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 схемотехникеимпульсных преобразователей напряжения TL431 — фактический отраслевой стандарт усилителя ошибки стабилизаторов с оптронной развязкой входных и выходных цепей[⇨].
TL431
Аналоговая интегральная схема
Внешний вид, припаян на печатной плате
Условное графическое обозначение и функциональная блок-схема[⇨]
TL431 впервые появилась в каталогах Texas Instruments в 1977 году[1][2]. В XXI веке TL431 и её функциональные аналоги выпускаются множеством производителей в различных вариантах (TL432, ATL431, KA431, LM431, TS431, 142ЕН19 и другие), различающихся топологиямикристаллов, точностными и частотными характеристиками, минимальными рабочими токами и областями безопасной работы[⇨].
Принципиальная схема. Напряжения на внутренних узлах указаны для режима стабилизации при UКA=7 В[3]
Зависимость тока катода от управляющего напряжения в области порога переключения[4]
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 Uref прикладывается между управляющим входом и анодом, а выходным сигналом служит ток катод-анод IKA[5].
Функционально, на уровне абстракции, TL431 содержит источник опорного напряжения≈2,5 В и операционный усилитель, сравнивающий напряжение на управляющем входе Uref с опорным[6]. 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[7]. 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[3]. 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[3][8].
Если Uref не превышает порога переключения, то выходной каскад закрыт, а управляющие им каскады потребляют в покое ток типичной величиной 100…200 мкА. С приближением Uref 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, IKA нарастает с крутизной примерно 30 мА/В[9]. Когда Uref превысит порог примерно на 3 мВ, а IKA достигнет примерно 500…600 мкА, крутизна скачкообразно возрастает до примерно 1 А/В[9]. С достижением номинальной крутизны, типичное значение которой составляет 1…1,4 А/В, схема выходит на режим стабилизации[9], в котором ведёт себя подобно классическому преобразователю дифференциального напряжения в ток[10]. Рост тока прекращается тогда, когда управляющее напряжение стабилизируется действием петли отрицательной обратной связи, включённой между катодом и управляющим входом[4][11]. Установившееся при этом значение Uref≈2,5 В и называется опорным (UREF)[11]. В менее распространённом релейном режиме (режиме компаратора) петля ООС отсутствует, а ток катода ограничен лишь характеристиками источника питания и нагрузки[8].
Стабилизаторы на TL431 проектируются таким образом, чтобы микросхема всегда работала в активном режиме с высокой крутизной; для этого IKA не должен опускаться ниже 1 мА[5][4][12]. С точки зрения устойчивости петли управления может оказаться целесообразным увеличить минимальный ток ещё больше, до 5 мА[13], но на практике это противоречит требованиям к экономичности стабилизатора[4]. Втекающий ток управляющего входа Iref во всех режимах примерно постоянен, его типичная величина составляет 2 мкА. Производитель рекомендует проектировать входную цепь TL431 таким образом, чтобы гарантировать Iref не менее 4 мкА; эксплуатация микросхемы с «висящим» управляющим входом не допускается[14][8]. 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[15].
Зависимость опорного напряжения от температуры. Допустимые интервалы технологического разброса и температурного дрейфа для наименее точного варианта с начальным отклонением ±2 %[16]
Паспортная величина опорного напряжения UREF=2,495 В определяется и тестируется заводом-изготовителем при токе катода 10 мА, замыкании управляющего входа на катод и температуре окружающей среды +25 °C[14][17]. Порог переключения (точка В на передаточной характеристике) и порог перехода в режим высокой крутизны (точка С) не нормируются[9]. 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 UREF при нормальных условиях составляет для различных серий TL431 не более ±0,5 %, не более ±1 % или не более ±2 %[5];
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 UREF при нормальных условиях точно равно 2,495 В; выше и ниже отметки +25°С UREF 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 UREF от паспортных 2,495 В во всех случаях не превышает нескольких десятков мВ[18][16];
Влияние напряжения анод-катод (UKA). С ростом UKA 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)[17]. Величина, обратная этому показателю, — примерно 300…1000 (50…60 дБ) — есть верхний предел коэффициента усиления напряжения в области низких частот[19];
Влияние тока катода. С ростом тока катода, при прочих равных условиях, UREF возрастает со скоростью примерно 0,5…1 мВ/мА, что соответствует крутизне преобразования в 1…2 А/В[10][9].
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) TL431, скомпенсированная встроенной миллеровской ёмкостью выходного каскада[8], в первом приближении описывается уравнением фильтра нижних частот первого порядка; простейшая частотно-зависимая модель схемы состоит из идеального преобразователя напряжения в ток, выход которого зашунтирован ёмкостью в 70 нФ[19]. При работе на типичную резистивную нагрузку сопротивлением 230 Ом спад АЧХ стандартной TL431 начинается на отметке 10 кГц[19], а расчётная частота единичного усиления, не зависящая от сопротивления нагрузки, составляет около 2 МГц[20]. 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[20].
Скорости нарастания и спада IKA, UKA и время установления UREF не нормируются. По данным Texas Instruments, при включении питания UKA 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 UKA[21].
Шунтирование анода и катода TL431 ёмкостью может приводить к самовозбуждению[22]. При малых (не более 1 нФ) и при больших (свыше 10 мкФ) ёмкостях TL431 устойчива; в области 1 нФ…10 мкФ самовозбуждение вероятно[23][24]. Ширина области неустойчивости зависит от сочетания IKA и UKA. 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[24]. Однако даже стабилизатор относительно высокого напряжения может самовозбуждаться при включении, когда напряжение на катоде ещё не поднялось до штатного уровня[23].
Публикуемые в технической документации графики граничных условий устойчивости[14] являются, по признанию самой Texas Instruments, неоправданно оптимистичными[24]. Они описывают «типичную» микросхему при нулевом запасе по фазе[en], тогда как на практике следует ориентироваться на запас по фазе не менее 30°[24]. 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, IKA и UKA[25].
Базовые конфигурации линейных стабилизаторов на TL431. RB — балластное сопротивление, RA — антизвонное сопротивление, изолирующее катод TL431 от ёмкости затвора МДП-транзистора, ΔU — дополнительный источник питания затвора
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[26]. 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 раз[27]. Предельно допустимое напряжение стабилизации не должно превышать +36 В, предельно допустимое напряжение на катоде ограничено +37 В[28]. Изначально именно это включение TL431 было основным: микросхема позиционировалась на рынке как экономичная альтернатива дорогим прецизионным стабилитронам[29].
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[30]. Проходные транзисторы pnp-структуры в режиме насыщения 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[30]. Наименьшее падение напряжения достигается при использовании мощных МДП-транзисторов[30]. Стабилизаторы с истоковыми повторителями схемотехнически просты, устойчивы, экономичны, но требуют дополнительного источника питания затворов МДП-транзисторов (ΔU на иллюстрации)[30].
TL431, нагруженная на светодиодоптрона, — фактический отраслевой стандарт усилителя ошибки в бытовых импульсных преобразователях напряжения[10][12][11]. Более того, выпускаются комбинированные микросхемы, представляющие собой транзисторный оптрон и кристалл, аналогичный TL431, в одном корпусе[35]. 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[4][36]. Например, в типичном импульсном блоке питания ноутбука, по данным 2012 года, средний IKA равен 1,5 мА, из которых 0,5 мА протекают через светодиод, а 1 мА — через шунт[4].
Проектирование эффективных, но устойчивых цепей частотной компенсации таких стабилизаторов — непростая задача[37]. В простейшей конфигурации компенсация возлагается на интегрирующую цепь C1R4[37]. 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[38]. 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[39]. Быструю петлю можно разорвать, например, зафиксировав напряжение на катоде светодиода стабилитроном[40] или подключив катод светодиода к отдельному фильтру[41].
Базовая конфигурация компаратора с фиксированным порогом переключения и её производные — простейшее реле времени и монитор напряжения с каскадным включением двух компараторов
Простейшая схема компаратора на TL431 требует единственного резистора, ограничивающего предельный ток катода на рекомендованном уровне 5 мА[42]. Меньшие значения возможны, но нежелательны из-за затягивания времени переключения из открытого (логический ноль) в закрытое (логическая единица) состояние[42]. Время переключения из закрытого в открытое состояние зависит от величины превышения Uref 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[42]. В полностью открытом состоянии UKA опускается до 2 В, что согласуется с уровнями ТТЛ и КМОП при напряжениях питания 5 В и выше[43]. Для согласования TL431 с низковольтной КМОП-логикой необходимо использовать внешний делитель напряжения[43] или заменить TL431 на микросхему-аналог с меньшим порогом переключения, например TLV431[44][⇨].
Компараторы и логические инверторы на TL431 легко стыкуются между собой по принципам релейной логики. Например, в приведённой схеме монитора напряжения выходной каскад открывается, а выходной сигнал принимает значение логического нуля тогда, и только тогда, когда входное напряжение UBX укладывается в интервал
В радиолюбительской прессе неоднократно публиковались конструкции усилителей напряжения низкой частоты на TL431 — как правило, неудачные[46]. Стремясь подавить нелинейность микросхемы, конструкторы увеличивали глубину обратной связи и тем самым снижали коэффициент усиления до нецелесообразно низких значений[46]. Стабилизация режима работы усилителей на TL431 также оказалась непростой задачей[46].
Склонность TL431 к самовозбуждению можно использовать для построения генератора, управляемого напряжением на частоты от нескольких кГц до 1,5 МГц[47]. 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[47]. Пара TL431 может быть использована и в схеме астабильного мультивибратора на частоты от долей Гц до примерно 50 кГц[48]. В этой схеме TL431 также работают в недокументированном режиме: токи заряда времязадающих ёмкостей протекают через диоды, защищающие управляющие входы (T2 на принципиальной схеме)[48].
Нестандартные варианты и функциональные аналогиПравить
Микрофотографии кристаллов TL431 трёх разных производителей в одном масштабе. Крупнейшая светлая область каждого кристалла — ёмкость частотной компенсации, крупная гребенчатая структура рядом с ней — выходной транзистор, группы «лишних» контактных площадок — технологические контакты для ступенчатой подстройки на заводе-изготовителе
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[47]; иногда они явно декларируются в документации производителей. Так, TL431 производства Vishay отличается аномально высоким, порядка 75 дБ, коэффициентом усиления напряжения на низких частотах[19]. Спад коэффициента усиления этой ИС начинается на отметке 100 Гц[19]. В диапазоне частот свыше 10 кГц частотная характеристика TL431 Vishay приближается к стандарту; частота единичного усиления, около 1 МГц, совпадает со стандартной[19]. Микросхема ШИМ-контроллера SG6105 содержит два независимых стабилизатора, заявленные как точные аналоги TL431, но их предельно допустимые IKA и UKA составляют лишь 16 В и 30 мА; точностные характеристики этих стабилизаторов заводом-изготовителем не тестируются[49].
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[50]. 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[51]. Выпускаемая в XXI веке микросхема TL432 представляет собой обычные кристаллы TL431, упакованные в корпуса для поверхностного монтажа с нестандартной цоколёвкой[52].
В 2015 году Texas Instruments анонсировала выпуск ATL431 — функционального аналога TL431, оптимизированного для работы в экономичных импульсных стабилизаторах[53]. 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)[54]. Частота единичного усиления сдвинута вниз, до 250 кГц, чтобы подавить усиление высокочастотных помех[54]. 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 малоиндуктивныхконденсаторов[55][56]. Минимальное рекомендованное сопротивление «антизвонного» резистора — 250 Ом против 1 Ом у стандартной TL431[57].
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[58]:
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[59][60];
Низковольтная КМОП-микросхема NCP100 производства On Semiconductor имеет опорное напряжение 0,7 В и способна стабилизировать напряжения до 6 В при токе катода от 100 мкА до 20 мА[61][62].
Схемотехника устройств на LMV431 и NCP100 аналогична схемотехнике устройств на TL431[58].
↑ 1234Dubhashi A.AN-970. Силовые полевые транзисторы в линейных стабилизаторах с малым падением напряжения // Силовые полупроводниковые приборы / Перевод с английского под редакцией В. В. Токарева. — Воронеж: ТОО МП Элист, 1995. — С. 375—376.
Эта статья входит в число хороших статей русскоязычного раздела Википедии.
В сносках к статье найдены неработоспособные вики-ссылки.
Исправьте короткие примечания, установленные через шаблон {{sfn}} или его аналоги, в соответствии с инструкцией к шаблону, или добавьте недостающие публикации в раздел источников. Список сносок: Ridley, 2015
раз[27]. Предельно допустимое напряжение стабилизации не должно превышать 
[45].
выполняется с достаточным запасом[45].
