Tl431 в импульсном блоке питания

Кен, как и планировал, провёл реверс-инжиниринг микросхемы по фотографиям, сделанным BarsMonster. Барс в статье упомянул своё общение с Кеном, но этой переводимой статьи тогда еще не было.

Фото кристалла интересной, но малоизвестной, микросхемы TL431, используемой в блоках питания, даёт возможность разобраться в том, как аналоговые схемы реализуются в кремнии. Несмотря на то, что схема на фото выглядит как какой-то лабиринт, сама микросхема относительно проста, и может быть исследована без большого труда. В своей статье я попытаюсь объяснить каким образом транзисторы, резисторы и другие радиодетали запакованы в кремний для выполнения своих функций.


Фото кристалла TL431. Оригинал Zeptobars.

TL431 является «программируемым прецизионным источником опорного напряжения» [1] и обычно используется в импульсных источниках питания для реализации обратной связи в случае, когда выходное напряжение слишком велико или, наоборот, мало. Используя участок цепи, называемый бандгапом (источник опорного напряжения, величина которого определяется шириной запрещённой зоны), TL431 предоставляет стабильный источник опорного напряжения в широком температурном диапазоне. На блок-схеме TL431 видны 2.5-вольтовый источник опорного сигнала и компаратор, но, глядя на фото кристалла, можно заметить, что внутреннее устройство микросхемы отличается от чертежа.


Блок-схема TL431, взятая из даташита.

У TL431 длинная история: он был выпущен еще в 1978 [2] году и с тех пор побывал во множестве устройств. Он помогал стабилизировать напряжение в блоке питания для Apple II, а сейчас используется в большинстве ATX блоков питания [3] и даже в зарядных устройствах для iPhone и прочих девайсов. И MagSafe-коннекторы, и адаптеры для ноутбуков, и микрокомпьютеры, LED драйверы, блоки питания для аудиотехники, видеоприставки, телевизоры [4]. Во всей этой электронике присутствует TL431.

Фотографии ниже показывают TL431 внутри шести различных БП. TL431 выпускается самых разных форм и размеров. Два наиболее популярных форм-фактора показаны ниже. [5] Возможно, причина того, что TL431 не привлекает особого внимания, заключается в том, что он больше похож на обычный транзистор чем на микросхему.


Шесть примеров схем БП, использующих TL431. Верхний ряд: дешёвый 5-вольтовый БП, дешёвое ЗУ для телефона, ЗУ для Apple iPhone (на фото можно еще заметить GB9-вариацию). Нижний ряд: MagSafe адаптер, ЗУ KMS USB, Dell ATX БП (на переднем плане — оптопары)

Как же радиоэлектронные компоненты выглядят в кремнии?

TL431 очень простая микросхема, и вполне возможно понять её логику на кремниевом уровне пристальным изучением фото. Я покажу, каким же образом транзисторы, резисторы, перемычки и конденсаторы реализованы. А затем уже проведу полный реверс-инжиниринг данной микросхемы.

Реализация транзисторов различных типов

Микросхема использует как n-p-n, так и p-n-p биполярные транзисторы (в отличие от микросхем навроде 6502, в которых использовались MOSFET). Если вы изучали электронику в школе или в университете, вы возможно видели схему n-p-n транзистора (вроде той, что ниже), на которой показаны коллектор (обозначен как C), база (B) и эмиттер (E). Транзистор изображен в виде своеобразного бутерброда с P-слоем между двумя N-слоями, такое расположение слоёв характеризует транзистор как n-p-n. Однако, выясняется, что в микросхеме нет совершенно ничего схожего с этой схемой. Даже база находится не в центре!

Символьное обозначение и структура n-p-n транзистора.

На фотографии ниже можно рассмотреть один из транзисторов TL431. Цветовые различия в розовых и фиолетовых регионах вызваны разным легированием кремния, для формирования N и P областей. Светло-желтые области — металлический слой микросхемы, располагающийся поверх кремниевого. Такие области нужны для обеспечения возможности подключения проводников к коллектору, эмиттеру и базе.

В нижней части фотографии нарисовано поперечное сечение, примерно изображающее как конструируется транзистор. [6] Можно заметить, что на нём куда больше деталей, чем в n-p-n бутерброде из книг, Однако, если внимательно присмотреться, то в поперечном сечении под эмиттером (E) можно найти то самое n-p-n, которое формирует транзистор. Проводник эмиттера соединяется с N+ кремнием. Под ним располагается P-слой, подключенный к контакту базы. Еще ниже — слой N+, соединенный с коллектором (не напрямую). [7] Транзистор заключен в P+ кольцо для изоляции от соседних компонентов. Так как большинство транзисторов в TL431 принадлежат к n-p-n типу, то, после того как разобрались в первый раз, их очень просто находить на фотографии и определять нужные контакты.


n-p-n транзистор из фотографии кристалла TL431, и его структура в кремнии.

Выходной n-p-n транзистор намного больше остальных, так как ему необходимо выдерживать полную нагрузку по току. Большинство транзисторов работает с микроамперами, а этот выходной транзистор поддерживает ток до 100 миллиампер. Для работы с такими токами он и сделан более крупным (занимает 6% всего кристалла), и имеет широкие металлические коннекторы на эмиттере и коллекторе.

Топология выходного транзистора сильно отличается от других n-p-n транзисторов. Он создаётся, так сказать, боком, планарная структура вместо глубинной, и база располагается между эмиттером и коллектором. Металл слева подсоединён к десяти эмиттерам (синеватый кремний N-типа), каждый из которых окружен розовым P-слоем, который является базой (средний проводник). Коллектор (правая часть) имеет только один большой контакт. Проводники эмиттера и базы образуют вложенную «гребёнку». Обратите внимание, что металл коллектора становится шире сверху вниз для того, чтобы поддерживать большие токи на нижней части транзистора.

Транзисторы p-n-p типа имеют совершенно другое строение. Они состоят из округлого эмиттера (P), окруженного кольцом базы (N), которую, в свою очередь, обступает коллектор (P). Таким образом, получается горизонтальный бутерброд, вместо обычной вертикальной структуры n-p-n транзисторов. [8]

Схема снизу показывает один из таких p-n-p транзисторов, а поперечное сечение изображает кремниевую структуру. Стоит отметить то, что хотя металлический контакт для базы находится в углу транзистора, он электрически соединен через N и N+ области с активным кольцом, пролегающим между коллектором и эмиттером.


Структура p-n-p транзистора.

Реализация резисторов в микросхеме

Резисторы являются ключевым компонентом почти в любой аналоговой схеме. Они реализованы как длинная полоса легированного кремния. (Похоже, что в этой микросхеме использовался кремний P-типа). Различные сопротивления достигаются использованием различной площади материала — сопротивление пропорционально площади.

Снизу заметно три резистора — их формируют три длинных горизонтальных полоски кремния. Желтоватые металлические проводники проходят через них. Места соединения металлического слоя и резистора выглядят как квадраты. Расположение этих контактов и задаёт длину резистора и, соответственно, его сопротивление. К примеру, сопротивление нижнего резистора немного больше остальных потому, что контакты расположены на большем расстоянии. Верхние два резистора объединены в пару металлическим слоем сверху слева.


Резисторы.

Резисторы в микросхемах имеют очень плохой допуск — сопротивление может различаться на 20% между микросхемами из-за вариаций в производственном процессе. Очевидно, что это серьезная проблема для таких точных микросхем, как TL431. Поэтому TL431 спроектирован таким образом, что важной характеристикой является не конкретное сопротивление, а отношение сопротивлений. Конкретные значения сопротивлений не сильно важны, если сопротивления меняются в одной пропорции. Вторым методом уменьшения зависимости от эффекта изменчивости является сама топология микросхемы. Резисторы располагаются на параллельных дорожках одинаковой ширины для снижения эффекта от любой асимметрии в сопротивлении кремния. Кроме того, они размещены рядом друг с другом для минимизации отклонений в свойствах кремния между разными частями микросхемы. Помимо всего этого, в следующей главе я расскажу о том, как перед корпусированием кристалла можно настроить сопротивления для регулирования производительности микросхемы.

Читайте также:  Epson gt 2500 драйвер

Кремниевые перемычки для настройки сопротивлений

Вот чего я не ожидал в TL431, так это перемычек для подстройки сопротивлений. Во время производства микросхем эти перемычки могут быть удалены для того, чтобы отрегулировать сопротивления и повысить точность микросхемы. На некоторых более дорогих микросхемах есть сопротивления, которые могут быть удалены лазером, просто выжигающим часть резистора перед корпусированием. Точность настройки таким методом куда выше чем у перемычек.

Цепь с перемычкой показана на фото снизу. Она содержит параллельных два резистора (на фото они выглядят как один элемент) и перемычку. В обычном состоянии, эта перемычка шунтирует резисторы. При изготовлении микросхемы, её характеристики могут быть замерены, и если требуется большее сопротивление, то два щупа подсоединяются к площадкам и подаётся высокий ток. Этот процесс сжигает перемычку, добавляя немного сопротивления цепи. Таким образом, сопротивление всей схемы может быть немного подкорректировано для улучшения характеристик микросхемы.


Перемычка для настройки сопротивления

Конденсаторы

TL431 содержит всего два внутренних конденсатора, но они выполнены в двух совершенно разных манерах.

Первый конденсатор (под текстом «TLR431A») сформирован обратносмещенным диодом (красноватые и фиолетовые полосы). У инверсного слоя в диоде есть ёмкостное сопротивление, которое может быть использовано для формирования конденсатора (подробнее). Главное ограничение такого типа конденсаторов в том, что ёмкостное сопротивление разнится в зависимости от напряжения, потому что меняется ширина инверсного слоя.


Конденсатор, образованный p-n переходом. Вендорная строка написана с помощью металла, нанесенного поверх кремния.

Второй конденсатор сконструирован совершенно другим методом, и больше похож на обычный конденсатор с двумя пластинами. Даже не на что поглядеть — он состоит из большой металлической пластины с подложкой из N+ кремния в качестве второй пластины. Для того чтобы уместиться рядом с другими частями цепи, он имеет неправильную форму. Данный конденсатор занимает около 14% площади кристалла, иллюстрируя то, что конденсаторы в микросхемах очень неэффективно используют пространство. В даташите упоминается, что оба конденсатора по 20 пикоФарад, но я не знаю насколько этому можно верить.


Конденсатор.

Реверс-инжиниринг TL431


Промаркированный кристалл TL431.

На схеме сверху выделены и поименованы элементы на кристалле, и затем перенесены на чертеж снизу. После всех разъяснений ранее, я думаю, структура любого элемента должна быть ясна. Три пина микросхемы подсоединены к площадкам «ref», «anode» и «cathode». Микросхема имеет один уровень металлизации (светло-желтый) для соединения компонентов. На чертеже сопротивление задаётся относительно неизвестного R. Наверное, 100 Ом вполне подходит, но я не знаю точного значения. Самым большим сюрпризом было то, что характеристики элементов сильно отличились от тех, что были опубликованы ранее в других схемах. Данные характеристики фундаментально сказываются на том, как в целом работает стабилитрон с напряжением запрещённой зоны. [9]


Чертеж TL431

Как работает микросхема?

Работа TL431 извне выглядит довольно незатейливо — если на контакт «ref» подаётся напряжение выше 2.5 вольт, то выходной транзистор проводит ток между катодом и анодом. В блоке питания это увеличивает ток, идущий к управляющей микросхеме (косвенно), и влечёт за собой уменьшение мощности БП, после чего происходит спад напряжения до нормального уровня. Таким образом, БП используют TL431 для того, чтобы стабильно держать необходимое выходное напряжение.

Наиболее интересная часть микросхемы это источник опорного напряжения, равного ширине запрещённой зоны. [10]. Ключевые элементы видны на фото кристалла: область эмиттера транзистора Q5 в 8 раз больше чем у Q4, поэтому два транзистора по-разному реагируют на температуру. Выходные сигналы с транзисторов объединяются через резисторы R2, R3, R4 в нужной пропорции для компенсации температурных эффектов, и формируют стабильный опорный сигнал. [11] [12]

Напряжения из стабилизированного по температуре бандгапа посылаются в компаратор, входом которого являются Q6 и Q1, а Q8 и Q9 управляют им. Наконец, выход компаратара проходит через Q10 для управления выходным транзистором Q11.

«Открываем» микросхему низко-технологичным методом

Получение фотографии кристалла микросхемы обычно требует её растворения в опасных кислотах, и фотографирование самого кристалла с помощью дорогого металлографического микроскопа. (Zeptobars описывал этот процесс здесь). Мне было интересно что получится, если я просто разломаю TL431 зажимными щипцами и взгляну на него в дешёвый микроскоп. В процессе я переломил кристалл пополам, но всё равно получил интересные результаты. На изображении виден большой медный анод внутри корпуса, который еще работает и как радиатор. Рядом с ним кристалл (по крайней мере, большая его часть), который был установлен на аноде внутри белого круга. Заметили, насколько сам кристалл меньше своего корпуса?


Корпус TL431, внутренний анод и большая часть от кристалла.

Используя простой микроскоп, я получил фото снизу. Несмотря на то, что, очевидно, я не получил такого же качественного снимка как у Zeptobars, структура микросхемы видна значительно лучше чем я ожидал. Данный эксперимент показывает, что вы можете проводить снятие корпуса микросхем и фотографирование кристалла даже не касаясь разных опасных кислот. Сравнивая свой снимок дешевого TL431, заказанного на eBay, с TL431, сфотографированного Zeptobars, вижу их идентичность. Так как его микросхема не совпадает с опубликованными чертежами, то я гадаю, не прекратили ли они в определенный момент производство того странного варианта микросхемы. Но думаю, что это предположение неверно.


Кусок кристалла, сфотографированный через микроскоп.

Заключение

На самом ли деле TL431 наиболее распространенная микросхема о которой не слышали люди? Нет надежного способа проверить, но я думаю что это хороший кандидат. Похоже, никто не публиковал данные, в которых другая микросхема была бы произведена в больших количествах. Некоторые источники утверждают что таймер 555 является наиболее распространенной микросхемой с миллиардными тиражами каждый год (не очень мне верится в такое большое число). Но TL431 точно располагается достаточно высоко в списке по распространенности. Вы, скорее всего, имеете TL431 в каком-то устройстве на расстоянии вытянутой руки прямо сейчас (ЗУ для телефона, адаптер питания для ноутбука, блок питания PC или монитора). Разница между 555 или 741 и TL431 в том, что эти микросхемы настолько широко известны, что уже стали чуть ли не частью поп-культуры — книги, майки и даже кружки. Но если вы не работаете с блоками питания, достаточно высоки шансы, что вы никогда и не слышали о TL431. Таким образом, я отдаю свой голос TL431 в такой странной номинации. Если у вас есть какие-то другие варианты микросхем, которые незаслуженно обошли вниманием, оставляйте комментарии.

Признательности

Снимки кристалла сделаны Zeptobars (за исключением моего). Чертёж и анализ основываются на работе Cristophe Basso [12] Кроме того, я значительно улучшил свой анализ с помощью дискуссий с Михаилом из Zeptobars и Visual 6502 group, в частности B. Engl.


Рис. 1 TL431.

TL431 была создана в конце 70-х и по настоящее время широко используется в промышленности и в радиолюбительской деятельности.
Но не смотря на её солидный возраст, не все радиолюбители близко знакомы с этим замечательным корпусом и его возможностями.
В предлагаемой статье я постараюсь ознакомить радиолюбителей с этой микросхемой.

Для начала давайте посмотрим, что у неё внутри и обратимся к документации на микросхему, "даташиту" (кстати, аналогами этой микросхемы являются — КА431, и наши микросхемы КР142ЕН19А, К1156ЕР5х).
А внутри у неё с десяток транзисторов и всего три вывода, так что же это такое?


Рис. 2 Устройство TL431.

Оказывается всё очень просто. Внутри находится обычный операционный усилитель ОУ (треугольник на блок-схеме) с выходным транзистором и источником опорного напряжения.
Только здесь эта схема играет немного другую роль, а именно — роль стабилитрона. Ещё его называют "Управляемый стабилитрон".
Как он работает?
Смотрим блок-схему TL431 на рисунке 2. Из схемы видно, ОУ имеет (очень стабильный) встроенный источник опорного напряжения 2,5 вольт (маленький квадратик) подключенный к инверсному входу, один прямой вход (R), транзистор на выходе ОУ, коллектор (К) и эмиттер (А), которого объединены с выводами питания усилителя и защитный диод от переполюсовки. Максимальный ток нагрузки этого транзистора до 100 мА, максимальное напряжение до 36 вольт.

Читайте также:  Тепловизор своими руками для охоты


Рис. 3 Цоколёвка TL431.

Теперь на примере простой схемы, изображенной на рисунке 4, разберём, как это всё работает.
Мы уже знаем, что внутри микросхемы имеется встроенный источник опорного напряжения — 2,5 вольт. У первых выпусков микросхем, которые назывались TL430 — напряжение встроенного источника было 3 вольта, у более поздних выпусков, доходит до 1,5 вольта.
Значит для того, чтобы открылся выходной транзистор, необходимо на вход (R) операционного усилителя, подать напряжение — чуть превышающее опорное 2,5 вольт, (приставку "чуть" можно опустить, так как разница составляет несколько милливольт и в дальнейшем будем считать, что на вход нужно подать напряжение равное опорному), тогда на выходе операционного усилителя появится напряжение и выходной транзистор откроется.
Если сказать по простому, TL431 — это что то типа полевого транзистора (или просто транзистора), который открывается при напряжении 2,5 вольта (и более), подаваемого на его вход. Порог открытия-закрытия выходного транзистора здесь очень стабильный из-за наличия встроенного стабильного источника опорного напряжения.


Рис. 4 Схема на TL431.

Из схемы (рис. 4) видно, что на вход R микросхемы TL431, включен делитель напряжения из резисторов R2 и R3, резистор R1 ограничивает ток светодиода.
Так как резисторы делителя одинаковые (напряжение источника питания делится пополам ), то выходной транзистор усилителя (ТЛ-ки) откроется при напряжении источника питания 5 вольт и более ( 5/2=2,5). На вход R в этом случае с делителя R2-R3 будет подаваться 2,5 вольт.
То есть светодиод у нас загорится (откроется выходной транзистор) при напряжении источника питания — 5 вольт и более. Потухнет соответственно при напряжении источника менее 5-ти вольт.
Если увеличить сопротивление резистора R3 в плече делителя, то необходимо будет увеличить и напряжение источника питания больше 5 вольт, для того, что-бы напряжение на входе R микросхемы, подаваемое с делителя R2-R3 опять достигло 2,5 вольт и открылся выходной транзистор ТЛ-ки.

Получается, что если данный делитель напряжения (R2-R3) подключить на выход БП, а катод ТЛ-ки к базе или затвору регулирующего транзистора БП, то изменением плеч делителя, например изменяя величину R3 — можно будет изменять выходное напряжение данного БП, потому что при этом будет изменяться и напряжение стабилизации ТЛ-ки (напряжение открытия выходного транзистора) — то есть мы получим управляемый стабилитрон.
Или если подобрать делитель не изменяя его в дальнейшем — можно сделать выходное напряжение БП строго фиксированным при определённом значении.

Вывод; — если микросхему использовать как стабилитрон (основное её назначение), то мы можем с помощью подбора сопротивлений делителя R2-R3 сделать стабилитрон с любым напряжением стабилизации в пределах 2,5 — 36 вольт (максимальное ограничение по "даташиту").
Напряжение стабилизации в 2,5 вольта — получается без делителя, если вход ТЛ-ки подключить к её катоду, то есть замкнуть выводы 1 и 3.

Тогда возникают ещё вопросы. можно ли например заменить TL431 обычным операционником?
— Можно, только если есть желание конструировать, но необходимо будет собрать свой источник опорного напряжения на 2,5 вольт и подать питание на операционник отдельно от выходного транзистора, так как ток его потребления может открыть исполнительное устройство. В этом случае можно сделать опорное напряжение какое угодно (не обязательно 2,5 вольта), тогда придётся пересчитать сопротивления делителя, используемое совместно с TL431, чтобы при заданном выходном напряжении БП — напряжение подаваемое на вход микросхемы было равно опорному.

Ещё один вопрос — а можно использовать TL431, как обычный компаратор и собрать на ней, допустим, терморегулятор, или что то подобное?

— Можно, но так как она отличается от обычного компаратора уже наличием встроенного источника опорного напряжения, схема получится гораздо проще. Например такая;


Рис. 5 Терморегулятор на TL431.

Здесь терморезистор (термистор) является датчиком температуры, и он уменьшает своё сопротивление при повышении температуры, т.е. имеет отрицательный ТКС (Температурный Коэффициент Сопротивления). Терморезисторы с положительным ТКС, т.е. сопротивление которых при увеличении температуры увеличивается — называются позисторы.
В этом терморегуляторе при превышении температуры выше установленного уровня (регулируется переменным резистором), сработает реле или какое либо исполнительное устройство, и контактами отключит нагрузку (тэны), или например включит вентиляторы в зависимости от поставленной задачи.
Эта схема обладает малым гистерезисом, и для его увеличения, необходимо вводить ООС между выводами 1-3, например подстроечный резистор 1,0 — 0,5 мОм и величину его подобрать экспериментальным путём в зависимости от необходимого гистерезиса.
Если необходимо, чтобы исполнительное устройство срабатывало при понижении температуры, то датчик и регуляторы нужно поменять местами, то есть термистор включить в верхнее плечо, а переменное сопротивление с резистором — в нижнее.
И в заключении, Вы уже без труда разберётесь, как работает микросхема TL431 в схеме мощного блока питания для трансивера, которая приведена на рисунке 6, и какую роль здесь играют резисторы R8 и R9, и как они подбираются.

Рис. 6 Мощный блок питания на 13 вольт, 22 ампера.

TL431 одна из самых массово выпускаемых интегральных микросхем, с начала своего выпуска в 1978 году TL431 устанавливалась в большинство блоков питания компьютеров, ноутбуков, телевизоров, видео-аудио техники и другой бытовой электроники.
TL431 является прецизионным программируемым источником опорного напряжения. Такая популярность обусловлена низкой стоимостью, высокой точностью и универсальностью.

Принцип работы TL431 легко понять по структурной схеме: если напряжение на входе источника ниже опорного напряжения Vref, то и на выходе операционного усилителя низкое напряжение соответственно транзистор закрыт и ток от катода к аноду не протекает (точнее он не превышает 1 мА). Если входное напряжение станет превышать Vref, то операционный усилитель откроет транзистор и от катода к аноду начнет протекать ток.

Самый простейший тип стабилизатора – параметрический, можно легко построить на TL431: для задания напряжения стабилизации понадобятся два резистора R1 и R2, напряжение на которое будет ‘запрограммирована’ TL431 можно определить по формуле:
Uвых=Vref( 1 + R1/R2 ).
Получается чем больше соотношение R1 к R2, тем больше выходное напряжение. Микросхема фактически стабилизирует напряжение на своем входе на уровне 2,5 В. Задавшись значением сопротивления R2 и требуемое выходное напряжение, рассчитать R1 можно по формуле:
R1=R2( Uвых/Vref – 1 ).
В данной схеме R3 рассчитывается точно также, как если бы использовался обычный стабилитрон, т.е. зависит от выходного напряжения, диапазона входного напряжения и диапазона токов нагрузки. Но есть и существенное отличие: в этой схеме на выход не стоит устанавливать конденсатор, так как этот конденсатор может вызвать генерацию паразитных колебаний. В схеме с обычным стабилитроном таких проблем не возникает.

TL431 цоколевка

TL431 выпускается в большом количестве разных корпусов, от древних TO-92 до современных SOT-23.

Также у TL431 имеется отечественный аналог: КР142ЕН19А.

Основные технические характеристики TL431:

  • напряжение анод-катод: 2,5…36 вольт;
  • ток анод-катод: 1…100 мА (если нужна стабильная работа, то не стоит допускать ток менее 5мА);

Точность опорного источника напряжения TL431 зависит от 6-той буквы в обозначении:

Видно, что TL431 может работать в широком диапазоне напряжений, но вот токовые способности не так велики всего 100 мА, да и мощность рассеиваемая такими корпусами не превышает сотен мили Ватт. Для получения более серьезных токов интегральный стабилитрон стоит использовать как источник опорного напряжения, регулирующую функцию доверив мощным транзисторам.

Читайте также:  Доставка товаров с таобао

компенсационный стабилизатор напряжения

Принцип компенсационного стабилизатора на TL431 такой же как и на обычном стабилитроне: разность напряжений между входом и выходом компенсирует мощный биполярный транзистор. Но точность стабилизации получается выше, за счет того что обратная связь берется с выхода стабилизатора. Резистор R1 нужно рассчитывать на минимальный ток 5 мА, R2 и R3 рассчитываются, также как для параметрического стабилизатора.

Чтобы стабилизировать токи на уровне единиц и десятков Ампер одним транзистором в компенсационном стабилизаторе не обойтись, нужен промежуточный усилительный каскад. Оба транзистора работают по схеме с эмиттерного повторителя, т.е. происходит усиление тока, а напряжение не усиливается.
На рисунке представлена реальная схема компенсационного стабилизатора на TL431, в ней появились новые компоненты: резистор R2 ограничивающий ток базы VT1 (например 330 Ом), резистор R3 – компенсирующий обратный ток коллектора VT2 (что особенно актуально при нагреве VT2) (например 4,7 кОм) и конденсатор C1 – повышающий устойчивость работы стабилизатора на высоких частотах (например 0,01 мкФ).

Стабилизатор тока на TL431

Следующая схема представляет собой термостабильный стабилизатор тока. Резистор R2 является своеобразным шунтом на котором с помощью обратной связи поддерживается напряжения 2,5 В. Таким образом если пренебречь током базы по сравнению с током коллектора, то получим ток на нагрузке Iн=2,5/R2. Если значение подставлять в Омах, то ток будет в Амперах, если подставлять в кило Омах, то ток будет в мили Амперах.

Реле времени

TL431 нашел свое применение не только как источник опорного напряжения, а и во многих других применениях. Например благодаря тому что входной ток TL431 составляет 2-4мкА, то на основе этой микросхемы можно построить реле времени: при размыкании контакта S1 C1 начинает медленно заряжаться через R1, а когда напряжение на входе TL431 достигнет 2,5 В выходной транзистор DA1 откроется и через светодиод оптопары PC817 начнет протекать ток, соответственно откроется и фототранзистор и замкнет внешнюю цепь.
В этой схеме резистор R2 ограничивает ток через оптрон и стабилизатор (например 680 Ом), R3 нужен чтобы предупредить зажигание светодиода от тока собственных нужд TL431 (например 2 кОм).

Простое зарядное устройство для литиевого аккумулятора.

Главное отличие зарядного устройства от блока питания – четкое ограничение зарядного тока. Следующая схема имеет два режима ограничения:

Пока напряжение на выходе меньше 4,2 В ограничивается выходной ток, при достижении напряжением величины 4,2 В начинает ограничиватся напряжение и ток заряда снижается.
На следующей схеме ограничение тока осуществляют транзисторы VT1, VT2 и резисторы R1-R3. Резистор R1 выполняет функцию шунта, когда напряжение на нем превышает 0,6 В (порог открывания VT1), транзистор VT1 открывается и закрывает транзистор VT2. Из-за этого падает напряжение на базе VT3 он начинает закрываться и следовательно снижается выходное напряжение, а это ведет к снижению выходного тока. Таким образом работает обратная связь по току и его стабилизация. Когда напряжение подбирается к уровню 4,2 В в работу начинает вступать DA1 и ограничивать напряжение на выходе зарядного устройства.

А теперь список номиналов компонентов схемы:

  • DA1 – TL431C;
  • R1 – 2,2 Ом;
  • R2 – 470 Ом;
  • R3 – 100 кОм;
  • R4 – 15 кОм;
  • R5 – 22 кОм;
  • R6 – 680 Ом (нужен для подстройки выходного напряжения);
  • VT1, VT2 – BC857B;
  • VT3 – BCP68-25;
  • VT4 – BSS138.

25 thoughts on “ TL431 схема включения, TL431 цоколевка ”

К1242ЕР1АП производства «Интеграл» Минск

Я бы не называл малоточность TL431 ее недостатком, это ведь не стабилизатор, как таковой, а источник опорного напряжения для него. Применяя различную периферию можно решать различные задачи по мощности, точности, надежности и т.д. Вот, внешние цепи могут быть любыми, а управляются одним и тем же устройством — TL431. Что и делает ее такой распространенной и востребованной.
Понравилась схема зарядки, где необходима регулировка и по току и по напряжению, применены и биполярный и униполярный транзисторы — каждый в своем режиме.

Да, конденсатор между анодом и катодом этого «стабилитрона» ставить не следует ни в коем случае. Я так столкнулся с самовозбуждением схемы стабилизатора напряжения, когда по неопытности решил, что с конденсатором на выходе источника опорного напряжения на TL431 схема будет работать стабильнее. Поставил конденсатор на 10 нФ, и схема «завелась», выдавая на выходе «кашу» из импульсов вместо постоянного напряжения. Что неудивительно, для операционного усилителя входящего в состав TL431 такой параметр как максимальная емкость нагрузки нужно учитывать как и для всякого другого ОУ.

Уже писал выше, что использовать источник прецизионного опорного напряжения в виде стабилизатора странно. Еще более странно, какой стабильности можно добиться емкостью в десяток нан. Стабильности задаваемого напряжения, шунтируя и устраивая паразитную ОС? Или выходного? Конечно возбудится.

А что там было о источнике опорного в виде стабилизатора? Опорное в стабилизаторе применялось в своем прямом назначении, в качестве опорного, с которым сравнивалось выходное 🙂

Думаю в русско язычной литературе вход опорное напряжение надо было назвать- напряжением порога или срабатывания. Интересно производитель пробовал U опр подавать на инвертирующий вход операционного усилителя может и не было само возбуждения.

Транзистор подключенный к выходу ОУ инвертирует сигнал.

Делал в свое время самодельный лабораторный блок питания с регулировкой напряжения и ограничения по току. Очень понравилась работа МС TL431 как регулятора тока. Практически исполнил регулировку от 0 до 10А, хотя она, действительно мало точная, но как управляющее звено очень даже то, что нужно.

Насчет использования TL431 не только как источника опорного напряжения… Если использовать в задающей цепи терморезистор, то можно, к примеру, прикрепив его на радиатор, регулировать вращение охлаждающего (этот радиатор) кулера. Очень удобно для блоков питания, работающих на динамическую нагрузку и лабораторных. Если же использовать фотоэлементы, то можно, к примеру регулировать подсветку, в зависимости от окружающего освещения. Очень удобно для уличных фонариков на солнечных батареях: светит солнце — заряжаются, село — начинают светить, чем темнее на улице, тем ярче.

Здравствуйте, не могли бы скинуть схему на терморезисторе для кулера, спасибо

А где же цокаллёвка

А можно ли заменить на схеме мощного стабилизатора напряжения дискретные транзисторы сборкой Дарлингтона, например TIP142?

Есть TL432 у нее другая распиновка.

Судя по «напряжение анод-катод: 2,5…36 вольт» Vref=2,5В? А то заострили внимание почему-то только на точности.

а как быстро сгорит vt2 в схеме зарядника, если контакты батареи случайно замкнутся? Или предполагается что R3 в 100к должен спасти ситуацию за счёт не очень высокой беты vt2? При 15 вольтах и средней бете, на нём будет рассеваться не менее 60 ма, это при максимальном токе в 100ма… По уму, последовательно с коллектором, или эмиттером vt2 должен стоять резистор ом в 350 и R3 уменьшен килоом до 5-10..

Нихрена не понял.. хоть бы параметры деталей указали.. так бы хоть чуть было понятнее что где и скоко.. А так хз.. какой транзистор, какой резистор и т.д.

на SOT-23-3 перепутаны местами катод и управляющий вывод.

на TO22/TO226 тоже маркировка не верная катод и управляющий наоборот.

А как ограничивается ток тл431 после окончания процесса зарядки?, через транзистор вт2, тл431 коротит на минус?!

Есть TL431 и TL432 распиновки зеркальные.

Мне одному кажется, что автор этой статьи упустил самое главное — спецификацию на эту микросхему?

это практическое применение, а спецификация есть в гугле)