TL431 — интегральная схема (ИС) трёхвыводного регулируемого параллельного стабилизатора напряжения с улучшенной температурной стабильностью. С внешним делителем TL431 способна стабилизировать напряжения от при токах до . 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 схемотехнике импульсных преобразователей напряжения TL431 — фактический отраслевой стандарт усилителя ошибки стабилизаторов с оптронной развязкой входных и выходных цепей.
TL431 впервые появилась в каталогах Texas Instruments в 1977 годуПервая техническая документация на серийные TL431 датирована июлем 1978 года. См. . В XXI веке TL431 и её функциональные аналоги выпускаются множеством производителей в различных вариантах (TL432, ATL431, KA431, LM431, TS431, 142ЕН19 и другие), различающихся топологиями кристаллов, точностными и частотными характеристиками, минимальными рабочими токами и областями безопасной работы.
Устройство и принцип действия TL431 — трёхвыводной пороговый элемент, построенный на биполярных транзисторах, — своего рода аналог идеального NPN транзистора с порогом переключения . «База», «коллектор» и «эмиттер» TL431 по воле разработчика именуются соответственно управляющим входом (R), "катодом" (C) и "анодом" (A). Управляющее напряжение Uref прикладывается к управляющему входу (+) и "аноду" (-), а выходным сигналом служит ток IKA в направлении от (+) "катода" («коллектор») к (-) "аноду" («эмиттер») .
Функционально, на уровне абстракции, TL431 содержит источник опорного напряжения и операционный усилитель, сравнивающий напряжение на управляющем входе Uref с опорным. Физически обе функции плотно, неразрывно интегрированы во входных каскадах TL431. Виртуальный опорный уровень не вырабатывается ни в одной точке схемы: действительным источником опорного напряжения служит бандгап Видлара на транзисторах Т3, Т4 и Т5, вырабатывающий напряжение и оптимизированный для работы в связке с эмиттерными повторителями Т1 и T6. 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. 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.
Если Uref не превышает порога переключения, то выходной каскад закрыт, а управляющие им каскады потребляют в покое ток типичной величиной . С приближением Uref к порогу переключения ток, потребляемый управляющими каскадами, достигает величины порядка , при этом выходной каскад остаётся закрытым. После превышения порога выходной каскад плавно открывается, IKA нарастает с крутизной примерно . Когда Uref превысит порог примерно на , а IKA достигнет примерно , крутизна скачкообразно возрастает до примерно . С достижением номинальной крутизны, типичное значение которой составляет , схема выходит на режим стабилизации, в котором ведёт себя подобно классическому преобразователю дифференциального напряжения в ток. Рост тока прекращается тогда, когда управляющее напряжение стабилизируется действием петли отрицательной обратной связи, включённой между катодом и управляющим входом. Установившееся при этом значение Uref≈2,5 В и называется опорным (UREF). В менее распространённом релейном режиме (режиме компаратора) петля ООС отсутствует, а ток катода ограничен лишь характеристиками источника питания и нагрузки.
Стабилизаторы на TL431 проектируются таким образом, чтобы микросхема всегда работала в активном режиме с высокой крутизной; для этого IKA не должен опускаться ниже . С точки зрения устойчивости петли управления может оказаться целесообразным увеличить минимальный ток ещё больше, до , но на практике это противоречит требованиям к экономичности стабилизатора. Втекающий ток управляющего входа Iref во всех режимах примерно постоянен, его типичная величина составляет . Производитель рекомендует проектировать входную цепь TL431 таким образом, чтобы гарантировать Iref не менее ; эксплуатация микросхемы с «висящим» управляющим входом не допускается. 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.
Точностные характеристики
Паспортная величина опорного напряжения UREF=2,495 В определяется и тестируется заводом-изготовителем при токе катода , замыкании управляющего входа на катод и температуре окружающей среды +25 °C. Порог переключения (точка В на передаточной характеристике) и порог перехода в режим высокой крутизны (точка С) не нормируются. 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 %; 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 ; 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 во всех случаях не превышает нескольких десятков мВ; Влияние напряжения анод-катод (UKA). С ростом UKA опорное напряжение TL431, необходимое для поддержания фиксированного тока катода, снижается с типичной скоростью в (но не более ). Величина, обратная этому показателю, — примерно 300…1000 () — есть верхний предел коэффициента усиления напряжения в области низких частот; Влияние тока катода. С ростом тока катода, при прочих равных условиях, UREF возрастает со скоростью примерно , что соответствует крутизне преобразования в .
Частотные характеристики Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) TL431, скомпенсированная встроенной миллеровской ёмкостью выходного каскада, 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 . При работе на типичную резистивную нагрузку сопротивлением спад АЧХ стандартной TL431 начинается на отметке , а расчётная частота единичного усиления, не зависящая от сопротивления нагрузки, составляет около . Из-за явлений второго порядка АЧХ в области высших частот спадает быстрее, чем предсказывает модель, поэтому реальная частота единичного усиления составляет всего ; на практике это различие не имеет значения.
Скорости нарастания и спада IKA, UKA и время установления UREF не нормируются. По данным Texas Instruments, при включении питания UKA быстро возрастает до и, временно, примерно на , останавливается на этом уровне. Затем в течение примерно происходит заряд встроенной ёмкости, и на катоде устанавливается постоянное стабилизированное UKA.
Шунтирование анода и катода TL431 ёмкостью может приводить к самовозбуждению. При малых (не более ) и при больших (свыше ) ёмкостях TL431 устойчива; в области самовозбуждение вероятно. 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. Однако даже стабилизатор относительно высокого напряжения может самовозбуждаться при включении, когда напряжение на катоде ещё не поднялось до штатного уровня.
Публикуемые в технической документации графики граничных условий устойчивости являются, по признанию самой Texas Instruments, неоправданно оптимистичными. Они описывают «типичную» микросхему при нулевом , тогда как на практике следует ориентироваться на запас по фазе не менее 30°. Для подавления самовозбуждения обычно достаточно включить между анодом TL431 и ёмкостью нагрузки «антизвонное» сопротивление в ; его минимальная величина определяется сочетанием ёмкости нагрузки, IKA и UKA.
Применение
Линейные стабилизаторы напряжения
В простейшей схеме параллельного стабилизатора напряжения управляющий вход TL431 замыкается на катод, что превращает микросхему в функциональный аналог стабилитрона с фиксированным опорным напряжением . Типичное внутреннее сопротивление такого «стабилитрона» на частотах до составляет примерно ; в диапазоне частот оно монотонно возрастает до примерно . 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. Предельно допустимое напряжение стабилизации не должно превышать , предельно допустимое напряжение на катоде ограничено . Изначально именно это включение TL431 было основным: микросхема позиционировалась на рынке как экономичная альтернатива дорогим прецизионным стабилитронам.
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. Проходные транзисторы pnp-структуры в режиме насыщения работоспособны при напряжениях коллектор-эмиттер до , но при этом требуют высоких управляющих токов, что вынуждает использовать составные транзисторы с минимальным падением напряжения и выше. Наименьшее падение напряжения достигается при использовании мощных МДП-транзисторов. Стабилизаторы с истоковыми повторителями схемотехнически просты, устойчивы, экономичны, но требуют дополнительного источника питания затворов МДП-транзисторов (ΔU на иллюстрации).
Импульсные стабилизаторы напряжения
TL431, нагруженная на светодиод оптрона, — фактический отраслевой стандарт усилителя ошибки в бытовых импульсных преобразователях напряжения. Более того, выпускаются комбинированные микросхемы, представляющие собой транзисторный оптрон и кристалл, аналогичный TL431, в одном корпусе. 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 , светодиод оптрона шунтируют резистором R3 величиной порядка . Например, в типичном импульсном блоке питания ноутбука, по данным 2012 года, средний IKA равен , из которых протекают через светодиод, а — через шунт.