TL431

TL431
Analog integrerad krets
Utseende, lödd på PCB
Symbol och funktionsblockdiagram
Sorts Precision parallellspänningsregulator
Utvecklingsår 1977
Utvecklaren Texas instrument

TL431  är en 3-pols justerbar parallell spänningsregulator integrerad krets (IC) med förbättrad temperaturstabilitet. Med en extern delare kan TL431 stabilisera spänningar från 2,5 till 36  V vid strömmar upp till 100 mA . En typisk avvikelse av det faktiska värdet för referensspänningen från passvärdet mäts i enheter mV, den maximalt tillåtna avvikelsen är flera tiotals mV . Mikrokretsen är väl lämpad för att driva transistorer med hög effekt ; dess användning i kombination med lågspännings MIS-transistorer gör att du kan skapa ekonomiska linjära stabilisatorer med ett särskilt lågt spänningsfall . I kretsen för switchade spänningsomvandlare är TL431 de facto industristandarden för felförstärkare för stabilisatorer med optokopplarisolering av ingångs- och utgångskretsarna .

TL431 dök först upp i Texas Instruments kataloger 1977 [1] [2] . Under 2000-talet produceras TL431 och dess funktionella motsvarigheter av många tillverkare i olika versioner (TL432, ATL431, KA431, LM431, TS431, 142EN19 och andra), som skiljer sig i kristalltopologier , noggrannhet och frekvensegenskaper, minsta driftsström områden .

Enhet och funktionsprincip

TL431 - ett trestifts tröskelelement byggt på bipolära transistorer , - en sorts analog av en ideal transistor med ett omkopplingströskelvärde på ≈2,5 V. "Basen", "kollektorn" och "sändaren" på TL431 kallas traditionellt för kontrollingången (R), katoden (C) respektive anoden (A). En positiv styrspänning Uref appliceras mellan styringången och anoden, och utsignalen är katod-anodströmmen I KA [5] .

Funktionellt, på abstraktionsnivå, innehåller TL431 en referensspänningskälla på ≈2,5 V och en operationsförstärkare som jämför spänningen på styringången U ref med referensen [6] . Fysiskt är båda funktionerna tätt, oupplösligt integrerade i TL431:s ingångssteg. En virtuell referensnivå på ≈2,5 V genereras inte vid någon punkt i kretsen: den faktiska källan till referensspänningen är Widlar-bandgapet på transistorerna T3, T4 och T5, som genererar en spänning på ≈1,2 V och är optimerad för drift i samband med emitterföljarna T1 och T6 [7] . Differentialförstärkaren bildas av två back -to-back- strömkällor på transistorerna T8 och T9: den positiva skillnaden mellan kollektorströmmarna T8 och T9, som förgrenar sig in i basen T10, styr slutsteget [3] . Slutsteget på TL431, som direkt styr belastningsströmmen, är en öppen kollektor npn Darlington-transistor , skyddad av en tillbakagångsdiod . Det finns inget skydd mot överhettning eller överström [3] [8] .

Om U ref inte överskrider omkopplingströskeln, är slutsteget stängt, och stegen som styr det förbrukar en ström med ett typiskt värde på 100 ... 200 μA i vila . När U ref närmar sig omkopplingströskeln når strömmen som förbrukas av styrstegen ett värde av storleksordningen 300 ... 500 μA , medan slutsteget förblir stängt. Efter överskridande av tröskeln öppnar slutsteget smidigt, IKA ökar med en branthet på cirka 30 mA/V [9] . När Uref överskrider tröskeln med cirka 3 mV och IKA når cirka 500...600 µA , ökar lutningen abrupt till cirka 1 A/V [9] . Med uppnåendet av den nominella lutningen, vars typiska värde är 1 ... 1,4 A / V , går kretsen in i stabiliseringsläget [9] , där den beter sig som en klassisk differentialspänning-till-strömomvandlare [10] .Strömtillväxten stannar när styrspänningen stabiliseras av verkan av den negativa återkopplingsslingan ansluten mellan katoden och styringången [4] [11] . Värdet U ref ≈2,5 V som har fastställts samtidigt kallas referens (U REF ) [11] . I ett mindre vanligt reläläge (komparatorläge) finns det ingen återkopplingsslinga, och katodströmmen begränsas endast av egenskaperna hos strömkällan och belastningen [8] .

Stabilisatorer på TL431 är utformade på ett sådant sätt att mikrokretsen alltid arbetar i ett aktivt läge med hög transkonduktans; för detta får I KA inte understiga 1 mA [5] [4] [12] . Med tanke på reglerslingans stabilitet kan det vara tillrådligt att öka minimiströmmen ännu mer, upp till 5 mA [13] , men i praktiken strider detta mot kraven på stabilisatorns effektivitet [4] . Den inströmmande strömmen från styringången Iref i alla lägen är ungefär konstant, dess typiska värde är 2 μA . Tillverkaren rekommenderar att TL431-ingångskretsen utformas på ett sådant sätt att en I ref på minst 4 µA garanteras ; drift av en mikrokrets med en "hängande" styringång är inte tillåten [14] [8] . Öppna eller kortsluta till jord på någon av utgångarna, såväl som en kortslutning av två utgångar kan inte förstöra TL431, men göra enheten som helhet obrukbar [15] .

Noggrannhetsegenskaper

Det nominella värdet på referensspänningen U REF = 2,495 V bestäms och testas av tillverkaren vid en katodström på 10 mA , styringången är sluten till katoden och en omgivningstemperatur på +25 °C [14] [17] . Växlingströskeln (punkt B på överföringskarakteristiken) och tröskeln för växling till höglutningsläge (punkt C) är inte standardiserade [9] . Den faktiska referensspänningen som en viss instans av TL431 ställer in i en viss krets kan vara antingen högre eller lägre än märkskyltens spänning, beroende på fyra faktorer:

Frekvensegenskaper

Amplitud-frekvenskarakteristiken (AFC) för TL431, kompenserad av den inbyggda Miller-kapacitansen i utgångssteget [8] , beskrivs i den första approximationen av en första ordningens lågpassfilterekvation ; Den enklaste frekvensberoende kretsmodellen består av en idealisk spänning-till-ström-omvandlare vars utgång är shuntad med en kapacitans på 70 nF [19] . När man arbetar på en typisk resistiv belastning med ett motstånd på 230 ohm , börjar frekvenssvaret för standard TL431 vid cirka 10 kHz [19] , och den beräknade enhetsförstärkningsfrekvensen, som inte beror på belastningsresistansen, är cirka 2 MHz [20] . På grund av andra ordningens fenomen faller frekvenssvaret i högfrekvensområdet snabbare än modellen förutsäger, så den faktiska enhetsförstärkningsfrekvensen är bara 1 MHz ; i praktiken spelar denna distinktion ingen roll [20] .

Stig- och fallhastigheterna I KA , U KA och avvecklingstiden U REF är inte standardiserade. Enligt Texas Instruments, när strömmen slås på, stiger UKA snabbt till ≈2 V och stannar tillfälligt vid denna nivå under cirka 1 µs . Sedan laddas den inbyggda kapacitansen under cirka 0,5 ... 1 μs , och en konstant stabiliserad U KA etableras på katoden [21] .

Shuntning av anoden och katoden på TL431 med kapacitans kan leda till självexcitering [22] . Med liten (högst 1 nF ) och stor (över 10 uF ) kapacitet är TL431 stabil; i området 1 nF ... 10 μF , självexcitering är sannolikt [23] [24] . Instabilitetsområdets bredd beror på kombinationen av I KA och U KA . Det sämsta när det gäller stabilitet är kombinationen av låga strömmar och låga spänningar; tvärtom, vid höga strömmar och spänningar, när effekten som förbrukas av mikrokretsen närmar sig gränsvärdet, blir TL431 absolut stabil [24] . Men även en stabilisator med relativt hög spänning kan självexciteras när den slås på, när spänningen vid katoden ännu inte har stigit till standardnivån [23] .

Graferna över gränsvillkoren för stabilitet [14] som publiceras i den tekniska dokumentationen är, enligt Texas Instruments själva , orimligt optimistiska [24] . De beskriver en "typisk" mikrokrets med noll fasmarginal , medan man i praktiken bör fokusera på en fasmarginal på minst 30 ° [24] . För att undertrycka självexcitering räcker det vanligtvis att inkludera ett "anti-ringnings"-motstånd på 1 ... 1000 Ohm mellan TL431-anoden och belastningskapacitansen ; dess minimivärde bestäms av kombinationen av belastningskapacitansen, I KA och U KA [25] .

Applikation

Linjära spänningsregulatorer

I den enklaste parallellspänningsregulatorkretsen är TL431-styringången ansluten till katoden, vilket gör mikrokretsen till en funktionell analog av en zenerdiod med en fast referensspänning på ≈2,5 V. Det typiska interna motståndet för en sådan "zenerdiod" vid frekvenser upp till 100 kHz är ungefär 0,2 Ω ; i frekvensområdet 100 kHz...10 MHz ökar den monotont upp till ca 10 ohm [26] . För att stabilisera höga spänningar är TL431-styringången ansluten till en resistiv delare R2R1 ansluten mellan katoden och anoden. Den stabiliserade anod-katodspänningen och det interna motståndet hos en sådan "zenerdiod" ökar med en faktor [27] . Den maximalt tillåtna stabiliseringsspänningen bör inte överstiga +36 V , den högsta tillåtna spänningen vid katoden är begränsad till +37 V [28] . Till en början var det denna inkludering av TL431 som var den viktigaste: mikrokretsen placerades på marknaden som ett ekonomiskt alternativ till dyra precisionszenerdioder [29] .

Genom att lägga till en parallell regulatorkrets med en emitterföljare inkluderad i återkopplingsslingan förvandlas den till en serieregulator. Konventionella eller sammansatta npn-strukturtransistorer som används som genomströmningsventiler fungerar endast med ett tillräckligt högt spänningsfall mellan ingång och utgång, vilket minskar effektiviteten hos stabilisatorn [30] . Passtransistorerna i pnp-strukturen i mättnadsläge fungerar vid kollektor-emitterspänningar upp till ≈0,25 V , men samtidigt kräver de höga styrströmmar, vilket tvingar användningen av komposittransistorer med ett minsta spänningsfall på 1 V och högre [30] . Det minsta spänningsfallet uppnås vid användning av kraftfulla MIS-transistorer [30] . Stabilisatorer med källföljare är kretstekniskt enkla, stabila, ekonomiska, men kräver en extra strömförsörjning för MIS-transistorernas grindar (ΔU i illustrationen) [30] .

Switching spänningsregulatorer

TL431 laddad med en optokopplar -LED är de facto industristandardens felförstärkare i konsumentomvandlare omkopplande spänningsomvandlare [10] [12] [11] . Dessutom produceras kombinerade mikrokretsar, som är en transistoroptokopplare och en kristall liknande TL431, i ett paket [35] . Spänningsdelaren R1R2, som ställer in spänningen vid kontrollingången på TL431, och katoden på lysdioden är anslutna till utgången på omvandlaren, och fototransistorn på optokopplaren är ansluten till kontrollingången på PWM-styrenheten på dess primär krets. För att säkerställa att minimiströmmen för TL431-katoden inte faller under 1 mA shuntas optokopplarens LED med ett motstånd R3 i storleksordningen 1 kOhm [4] [36] . Till exempel, i en typisk switchande bärbar strömförsörjning , enligt 2012, är den genomsnittliga IKA 1,5 mA , varav 0,5 mA strömmar genom lysdioden och 1 mA  genom shunten [4] .

Att designa effektiva men stabila frekvenskompensationskretsar för sådana regulatorer är ingen lätt uppgift [37] . I den enklaste konfigurationen tilldelas kompensation den integrerande kretsen C1R4 [37] . Förutom denna krets, omvandlarens utjämningsfilter och själva mikrokretsen, innehåller kretsen implicit ytterligare en frekvensberoende länk, med en gränsfrekvens på cirka 10 kHz  - fototransistorns utgångskapacitans i samband med resistansen på dess kollektorlast [38] . Samtidigt stängs två återkopplingsslingor samtidigt genom mikrokretsen: den långsamma huvudslingan stängs genom avdelaren till styringången TL431; sekundär, snabb ( eng.  fast lane ) stänger genom lysdioden till katoden TL431 [39] . En snabb loop kan brytas till exempel genom att fixera spänningen vid LED-katoden med en zenerdiod [40] eller genom att ansluta LED-katoden till ett separat filter [41] .

Spänningsjämförare

Den enklaste TL431- komparatorkretsen kräver ett enda motstånd för att begränsa katodströmmen till de rekommenderade 5 mA [42] . Mindre värden är möjliga, men oönskade på grund av fördröjningen i växlingen från öppet (logisk noll) till stängt (logisk ett) tillstånd [42] . Växlingstiden från stängt till öppet tillstånd beror på överskottet U ref över kopplingströskeln: ju större överskott, desto snabbare fungerar komparatorn. Den optimala omkopplingshastigheten uppnås vid tio procents överskott, medan signalkällans utgångsimpedans inte bör överstiga 10 kOhm [42] . I helt öppet tillstånd sjunker U KA till 2 V , vilket överensstämmer med TTL- och CMOS- nivåer vid matningsspänningar på 5 V och högre [43] . För att matcha TL431 med lågspännings-CMOS-logik måste du använda en extern spänningsdelare [43] eller ersätta TL431 med ett analogt chip med en lägre kopplingströskel, såsom TLV431 [44] .

Komparatorer och logiska växelriktare på TL431 kopplas enkelt till varandra enligt principerna för steglogik . Till exempel, i ovanstående spänningsövervakningskrets öppnar slutsteget och utsignalen får ett logiskt nollvärde om, och endast om, inspänningen U BX faller inom intervallet

[45] .

Systemet är operativt om villkoret uppfylls med tillräcklig marginal [45] .

Odokumenterade lägen

I amatörradiopressen publicerades konstruktionerna av lågfrekventa spänningsförstärkare på TL431 upprepade gånger - som regel misslyckade [46] . I ett försök att undertrycka mikrokretsens icke -linjäritet ökade konstruktörerna återkopplingsdjupet och reducerade därmed förstärkningen till orimligt låga värden [46] . Stabilisering av driften av förstärkare på TL431 visade sig också vara en svår uppgift [46] .

TL431:ans tendens att självexcitera kan användas för att bygga en spänningsstyrd oscillator vid frekvenser från några kHz till 1,5 MHz [47] . Frekvensområdet för en sådan generator och arten av frekvensens beroende av styrspänningen beror starkt på den TL431-serien som används: mikrokretsar med samma namn från olika tillverkare är inte utbytbara i detta odokumenterade läge [47] . Ett par TL431 kan också användas i en astabil multivibratorkrets för frekvenser från bråkdelar av en Hz till cirka 50 kHz [48] . I denna krets fungerar TL431 också i ett odokumenterat läge: laddningsströmmarna för tidskapacitanserna flyter genom dioder som skyddar styringångarna (T2 på kretsschemat) [48] .

Icke-standardiserade alternativ och funktionella analoger

Mikrokretsar från olika tillverkare, tillverkade under namnet TL431 eller under namn som ligger nära den (KA431, TS431, etc.), kan skilja sig väsentligt från den ursprungliga TL431 tillverkad av Texas Instruments. Ibland avslöjas skillnader endast empiriskt när man testar IP i odokumenterade lägen [47] ; ibland anges de uttryckligen i tillverkarens dokumentation. Således har TL431 tillverkad av Vishay en onormalt hög, cirka 75 dB , spänningsförstärkning vid låga frekvenser [19] . Nedgången i förstärkningen av denna IC börjar vid cirka 100 Hz [19] . I frekvensområdet över 10 kHz närmar sig frekvenssvaret för TL431 Vishay standarden; enhetsförstärkningsfrekvens, cirka 1 MHz , sammanfaller med standarden [19] . SG6105 PWM-kontrollkretsen innehåller två oberoende stabilisatorer, deklarerade som exakta analoger till TL431, men deras maximalt tillåtna I KA och U KA är endast 16 V och 30 mA ; noggrannhetsegenskaperna för dessa stabilisatorer testas inte av tillverkaren [49] .

TL430-mikrokretsen är en historisk funktionell analog till TL431 med en referensspänning på 2,75 V och en maximalt tillåten katodström på 150 mA , producerad av Texas Instruments endast i ett genomgående hålpaket [50] . Det inbyggda TL430-bandgapet, till skillnad från den samtidigt släppta TL431, var inte temperaturkompenserad och var mindre exakt; det fanns ingen skyddsdiod i slutsteget på TL430 [51] . TL432-chippet som producerades på 2000-talet är en konventionell TL431-kristall förpackad i ytmonterade paket med en icke-standardiserad pinout [52] .

2015 tillkännagav Texas Instruments lanseringen av ATL431, en funktionell analog till TL431, optimerad för drift i ekonomiska omkopplingsregulatorer [53] . Den rekommenderade minsta katodströmmen för ATL431 är endast 35 μA mot 1 mA för standard TL431 vid samma katodström ( 100 mA ) och anod-katodspänningsgränser ( 36 V ) [54] . Enhetsförstärkningsfrekvensen skiftas ner till 250 kHz för att undertrycka förstärkningen av högfrekvent brus [54] . Grafer över stabilitetsgränsförhållanden har också ett helt annat utseende: vid låga strömmar och en anod-katodspänning på 15 V är kretsen absolut stabil vid alla värden av belastningskapacitans - förutsatt att högkvalitativa låginduktanskondensatorer används [55] [56] . Minsta rekommenderade motstånd för "anti-ringnings"-motståndet är 250 ohm mot 1 ohm för standarden TL431 [57] .

Förutom TL431-familjen av mikrokretsar, från och med 2015, användes endast två integrerade kretsar av parallella stabilisatorer i stor utsträckning, som har en fundamentalt annorlunda krets, referensnivåer och prestandagränser [58] :

Enhetskretsen på LMV431 och NCP100 liknar enhetskretsen på TL431 [58] .

Anteckningar

  1. Spänningsregulatorns handbok / utg. JD Spencer, D.E. Pipper. - Texas Instruments, 1977. - S. 82, 86, 132. - 198 sid. — ISBN 9780895121011 .
  2. Den första tekniska dokumentationen för seriell TL431 är daterad juli 1978. Se TL431, TL431A precisionsshuntregulatorer  //  Texas Instruments datablad. - 1999. - Juli ( nr SLVS005J ).
  3. 1 2 3 Basso, 2012 , sid. 384.
  4. 1 2 3 4 5 6 Basso, 2012 , sid. 388.
  5. 1 2 3 Texas Instruments, 2015 , sid. 19.
  6. Texas Instruments, 2015 , sid. 20: "virtuell intern pin".
  7. Basso, 2012 , s. 383, 385-386.
  8. 1 2 3 4 Texas Instruments, 2015 , sid. tjugo.
  9. 1 2 3 4 5 Basso, 2012 , sid. 387.
  10. 1 2 3 Basso, 2012 , sid. 383.
  11. 1 2 3 Zhanyou Sha, 2015 , sid. 154.
  12. 12 Brown , 2001 , sid. 78.
  13. Tepsa, Suntio, 2013 , sid. 93.
  14. 1 2 3 Integrerade kretsar, 1996 , sid. 221.
  15. Zamora, Marco. TL431 Pin FMEA  //  Texas Instruments Application Report. - 2018. - Januari ( nr SNVA809 ). — S. 4.
  16. 12 Texas Instruments, 2015 , sid. fjorton.
  17. 1 2 Texas Instruments, 2015 , s. 5-13.
  18. Camenzind, 2005 , s. 7-5, 7-6, 7-7.
  19. 1 2 3 4 5 6 Tepsa, Suntio, 2013 , sid. 94.
  20. 12 Schönberger , 2012 , sid. fyra.
  21. Texas Instruments, 2015 , sid. 25.
  22. Michallick, 2014 , sid. ett.
  23. 1 2 TS431 Justerbar Precision Shunt Regulator  // Taiwan Semiconductor Datablad. — S. 3.
  24. 1 2 3 4 Michallick, 2014 , sid. 2.
  25. Michallick, 2014 , s. 3-4.
  26. Texas Instruments, 2015 , s. 5-13, 16.
  27. Texas Instruments, 2015 , sid. 24.
  28. Texas Instruments, 2015 , sid. fyra.
  29. Texas Instruments, 1985 , sid. 6.22.
  30. 1 2 3 4 Dubhashi A. AN-970. Effektfälteffekttransistorer i linjära stabilisatorer med litet spänningsfall // Effekthalvledarenheter / Översatt från engelska, redigerad av V. V. Tokarev. - Voronezh: LLP MP Elist, 1995. - S. 375-376.
  31. Basso, 2012 , sid. 393.
  32. Ridley, 2015 , s. 12.
  33. Texas Instruments, 2015 , sid. 29.
  34. Texas Instruments, 2015 , sid. 28.
  35. ↑ FOD2741A, FOD2741B , FOD2741C Optiskt isolerad felförstärkare  . Fairchild Semiconductor (2004). Hämtad 18 mars 2021. Arkiverad från originalet 11 april 2021.
  36. Basso, 2012 , sid. 392.
  37. 12 Ridley , 2015 , sid. 2.
  38. Ridley, 2015 , sid. 3.
  39. Basso, 2012 , s. 396-397.
  40. Basso, 2012 , s. 397-398.
  41. Ridley, 2015 , sid. fyra.
  42. 1 2 3 Texas Instruments, 2015 , sid. 22.
  43. 12 Texas Instruments, 2015 , sid. 23.
  44. Rivera-Matos, 2018 , sid. ett.
  45. 1 2 Rivera-Matos, 2018 , sid. 3.
  46. 1 2 3 Fält I. Electret Mic Booster  // Elektor. - 2010. - Nr 7 . - S. 65-66.
  47. 1 2 3 Ocaya RO VCO med TL431 referens  //  EDN Network. - 2013. - Oktober ( nr 10 ).
  48. 1 2 Clements G. TL431 Multivibrator // Elektor. - 2009. - Nr juli / augusti . - S. 40-41.
  49. SG6105 Power Supply Supervisor + Regulator + PWM  //  System Allmän produktspecifikation. - 2004. - 7 juli. - S. 1, 5, 6.
  50. TL430 justerbar shuntregulator  //  Texas Instruments Datablad. - 2005. - Januari ( nr SLVS050D ).
  51. Texas Instruments, 1985 , sid. 6.21.
  52. Texas Instruments, 2015 , sid. ett.
  53. Leverette, 2015 , sid. 2.
  54. 12 Leverette , 2015 , sid. 3.
  55. Leverette, 2015 , sid. fyra.
  56. Texas Instruments, 2016 , s. 7, 8.
  57. Texas Instruments, 2016 , sid. 17.
  58. 1 2 Zhanyou Sha, 2015 , sid. 153.
  59. Zhanyou Sha, 2015 , sid. 157.
  60. LMV431x Lågspänning (1,24-V) justerbara precisionsshuntregulatorer . Texas Instruments (2014). Hämtad 26 oktober 2018. Arkiverad från originalet 20 juni 2020.
  61. Zhanyou Sha, 2015 , sid. 155.
  62. NCP100: Sub 1,0 V precisionsjusterbar shuntregulator . On Semiconductor (2009). Hämtad 26 oktober 2018. Arkiverad från originalet 21 juni 2020.

Litteratur