TL431

TL431
Analogový integrovaný obvod
Vzhled, pájeno na DPS
Symbol a funkční blokové schéma
Typ Přesný regulátor paralelního napětí
Rok vývoje 1977
Vývojář Texas Instruments

TL431  je 3-vývodový nastavitelný paralelní integrovaný obvod regulátoru napětí (IC) se zlepšenou teplotní stabilitou. S externím děličem je TL431 schopen stabilizovat napětí od 2,5 do 36  V při proudech do 100 mA . Typická odchylka skutečné hodnoty referenčního napětí od hodnoty pasu se měří v jednotkách mV, maximální přípustná odchylka je několik desítek mV . Mikroobvod je vhodný pro buzení vysoce výkonných tranzistorů ; jeho použití ve spojení s nízkonapěťovými tranzistory MIS umožňuje vytvářet ekonomické lineární stabilizátory s obzvláště nízkým úbytkem napětí . V obvodech spínacích měničů napětí je TL431 de facto průmyslovým standardem pro chybový zesilovač stabilizátorů s optočlenovou izolací vstupních a výstupních obvodů .

TL431 se poprvé objevil v katalozích Texas Instruments v roce 1977 [1] [2] . V 21. století vyrábí TL431 a jeho funkční protějšky mnoho výrobců v různých verzích (TL432, ATL431, KA431, LM431, TS431, 142EN19 a další), lišících se krystalovou topologií , přesností a frekvenční charakteristikou, minimálními provozními proudy a bezpečným provozem . oblasti .

Zařízení a princip činnosti

TL431 - tříkolíkový prahový prvek postavený na bipolárních tranzistorech , - druh analogu ideálního tranzistoru s prahem spínání ≈2,5 V. „Základna“, „kolektor“ a „emitor“ TL431 se tradičně označují jako řídicí vstup (R), katoda (C) a anoda (A). Mezi řídicí vstup a anodu je přivedeno kladné řídicí napětí U ref a výstupním signálem je proud katoda-anoda IKA [5] .

Funkčně na úrovni abstrakce TL431 obsahuje zdroj referenčního napětí ≈2,5 V a operační zesilovač , který porovnává napětí na řídicím vstupu U ref s referenčním [6] . Fyzicky jsou obě funkce pevně, neoddělitelně integrovány do vstupních stupňů TL431. V žádném bodě obvodu není generována virtuální referenční úroveň ≈2,5 V : skutečným zdrojem referenčního napětí je Widlar bandgap na tranzistorech T3, T4 a T5, který generuje napětí ≈1,2 V a je optimalizován pro provoz ve spojení s emitorovými sledovači T1 a T6 [7] . Diferenciální zesilovač je tvořen dvěma zdroji proudu back-to-back na tranzistorech T8 a T9: kladný rozdíl mezi kolektorovými proudy T8 a T9, odbočujícími do báze T10, ovládá koncový stupeň [3] . Výstupním stupněm TL431, který přímo řídí zátěžový proud, je npn Darlington tranzistor s otevřeným kolektorem , chráněný zpětnou diodou . Nechybí ochrana proti přehřátí nebo nadproudu [3] [8] .

Pokud U ref nepřekročí spínací práh, je koncový stupeň sepnutý a stupně jej ovládající spotřebují v klidu proud o typické hodnotě 100 ... 200 μA . Když se U ref blíží prahu spínání, proud spotřebovaný řídicími stupni dosáhne hodnoty řádově 300 ... 500 μA , přičemž koncový stupeň zůstává uzavřený. Po překročení prahu se koncový stupeň plynule otevírá, I KA roste se strmostí cca 30 mA/V [9] . Když Uref překročí práh asi o 3 mV a IKA dosáhne asi 500...600 µA , strmost se náhle zvýší na asi 1 A/V [9] . S dosažením jmenovité strmosti, jejíž typická hodnota je 1 ... 1,4 A/V , přechází obvod do stabilizačního režimu [9] , ve kterém se chová jako klasický diferenciální měnič napětí na proud [10] .Růst proudu se zastaví, když se regulační napětí stabilizuje působením záporné zpětné vazby připojené mezi katodu a řídicí vstup [4] [11] . Hodnota U ref ≈2,5 V, která byla stanovena ve stejnou dobu, se nazývá referenční (U REF ) [11] . V méně obvyklém reléovém režimu (režim komparátoru) neexistuje zpětná vazba a katodový proud je omezen pouze charakteristikou zdroje a zátěže [8] .

Stabilizátory na TL431 jsou navrženy tak, aby mikroobvod vždy pracoval v aktivním režimu s vysokou transkonduktancí; k tomu nesmí I KA klesnout pod 1 mA [5] [4] [12] . Z hlediska stability regulační smyčky může být vhodné minimální proud ještě zvýšit, až na 5 mA [13] , ale v praxi to odporuje požadavkům na účinnost stabilizátoru [4] . Vstupní proud řídicího vstupu I ref je ve všech režimech přibližně konstantní, jeho typická hodnota je 2 μA . Výrobce doporučuje navrhnout vstupní obvod TL431 tak, aby zaručoval I ref alespoň 4 µA ; není povolen provoz mikroobvodu se „závěsným“ ovládacím vstupem [14] [8] . Přerušení nebo zkrat na kostru kteréhokoli z výstupů, stejně jako zkrat jakýchkoli dvou výstupů nejsou schopny zničit TL431, ale znefunkčnit zařízení jako celek [15] .

Charakteristika přesnosti

Jmenovitá hodnota referenčního napětí U REF = 2,495 V je určena a testována výrobcem při katodovém proudu 10 mA , řídicí vstup je uzavřen ke katodě a okolní teplotě +25 °C [14] [17] . Spínací práh (bod B na přenosové charakteristice) a práh pro přepnutí do režimu vysokého sklonu (bod C) nejsou standardizovány [9] . Skutečné referenční napětí, které konkrétní instance TL431 nastavuje v konkrétním obvodu, může být vyšší nebo nižší než napětí na typovém štítku v závislosti na čtyřech faktorech:

Frekvenční charakteristiky

Amplitudo-frekvenční charakteristika (AFC) TL431, kompenzovaná vestavěnou Millerovou kapacitou koncového stupně [8] , je popsána v první aproximaci rovnicí dolního filtru prvního řádu ; Nejjednodušší model frekvenčně závislého obvodu sestává z ideálního měniče napětí na proud, jehož výstup je bočníkově sveden s kapacitou 70 nF [19] . Při provozu na typické odporové zátěži s odporem 230 ohmů začíná frekvenční odezva standardního TL431 kolem 10 kHz [19] a vypočtená frekvence jednotkového zisku, která nezávisí na odporu zátěže, je asi 2 MHz. [20] . Kvůli jevu druhého řádu frekvenční odezva v oblasti vysokých frekvencí klesá rychleji, než model předpovídá, takže skutečná frekvence jednotkového zisku je pouze 1 MHz ; v praxi toto rozlišení nevadí [20] .

Rychlosti vzestupu a poklesu I KA , U KA a doba ustálení U REF nejsou standardizovány. Podle Texas Instruments, když je napájení zapnuto, U KA rychle stoupne na ≈2 V a dočasně, po dobu asi 1 µs , se na této úrovni zastaví. Poté se po dobu asi 0,5 ... 1 μs nabije vestavěná kapacita a na katodě se ustaví konstantní stabilizované U KA [21] .

Posunování anody a katody TL431 s kapacitou může vést k samobuzení [22] . S malou (ne více než 1 nF ) a velkou (nad 10 uF ) kapacitou je TL431 stabilní; v oblasti 1 nF ... 10 μF je pravděpodobné samobuzení [23] [24] . Šířka oblasti nestability závisí na kombinaci I KA a U KA . Nejhorší z hlediska stability je kombinace nízkých proudů a nízkého napětí; naopak při vysokých proudech a napětích, kdy se výkon rozptýlený mikroobvodem blíží mezní hodnotě, se TL431 stává absolutně stabilním [24] . I stabilizátor relativně vysokého napětí však může být samobuzen při zapnutí, kdy napětí na katodě ještě nestouplo na standardní úroveň [23] .

Grafy okrajových podmínek stability [14] publikované v technické dokumentaci jsou podle samotné Texas Instruments nepřiměřeně optimistické [24] . Popisují „typický“ mikroobvod s nulovou fázovou rezervou , přičemž v praxi bychom se měli zaměřit na fázovou rezervu alespoň 30° [24] . K potlačení samobuzení obvykle stačí zařadit mezi anodu TL431 a zatěžovací kapacitu odpor „proti zvonění“ 1 ... 1000 Ohm ; jeho minimální hodnota je určena kombinací zatěžovací kapacity I KA a U KA [25] .

Aplikace

Lineární regulátory napětí

V nejjednodušším obvodu paralelního regulátoru napětí je řídicí vstup TL431 připojen ke katodě, která mění mikroobvod na funkční analog zenerovy diody s pevným referenčním napětím ≈2,5 V. Typický vnitřní odpor takové „zenerovy diody“ při frekvencích do 100 kHz je přibližně 0,2 Ω ; ve frekvenčním rozsahu 100 kHz...10 MHz roste monotónně až na cca 10 ohmů [26] . Pro stabilizaci vysokých napětí je řídicí vstup TL431 připojen k odporovému děliči R2R1 připojenému mezi katodu a anodu. Stabilizované anodovo-katodové napětí a vnitřní odpor takové „zenerovy diody“ se zvýší faktorem [27] . Maximální povolené stabilizační napětí by nemělo překročit +36 V , maximální povolené napětí na katodě je omezeno na +37 V [28] . Zpočátku to bylo hlavní zahrnutí TL431: mikroobvod byl umístěn na trh jako ekonomická alternativa k drahým přesným zenerovým diodám [29] .

Přidání paralelního obvodu regulátoru s emitorovým sledovačem zahrnutým do zpětnovazební smyčky z něj udělá sériový regulátor. Konvenční nebo kompozitní tranzistory npn struktury používané jako průchozí ventily jsou funkční pouze s dostatečně vysokým úbytkem napětí mezi vstupem a výstupem, což snižuje účinnost stabilizátoru [30] . Propustné tranzistory struktury pnp v saturačním režimu jsou provozuschopné při napětí kolektor-emitor do ≈0,25 V , ale zároveň vyžadují vysoké řídicí proudy, což si vynucuje použití kompozitních tranzistorů s minimálním úbytkem napětí 1 V resp . vyšší [30] . Nejmenšího úbytku napětí je dosaženo při použití výkonných MIS tranzistorů [30] . Stabilizátory se zdrojovými sledovači jsou obvodově technicky jednoduché, stabilní, ekonomické, vyžadují však přídavné napájení hradel MIS tranzistorů (ΔU na obrázku) [30] .

Spínací regulátory napětí

TL431 nabitý optočlenem LED je de facto průmyslovým standardním chybovým zesilovačem ve spotřebitelských spínacích měničích napětí [10] [12] [11] . Navíc jsou vyráběny kombinované mikroobvody, které jsou tranzistorovým optočlenem a krystalem podobným TL431, v jednom balení [35] . Na výstup převodníku je připojen dělič napětí R1R2, který nastavuje napětí na řídicím vstupu TL431, katoda LED a fototranzistor optočlenu na řídicí vstup PWM regulátoru jeho . primární okruh. Aby se zajistilo, že minimální proud katody TL431 neklesne pod 1 mA , je LED optočlenu propojena s odporem R3 řádově 1 kOhm [4] [36] . Například v typickém spínaném zdroji notebooku je podle roku 2012 průměrný I KA 1,5 mA , z toho 0,5 mA protéká LED a 1 mA  bočníkem [4] .

Navrhnout účinné, ale stabilní obvody frekvenční kompenzace pro takové regulátory není snadný úkol [37] . V nejjednodušší konfiguraci je kompenzace přiřazena integračnímu obvodu C1R4 [37] . Kromě tohoto obvodu, výstupního vyhlazovacího filtru převodníku a samotného mikroobvodu obvod implicitně obsahuje další frekvenčně závislý spoj, s mezní frekvencí asi 10 kHz  - výstupní kapacita fototranzistoru ve spojení s odporem jeho zatížení kolektoru [38] . Současně jsou přes mikroobvod současně uzavřeny dvě zpětnovazební smyčky: hlavní, pomalá smyčka je uzavřena přes dělič na řídicí vstup TL431; sekundární, rychlý ( ang.  fast lane ) se uzavírá přes LED ke katodě TL431 [39] . Rychlou smyčku lze přerušit např. fixací napětí na LED katodě zenerovou diodou [40] nebo připojením LED katody k samostatnému filtru [41] .

Napěťové komparátory

Nejjednodušší obvod komparátoru TL431 vyžaduje jeden odpor k omezení katodového proudu na doporučených 5 mA [42] . Menší hodnoty jsou možné, ale nežádoucí z důvodu zpoždění při přechodu z otevřeného (logická nula) do zavřeného (logická jednička) stavu [42] . Doba přepnutí ze zavřeného do otevřeného stavu závisí na přebytku U ref nad prahem sepnutí: čím větší překročení, tím rychleji komparátor pracuje. Optimální spínací rychlosti je dosaženo při desetiprocentním překročení, přičemž výstupní impedance zdroje signálu by neměla přesáhnout 10 kOhm [42] . V plně otevřeném stavu U KA klesne na 2 V , což je v souladu s úrovněmi TTL a CMOS při napájecích napětích 5 V a vyšších [43] . Chcete-li připojit TL431 k nízkonapěťové logice CMOS, musíte použít externí dělič napětí [43] nebo nahradit TL431 analogovým čipem s nižším prahem přepínání, jako je TLV431 [44] .

Komparátory a logické invertory na TL431 jsou snadno vzájemně propojeny podle principů žebříkové logiky . Například ve výše uvedeném obvodu monitorování napětí se výstupní stupeň otevře a výstupní signál nabude hodnoty logické nuly tehdy a pouze tehdy, když vstupní napětí U BX spadá do intervalu

[45] .

Režim je funkční, pokud je podmínka splněna s dostatečnou rezervou [45] .

Nezdokumentované režimy

V radioamatérském tisku byly opakovaně publikovány návrhy nízkofrekvenčních napěťových zesilovačů na TL431 - zpravidla neúspěšné [46] . Ve snaze potlačit nelinearitu mikroobvodu konstruktéři zvětšili hloubku zpětné vazby a tím snížili zisk na nepřiměřeně nízké hodnoty [46] . Jako obtížný úkol se ukázala i stabilizace provozu zesilovačů na TL431 [46] .

Tendence TL431 k samobuzení může být použita k sestavení napěťově řízeného oscilátoru na frekvencích od několika kHz do 1,5 MHz [47] . Frekvenční rozsah takového generátoru a povaha závislosti frekvence na řídicím napětí silně závisí na použité řadě TL431: stejnojmenné mikroobvody od různých výrobců nejsou v tomto nezdokumentovaném režimu zaměnitelné [47] . Dvojici TL431 lze také použít v astabilním multivibračním obvodu pro frekvence od zlomků Hz do cca 50 kHz [48] . V tomto obvodu také TL431 pracuje v nezdokumentovaném režimu: nabíjecí proudy časovacích kapacit protékají diodami, které chrání řídicí vstupy (T2 na schématu zapojení) [48] .

Nestandardní možnosti a funkční analogy

Mikroobvody různých výrobců, vyráběné pod názvem TL431 nebo pod názvy jemu blízkými (KA431, TS431 atd.), se mohou výrazně lišit od původního TL431 vyráběného společností Texas Instruments. Někdy jsou rozdíly odhaleny pouze empiricky, při testování IP v nezdokumentovaných režimech [47] ; někdy jsou výslovně deklarovány v dokumentaci výrobce. TL431 vyráběný společností Vishay má tedy abnormálně vysoký, asi 75 dB , napěťový zisk při nízkých frekvencích [19] . Pokles zesílení tohoto IC začíná kolem 100 Hz [19] . Ve frekvenčním rozsahu nad 10 kHz se frekvenční odezva TL431 Vishay blíží standardu; frekvence jednotkového zisku, asi 1 MHz , se shoduje se standardem [19] . Čip řadiče SG6105 PWM obsahuje dva nezávislé stabilizátory, deklarované jako přesné analogy TL431, ale jejich maximální povolené I KA a U KA jsou pouze 16 V a 30 mA ; charakteristiky přesnosti těchto stabilizátorů nejsou výrobcem testovány [49] .

Mikroobvod TL430 je historická funkční obdoba TL431 s referenčním napětím 2,75 V a maximálním povoleným katodovým proudem 150 mA , vyráběný společností Texas Instruments pouze v pouzdru s průchozími otvory [50] . Vestavěný bandgap TL430, na rozdíl od současně vydaného TL431, nebyl teplotně kompenzován a byl méně přesný; v koncovém stupni TL430 nebyla žádná ochranná dioda [51] . Čip TL432 vyrobený v 21. století je konvenční krystal TL431 zabalený v obalech pro povrchovou montáž s nestandardním pinoutem [52] .

V roce 2015 společnost Texas Instruments oznámila uvedení ATL431, funkčního analogu TL431, optimalizovaného pro provoz v ekonomických spínacích regulátorech [53] . Doporučený minimální katodový proud ATL431 je pouze 35 μA oproti 1 mA pro standardní TL431 při stejných mezích katodového proudu ( 100 mA ) a napětí anody-katody ( 36 V ) [54] . Frekvence jednotkového zisku je posunuta dolů na 250 kHz , aby se potlačilo zesílení vysokofrekvenčního šumu [54] . Zcela jiný pohled mají také grafy okrajových podmínek stability: při nízkých proudech a anodově-katodovém napětí 15 V je obvod absolutně stabilní při jakýchkoli hodnotách zatěžovací kapacity - za předpokladu použití kvalitních nízkoindukčních kondenzátorů [55] [56] . Minimální doporučený odpor "anti-ringing" rezistoru je 250 ohmů oproti 1 ohm pro standardní TL431 [57] .

Kromě mikroobvodů rodiny TL431 byly od roku 2015 široce používány pouze dva integrované obvody paralelních stabilizátorů, které mají zásadně odlišné obvody, referenční úrovně a výkonové limity [58] :

Obvody zařízení na LMV431 a NCP100 jsou podobné obvodům zařízení na TL431 [58] .

Poznámky

  1. Příručka regulátoru napětí / ed. JD Spencer, D. E. Pippinger. - Texas Instruments, 1977. - S. 82, 86, 132. - 198 s. — ISBN 9780895121011 .
  2. První technická dokumentace pro sériový TL431 je z července 1978. Viz TL431, TL431A Přesné bočníkové regulátory  //  Texas Instruments Datasheet. - 1999. - Červenec ( č. SLVS005J ).
  3. 1 2 3 Basso, 2012 , str. 384.
  4. 1 2 3 4 5 6 Basso, 2012 , str. 388.
  5. 1 2 3 Texas Instruments, 2015 , str. 19.
  6. Texas Instruments, 2015 , str. 20: "virtuální vnitřní kolík".
  7. Basso, 2012 , pp. 383, 385-386.
  8. 1 2 3 4 Texas Instruments, 2015 , str. dvacet.
  9. 1 2 3 4 5 Basso, 2012 , str. 387.
  10. 1 2 3 Basso, 2012 , str. 383.
  11. 1 2 3 Zhanyou Sha, 2015 , str. 154.
  12. 12 Brown , 2001 , str. 78.
  13. Tepsa, Suntio, 2013 , str. 93.
  14. 1 2 3 Integrované obvody, 1996 , str. 221.
  15. Zamora, Marco. TL431 Pin FMEA  //  Zpráva o aplikaci Texas Instruments. - 2018. - leden ( č. SNVA809 ). — str. 4.
  16. 12 Texas Instruments, 2015 , str. čtrnáct.
  17. 1 2 Texas Instruments, 2015 , str. 5-13.
  18. Camenzind, 2005 , pp. 7-5, 7-6, 7-7.
  19. 1 2 3 4 5 6 Tepsa, Suntio, 2013 , str. 94.
  20. 12 Schönberger , 2012 , str. čtyři.
  21. Texas Instruments, 2015 , str. 25.
  22. Michallick, 2014 , str. jeden.
  23. 1 2 TS431 Nastavitelný přesný bočníkový regulátor  // Taiwan Semiconductor Datasheet. — str. 3.
  24. 1 2 3 4 Michallick, 2014 , str. 2.
  25. Michallick, 2014 , pp. 3-4.
  26. Texas Instruments, 2015 , str. 5-13, 16.
  27. Texas Instruments, 2015 , str. 24.
  28. Texas Instruments, 2015 , str. čtyři.
  29. Texas Instruments, 1985 , s. 6.22.
  30. 1 2 3 4 Dubhashi A. AN-970. Výkonové tranzistory s efektem pole v lineárních stabilizátorech s malým úbytkem napětí // Výkonová polovodičová zařízení / Přeloženo z angličtiny, upravil V. V. Tokarev. - Voroněž: LLP MP Elist, 1995. - S. 375-376.
  31. Basso, 2012 , str. 393.
  32. Ridley, 2015 , str. 12.
  33. Texas Instruments, 2015 , str. 29.
  34. Texas Instruments, 2015 , str. 28.
  35. ↑ FOD2741A, FOD2741B , FOD2741C Opticky izolovaný chybový zesilovač  . Fairchild Semiconductor (2004). Získáno 18. března 2021. Archivováno z originálu dne 11. dubna 2021.
  36. Basso, 2012 , str. 392.
  37. 12 Ridley , 2015 , str. 2.
  38. Ridley, 2015 , str. 3.
  39. Basso, 2012 , pp. 396-397.
  40. Basso, 2012 , pp. 397-398.
  41. Ridley, 2015 , str. čtyři.
  42. 1 2 3 Texas Instruments, 2015 , str. 22.
  43. 12 Texas Instruments, 2015 , str. 23.
  44. Rivera-Matos, 2018 , str. jeden.
  45. 1 2 Rivera-Matos, 2018 , str. 3.
  46. 1 2 3 Field I. Electret Mic Booster  // Elektor. - 2010. - č. 7 . - S. 65-66.
  47. 1 2 3 Ocaya RO VCO pomocí referenční sítě TL431  //  EDN Network. - 2013. - říjen ( č. 10 ).
  48. 1 2 Clements G. Multivibrátor TL431 // Elektor. - 2009. - č. červenec / srpen . - S. 40-41.
  49. Správce napájecího zdroje SG6105 + regulátor + PWM  //  Obecná specifikace produktu systému. - 2004. - 7. července. - str. 1, 5, 6.
  50. Nastavitelný bočníkový regulátor TL430  //  Technický list Texas Instruments. - 2005. - leden ( č. SLVS050D ).
  51. Texas Instruments, 1985 , s. 6.21.
  52. Texas Instruments, 2015 , str. jeden.
  53. Leverette, 2015 , str. 2.
  54. 12 Leverette , 2015 , str. 3.
  55. Leverette, 2015 , str. čtyři.
  56. Texas Instruments, 2016 , str. 7, 8.
  57. Texas Instruments, 2016 , str. 17.
  58. 1 2 Zhanyou Sha, 2015 , str. 153.
  59. Zhanyou Sha, 2015 , str. 157.
  60. LMV431x nízkonapěťové (1,24-V) nastavitelné přesné bočníkové regulátory . Texas Instruments (2014). Získáno 26. října 2018. Archivováno z originálu 20. června 2020.
  61. Zhanyou Sha, 2015 , str. 155.
  62. NCP100: Sub 1,0 V přesný nastavitelný bočníkový regulátor . O polovodiči (2009). Získáno 26. října 2018. Archivováno z originálu 21. června 2020.

Literatura