ток стабилизации микросхемы составляет 100 мА. Минимальный — около 1 мА. Соответственно при расчёте максимальный ток нагрузки ограничен значением в 99 мА.

Формула для расчёта значения R1:

Рассеиваемая мощность на R1:

Не рекомендуется использовать микросхему в режиме максимальных токов стабилизации. Это может вызывать нагрев корпуса и постепенную деградацию кристалла, что может привести к ухудшению точностных характеристик стабилизатора. То есть, если ток нагрузки близок к максимальному и предполагается, что нагрузка может отключаться от стабилизатора (в этом случае, весь ток будет проходить только через микросхему), тогда лучше использовать схему с дополнительным транзистором (см. datasheet).

Схема регулируемого источника опорного напряжения

Схема регулируемого источника опорного напряжения приведена на рис 3. Расчёт схемы делится на 2 части:

• Определение значений сопротивления резисторов делителя R2R3. Этот делитель определяет напряжение стабилизации Uout;
• Определение сопротивления R1, в зависимости от требуемого тока нагрузки Iн, входного напряжения Uп и требуемого выходного напряжения Uout.

При расчёте значения сопротивления R1 следует учитывать, что минимальный ток регулирования для TL431 составляет 1мА. Кроме того, делитель R2R3 должен обеспечивать ток Iref, который, несмотря на своё маленькое значение (от 0,1мкА до 2 мкА), может шунтировать делитель, что приведёт к некоторому увеличению выходного напряжения Uout по сравнению с расчётным. Поэтому значение тока делителя Id лучше всего выбирать много большим, чем значение тока Iref (Id $\ge$500мкА).

Поэтому, для начала расчёта самым целесообразным будет задаться значением тока делителя Id ($\ge$500 мкА) и найти значение сопротивления резистора R3. Формула для расчёта R3 примет вид:

Значение Uref — для конкретного типа микросхемы см. datasheet (среднее значение 2,495 В).

Далее можно рассчитать значение сопротивления R2:

где: Uout — выходное напряжение (см. рис 3)

Далее можно рассчитать сопротивление резистора R1. Так как значение тока стабилизации Iст=Iн+Id+Iref+Iстмин, то:

где: Iстмин — это минимальное значение тока стабилизации для микросхемы серии TL431. Это значение составляет около 1 мА.

Если принять значения:

• Id=500 мкА (0,0005 А);
• Iref=1 мкА (среднее значение);
• Iстмин=1мА (типовое значение),

то формула для нахождения R1 примет вид:

Рассеиваемая мощность на R1:

Значения единиц в формулах:

Ток — Ампер;

Сопротивление — Ом;

Напряжение — Вольт;

Мощность — Вт.

После расчёта значений сопротивлений R1 R2 и R3 необходимо подобрать наиболее близкие значения из стандартного ряда сопротивлений. Для получения максимально точного значения выходного напряжения резистор R2 должен быть подстроечным.

Ссылка на скачивание технического описания на микросхему TL431A (на русском языке)

Ссылка на скачивание технического описания на микросхему TL431A (на английском языке)