Линейный стабилизатор напряжения с регулировкой на TL431 и NPN транзисторах

Микросхема TL431 — это регулируемый стабилитрон. Используется в роли источника опорного напряжения в схемах различных блоков питания.

Технические характеристики TL431

• напряжение на выходе:  2,5…36 вольт;
• выходное сопротивление: 0,2 Ом;
• прямой ток:  1…100 мА;
• погрешность: 0,5%, 1%, 2%;

Функциональная схема

Цоколевка TL431

TL431 имеет три вывода: катод, анод, вход.

Аналоги TL431

Отечественными аналогами TL431 являются:

• КР142ЕН19А
• К1156ЕР5Т

К зарубежным аналогам можно отнести:

• KA431AZ
• KIA431
• HA17431VP
• IR9431N
• AME431BxxxxBZ
• AS431A1D
• LM431BCM

Регулируемый стабилитрон TL431

 Схемы включения TL431

Микросхема стабилитрон TL431 может использоваться не только в схемах питания. На  базе TL431 можно сконструировать всевозможные световые и звуковые сигнализаторы. При помощи таких конструкций возможно контролировать множество разнообразных параметров. Самый основной параметр — контроль напряжения.

Переведя какой-нибудь физический показатель при помощи различных датчиков в показатель напряжения, возможно изготовить прибор, отслеживающий, например, температуру,  влажность, уровень жидкости в емкости, степень освещенности,  давление газа и жидкости. ниже приведем несколько схем включения управляемого стабилитрона TL431.

Стабилизатор тока на TL431

Данная схема является стабилизатором тока. Резистор R2 выполняет роль шунта, на котором за счет обратной связи устанавливается напряжения 2,5 вольт. В результате этого на выходе получаем постоянный ток равный I=2,5/R2.

Индикатор повышения напряжения

Работа данного индикатора организована таким образом, что при потенциале на управляющем контакте TL431 (вывод 1) меньше 2,5В, стабилитрон TL431 заперт, через него проходит только малый ток, обычно, менее 0,4 мА. Поскольку данной величины тока хватает для того чтобы светодиод светился, то что бы избежать этого, нужно просто параллельно светодиоду подсоединить сопротивление на 2…3 кОм.

В случае превышения потенциала, поступающего на  управляющий вывод, больше 2,5 В, микросхема TL431 откроется и HL1 начнет гореть. Сопротивление R3 создает нужное ограничение тока, протекающий через HL1 и стабилитрон TL431. Максимальный ток проходящий через стабилитрон TL431 находится в районе 100 мА. Но у светодиода максимально допустимый ток составляет всего 20 мА. Поэтому в цепь светодиода необходимо добавить токоограничивающий резистор R3. Его сопротивление можно рассчитать по формуле:

 R3 = (Uпит. – Uh1 – Uda)/Ih1

где  Uпит. – напряжение питания; Uh1 – падение напряжения на светодиоде;  Uda – напряжение на открытом TL431 (около 2 В); Ih1 – необходимый ток для светодиода (5…15мА). Также необходимо помнить, что для стабилитрона TL431 максимально допустимое напряжение составляет 36 В.

Величина напряжения Uз при котором срабатывает сигнализатор (светится светодиод), определяется делителем на сопротивлениях R1 и R2. Его параметры можно подсчитать по формуле:

R2 = 2,5 х Rl/(Uз — 2,5)

Если необходимо точно выставить уровень срабатывания, то необходимо на место сопротивления R2 установить подстроечный резистор, с бОльшим сопротивлением. После окончания точной настройки, данный подстроичник можно заменить на постоянный.

Иногда необходимо проверять несколько значений напряжения. В таком случае понадобятся несколько подобных сигнализатора на TL431 настроенных на свое напряжение.

Проверка исправности TL431

Вышеприведённой схемой можно проверить TL431, заменив R1 и R2 одним переменным резистором на 100 кОм. В случае, если вращая движок переменного резистора светодиод засветится , то  TL431  исправен.

Индикатор низкого напряжения

Разница данной схемы от предшествующей в том, что светодиод подключен по-иному. Данное подключение именуется инверсным, так как светодиод светится  только когда микросхема TL431 заперта.

Если же контролируемое значение напряжения превосходит уровень, определенный делителем Rl и R2, микросхема TL431 открывается, и ток течет через сопротивление R3 и выводы 3-2 микросхемы TL431. На микросхеме в этот момент существует падение напряжения около 2В,  и его явно не хватает для свечения светодиода. Для стопроцентного предотвращения загорания светодиода в его цепь дополнительно включены 2 диода.

В момент, когда исследуемая величина окажется меньше порога определенного делителем Rl и R2, микросхема TL431 закроется, и на ее выходе потенциал будет значительно выше 2В, вследствие этого светодиод HL1 засветится.

Индикатор изменения напряжения

Если необходимо следить всего лишь за изменением напряжения, то устройство будет выглядеть следующим образом:

В этой схеме использован двухцветный светодиод HL1. Если потенциал ниже порога установленного делителем R1 и R2, то светодиод горит зеленым цветом, если же выше порогового значения, то светодиод горит красным цветом. Если же светодиод совсем не светится, то это означает что контролируемое напряжение на уровне заданного порога (0,05…0,1В).

Работа TL431 совместно с датчиками

Если необходимо отслеживать  изменение какого-нибудь физического процесса, то в этом случае сопротивление R2 необходимо поменять на датчик, характеризующейся изменением сопротивления вследствие внешнего воздействия.

Пример  такого модуля приведен ниже. Для обобщения принципа работы на данной схеме отображены различные датчики. К примеру, если в качестве датчика применить фототранзистор, то в конечном итоге получится фотореле, реагирующее на степень освещенности. До тех пор пока освещение велико, сопротивление фототранзистора мало.

Вследствие этого напряжение на управляющем контакте TL431 ниже заданного уровня, из-за этого светодиод не горит. При уменьшении освещенности увеличивается сопротивление фототранзистора. По этой причине увеличивается потенциал на контакте управления стабилитрона TL431. При превышении порога срабатывания (2,5В) HL1 загорается.

Данную схему можно использовать как датчик влажности почвы. В этом случае вместо фототранзистора нужно подсоединить два нержавеющих электрода, которые втыкают в землю на небольшом расстоянии друг от друга. После высыхания почвы, сопротивление между электродами возрастает и это приводит к срабатыванию микросхемы TL431, светодиод загорается.

Если же  в качестве датчика применить терморезистор, то можно сделать из данной схемы термостат. Уровень срабатывания схемы во всех случаях устанавливается посредством резистора R1.

TL431 в схеме со звуковой индикацией

Помимо приведенных световых устройств, на микросхеме TL431 можно смастерить и звуковой индикатор. Схема подобного устройства приведена ниже.

Данный звуковой сигнализатор можно применить в качестве контроля за уровнем воды в какой-либо емкости. Датчик представляет собой два нержавеющих электрода расположенных друг от друга на расстоянии 2-3 мм.

Как только вода коснется датчика, сопротивление его понизится, и микросхема TL431 войдет в линейный режим работы через сопротивления R1 и R2. В связи с этим  появляется автогенерация на резонансной частоте излучателя и раздастся звуковой сигнал.

Калькулятор для TL431

Для облегчения расчетов можно воспользоваться калькулятором:

Скачать калькулятор для TL431(103,4 KiB, скачано: 25 132)Скачать datasheet TL431 на русском(702,6 KiB, скачано: 16 769)

182002.08.2019

Устройство TL431 является стабилизатором напряжения и программируемым источником опорного напряжения. Оно является наиболее популярным в сфере использования импульсных источников питания. В статье объясняется, что это такое, имеется описание того, где и как используются TL431 и TL431A, рассказывается, какие существуют особенности конструкции. Также указаны технические характеристики и прилагаются схемы подключения и применения устройства.

Что это такое

Параллельный стабилизатор TL431 работает так же, как стандартный стабилизатор. Различие уровня напряжения выхода и входа компенсируется благодаря мощному транзистору биполярного типа. Стабилизация будет лучше при условии того, что обратная связь поступает с выхода самого стабилизатора.

Резистор R1 должен быть рассчитан на минимальный ток, который равен 5 мА. Резисторы R2 и R3 рассчитываются аналогично, как для стабилизатора параметрического типа. Через каждый резистор протекает ток, у которого сила обратно пропорциональна значению сопротивления резистора. Существует два типа соединений резисторов: параллельное и последовательное соединение в форме цепи.

Где и как используется

Такие устройства, как правило, используются для компенсации колебаний напряжения в сети. Например, когда включена большая машина, потребность в энергии внезапно становится намного выше. Стабилизатор напряжения компенсирует изменение нагрузки. Стабилизаторы напряжения обычно работают в диапазоне напряжений, например, 150-240 В или 90-280 В.

Стабилизаторы напряжения используются в таких устройствах, как блоки питания компьютеров, где они стабилизируют напряжения постоянного тока. В автомобильных генераторах и центральных электростанциях-генераторах стабилизаторы напряжения контролируют мощность установки.

Выпускать устройство TL431 начали в 1977 году. Оно применяется в качестве источника опорного напряжения в схемах различных блоков питания ТВ, DVD, тюнеров и других разновидностей видео- и аудиотехники.

Также устройство необходимо для реализации обратной связи: выходное напряжение очень большое или же очень маленькое. Эксплуатируя участок цепи, который называется бандгап (источник опорного напряжения; его величина определяется шириной запрещённой зоны), TL431 является стабильным источником опорного напряжения в широких температурных диапазонах.

Особенности конструкции

У TL431 есть альтернативная версия TL43LI, у которой более лучшая стабильность, а также более низкий температурный дрейф (VI (dev)). Также у улучшенной версии более низкий опорный ток, которой необходим для повышения уровня точности всей системы.

Устройство TL431 является трёхконтактным и регулируется шунтирующим регулятором с термической стабильностью. Напряжение на выходе может устанавливаться между значением источника опорного напряжения (Vref) 2.5 и 36 В с двумя внешними резисторами. У устройства на выходе стандартный электрический импенданс – 0,2 Ом. Схема активного выхода обеспечивает очень точный способ включения. Эта возможность делает аппарат превосходной заменой диодов Зенера (стабилитронов) во многих областях применения, таких как встроенное регулирование и переключение источников питания.

Другая версия устройства – TL432 – имеет те же функциональные и технические характеристики, что и верися TL431, но имеет различные выводы для цоколевки DBV, DBZ и PK. Обе версии TL431 и TL432 представлены в трех классах с изначальными температурными пределами (при 25 градусах) 0.5%, 1% и 2% для B, A и стандартного класса соответственно. Более того, низкий дрейф на выходе в зависимости от температуры обеспечивает хорошую стабильность во всем диапазоне рабочих температур.

Цоколевка TL431 имеет следующий вид: 

Распиновка TL431 выглядит так:

Технические характеристики TL431 и TL431A

У TL431A и TL431 такие параметры:

• Мощность составляет 0.2 Вт.
• Электрический ток на выходе достигает 100 мА.
• Напряжение на выходе варьируется от 2,5 до 36 В.
• Рабочая температура TL431 в диапазоне от 0 до +70 градусов.
• Рабочая температура TL431A варьируется от -40 до +85 градусов.

Также важны другие параметры.

Выходное напряжение

Оно может поддерживаться постоянным только в указанных пределах.

Регулировка нагрузки

Эта характеристика является изменением выходного напряжения для данного текущего тока нагрузки

Линейное регулирование или регулирование на входе

Это степень, в которой выходное напряжение претерпевает изменения с изменением входного (питающего) напряжения. Это аналогично отношению изменения выходного сигнала к входному или изменению выходного напряжения за весь промежуток времени.

Температурный коэффициент выходного напряжения

Это показатель изменения температуры (усредненное по заданному температурному диапазону).

Изначальная точность регулятора напряжения (или точность напряжения)

Оно отображает ошибку в выходном напряжении для заданного регулятора без учета температурного фактора на точность вывода.

Падение напряжения

Показатель – минимальная разница между входным и выходным напряжением. Для этой разницы регулятор все еще может подавать указанный ток. Дифференциальный ток ввода-вывода, при котором регулятор напряжения не будет выполнять свою функцию, – падение напряжения. Дальнейшее снижение входного напряжения может привести к понижению выходного напряжения. Данное значение зависит от тока нагрузки и температуры перехода.

Пусковой ток или импульсный входной ток

Также называется импульсный выброс при включении. Данный параметр отображает максимальный мгновенный входной ток, который потребляется устройством во время первого включения. Период длительности пускового тока – полсекунды (или несколько миллисекунд), тем не менее он почти всегда высок. Учитывая это, он является опасным, так как может постепенно сжигать детали (в течение нескольких месяцев), особенно если нет соответствующей защиты от такого типа тока.

Ток покоя в цепи регулятора

Этот электрический ток потребляется внутри цепи. Он недоступен для нагрузки и измеряется как входной ток без подключения нагрузки.

Переходная реакция

Эта реакция происходит, когда случается внезапное изменение электротока нагрузки или же входного напряжения.

Расчёт напряжения TL431 

Схемы применения TL431

Для того, чтобы правильно подключить, важно соблюдать технику безопасности и следовать последовательности, как, например, при применении схемы подключении двухклавишного выключателя или при применении схемы подключения узо.

Работа микросхемы

Извне принцип работы аппарата выделяется довольно несложно. Если подать на контакт ref напряжение, которое превышает 2 В, тогда выходной транзистор проведёт электрически ток между анодом и катодом. Ток, который идёт к микросхеме, в блоке питания в таком случае увеличивается. Это вызывает уменьшение мощности блока питания. Затем происходит уменьшение напряжения до допустимого уровня. Следовательно, для блока питания применяют TL431 с целью того, чтобы поддерживалось стабильное выходное напряжение.

Одна из самых важных частей микросхемы – источник опорного напряжения. Он эквивалентен ширине запрещённой зоны. Основные составляющие есть на фото кристалла – пространство эммитера транзистора Q5 в восемь раз превышает Q4. Так, два транзистора имеют разные реакции на температуру. Объединение выходных сигналов с транзисторов происходит посредство объединения через резисторы R4, R3 и R2 в необходимой пропорции с целью компенсации эффектов температуры. Итого, формируется стабильный опорный сигнал.

В компаратор по температуре из стабилизированной запрещённой зоны посылается напряжение. Входом компаратора служат Q9 и Q8, Q1 и Q6. Выход же компатора идёт через Q10, чтобы управлять резистором Q11 (выходной).

Схема включения TL431

Схема включения и контроля напряжения TL431A

Нередко терморезистор выполняет функцию датчика температуры, уменьшая степень своего сопротивления в случае возрастания температуры. Это происходит по причине отрицательного температурного коэффициента сопротивления (ТКС). Те резисторы, у которых сопротивление увеличивается вместе с увеличением температуры (с положительным значением ТКС), имеют название позисторы. В этом терморегуляторе в случае превышения температуры заданного лимита, заработает реле или любое другое устройство с подобными функциями. Оно сразу же отключит нагрузку или включит систему охлаждения в зависимости от ситуации.

Данная схема имеет малый гистерезис, и чтобы его увеличить, нужно ввести ООС (отрицательная обратная связь) между выводами 1-3. К примеру, подстроченный резистор с сопротивлением 1.0-0.5 мОм. Надо подобрать экспериментальным путём подобрать в зависимости от требуемого гистерезиса. Если требуется, чтобы устройство срабатывало во время температурного снижения, тогда следует поменять местами регуляторы и датчик. Иначе говоря, включить в верхнее плечо термистор, а в нижнее – переменное сопротивление с самим резистором.

Подключение устройства TL431 требует внимания и является ответственной операцией, при которой важно не пренебрегать правилами безопасности, как например при подключении электроплиты.

EandVЭлектроникаДобавлено 10 комментариев Всем привет!В последнее время я увлекся сборкой схем линейных стабилизаторов напряжения. Такие схемы не требуют редких деталей, а подборка компонентов и настройка также не вызывает особых сложностей. В этот раз я решил собрать схему линейного стабилизатора напряжения на «регулируемом стабилитроне» (микросхеме) TL431. TL431 выступает в качестве источника опорного напряжения, а силовую роль выполняет мощный NPN транзистор в корпусе ТО -220. При входном напряжении 19В, схема способна служить источником стабилизированного напряжения в пределах от 2,7 до 16 В при токе до 4А. Стабилизатор оформлен в виде модуля, собранного на макетной плате. Выглядит следующим образом:Видео:Стабилизатор требует блок питания постоянного тока. Имеет смысл применять такой стабилизатор с классическим линейным блоком питания, состоящим из железного трансформатора, диодного моста и конденсатора большой емкости. Напряжение в сети может меняться в зависимости от нагрузки и как следствие, будет меняться напряжение на выходе трансформатора. Данная схема будет обеспечивать стабильное выходное напряжение при изменяющимся входном. Нужно понимать, что стабилизатор понижающего типа, а также на самой схеме падает 1-3 В напряжения, поэтому максимальное выходное напряжение будет всегда меньше входного. В качестве блока питания для данного стабилизатора в принципе можно использовать и импульсные блоки питания, например от ноутбука на 19 В. Но в этом случае, роль именно стабилизации будет минимальной, т.к. заводские импульсные блоки питания и так на выходе выдают стабилизированное напряжение.Схема:Подбор компонентовМаксимальный ток, который может через себя пропустить микросхема TL431, согласно документации – 100 мА. В моем случае, я ограничил ток с запасом до примерно 80 мА при помощи резистора R1. Нужно рассчитать резистор по формулам.Для начала нужно определить сопротивление резистора. При максимальном входном напряжении 19В по закону Ома сопротивление рассчитывается следующим образом:R= U/I = 19В / 0,08A = 240 ОмНужно рассчитать мощность резистора R1:P=I^2*R = 0,08 А * 0,08 А * 240 Ом = 1,5 ВаттаЯ использовал советский резистор на 2 ВаттаРезисторы R2 и R3 образуют делитель напряжения, которое «программирует» TL431, причем резистор R3 переменный, что позволяет менять опорное напряжение, которое потом повторяется каскадом из транзисторов. Я использовал R2 – 1К Ом, R3 — 10К оМ. Мощность резистора R2 зависит от выходного напряжения. Например, при выходном напряжении 19В:P=U^2/R = 19 * 19/ 1000 = 0,361 ВаттЯ использовал резистор в 1 Ватт. Резистор R4 служит для ограничения тока на базе транзистора VT2. Номинал подбирать лучше опытным путем, контролируя выходное напряжение. Если сопротивление будет слишком большим, это заметно ограничит выходное напряжение схемы. В моем случае – это 100 Ом, мощность годится любая.В качестве основного силового транзистора (VT1) лучше использовать транзисторы в корпусе ТО – 220 или более мощном (ТО247, ТО-3). Я использовал транзистор Е13009, купленный на Али Эксресс. Транзистор на напряжение до 400В и ток до 12А. Для подобной схемы высоковольтный транзистор – не самое оптимальное решение, но работать будет нормально. Транзистор скорее всего поддельный и 12 А не выдержит, а вот 5-6А вполне. В нашей схеме ток до 4А, поэтому для данной схемы годится. В данной схеме транзистор должен быть способен рассеять мощность до 30-35 Ватт. Рассчитывается рассеваемая мощность как разница между входным и выходным напряжением умноженная на ток коллектора 😛 = (U выход -U вход)*I коллектораНапример, входное напряжение у нас 19 В, мы выставили выходное напряжение 12 В, а ток коллектора у нас 3 АР = (19В-12В) *3А = 21 Ватт – вполне нормальная ситуация для нашего транзистора.А если мы продолжим снижать выходное напряжение до 6В, то картина будет другая:Р = (19В-6В) *3А = 39 Ватт , что не очень хорошо для транзистора в корпусе ТО-220 (еще нужно учитывать, что при закрытии транзистора ток тоже будет уменьшаться: на 6В ток будет около 2-2,5А, а не 3). В таком случае лучше либо использовать другой транзистор в более массивном корпусе, либо уменьшить разницу между входным и выходным напряжением (например, если блок питания трансформаторный, путем переключения обмоток).Также транзистор должен быть рассчитан на ток от 5А и больше. Лучше брать транзистор со статическим коэффициентом передачи тока от 20. Китайский транзистор вполне соответствует данным требованиям. Перед запайкой в схему, я его проверил (ток и рассеиваемую мощность) на специальном стенде.Т.к. TL431 может выдавать ток не более 100 мА, а для питания базы транзистора требуется больший ток, потребуется ещё один транзистор, который будет усиливать ток с выхода микросхемы TL431, повторяя опорное напряжение. Для этого и нужен транзистор VT2.Транзистор VT2 должен быть способен подавать достаточный ток на базу транзистора VT1.Грубо определить необходимый ток можно через статический коэффициент передачи тока (h21э или hFE или β) транзистора VT1. Если мы хотим на выходе иметь ток в 4 А, а статический коэффициент передачи тока VT1 равен 20, то:I базы = I коллектора / β = 4 А / 20 = 0,2 А. Статический коэффициент передачи тока будет меняться в зависимости от тока коллектора, так что это значение ориентировочное. Замер на практике показал, что нужно около 170 мА подать на базу транзистора VT1, чтобы ток коллектора был 4А. Транзисторы в корпусе ТО-92 начинают заметно греться при токах выше 0,1 А, поэтому в данной схеме я использовал транзистор КТ815А в корпусе ТО-126. Транзистор рассчитан на ток до 1,5А, статический коэффициент передачи тока — около 75. Небольшой радиатор для данного транзистора будет уместен.Конденсатор С3 нужен для стабилизации напряжения на базе транзистора VT1, номинал — 100 мкФ, напряжение 25В.На выходе и входе установлены фильтры из конденсаторов: С1 и С4 (электролитические на 25В, 1000 мкФ) и С2, С5 (керамические 2-10 мкФ).Диод D1 служит для защиты транзистора VT1 от обратного тока. Диод D2 нужен для защиты от транзистора при питании коллекторных электродвигателей. Двигатели при отключении питания ещё какое-то время крутятся и в режиме торможения работают как генераторы. Вырабатываемый таким образом ток идет в обратном направлении и может повредить транзистор. Диод в данном случае замыкает двигатель на себя и ток не доходит до транзистора. Резистор R5 выполняет роль малой нагрузки для стабилизации в холостом режиме, номинал 10к Ом, мощность любая.СборкаСхема собирается в виде модуля на макетной плате. Я использовала радиатор из импульсного блока питания. С радиатором такого размера не стоит максимально нагружать схему. При токе больше 1 А, необходимо заменить радиатор на более массивный, обдув вентилятором тоже не помешает. Важно помнить, что чем больше разница между входным и выходным напряжением и чем больше ток, тем больше выделяется тепла и тем сильнее нужно охлаждение.На пайку ушло около часа. В принципе хорошим тоном было бы сделать плату методом ЛУТ, но т.к. плата мне требуется только в одном экземпляре, не хотелось тратить время на проектирование платы.Получился вот такой модуль:После сборки проверил характеристики:Схема практически не имеет защит (имеется в виду, что нет защиты от КЗ, защиты от переполюсовки, плавного старта, ограничения по току и т.д.), поэтому использовать ее нужно очень аккуратно. По той же причине не рекомендуется использовать подобные схемы в «лабораторных» блоках питания. Для этой цели лучше подойдут готовые микросхемы в корпусе ТО-220 на токи до 5А, например КР142ЕН22А. Либо как минимум для данной схемы нужно сделать дополнительный модуль для защиты от КЗ.Схему можно назвать классической, как и большинство схем линейных стабилизаторов. Современные импульсные схемы имеют множество преимуществ, например: более высокий КПД, гораздо меньший нагрев, меньшие габариты и вес. В то же время линейные схемы проще освоить начинающим радиолюбителям, и если КПД и габариты не особо важны, они вполне годятся для питания устройств стабилизированным напряжением.И конечно же ничто не сравниться с чувством, когда запитал какое-то устройство от самодельного источника питания, а линейные схемы для начинающих радиолюбителей более доступны, как ни крути. Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь. Используемые источники:

• http://www.joyta.ru/4883-primenenie-reguliruemogo-stabilitrona-tl431/
• https://stroyvopros.net/elektrika/poleznaya-informatsiya/kak-podklyuchit-ustroystvo/shema-vklyucheniya-tl431.html
• https://usamodelkina.ru/15262-linejnyj-stabilizator-naprjazhenija-s-regulirovkoj-na-tl431-i-npn-tranzistorah.html