TL431- управляемый стабилитрон

TL431 – управляемый стабилитрон

Впервые я обратил внимание на TL431, разбирая компьютерные блоки питания (БП). Возможно, они попадались мне и раньше в БП CRT-мониторов и CRT-телевизоров, но я как-то не выделял их из общей кучки транзисторов в корпусах ТО-92.

См. радел РАДИОпитание - - > Компьютерный АТХ БП (паталогоанатомическое исследование):

Помнится, я тогда не смог сразу найти однозначный ответ на вопрос: что это такое с маркировкой «431»? Где-то было сказано, что это – стабилитрон, где-то – что даже транзистор, где-то – что управляемый стабилитрон. С тех пор в сети многое изменилось в лучшую сторону, и теперь по запросу «радиокомпонент 431» вываливается куча вполне определённой однозначной информации. Однако, можно наткнуться и на «стабилизатор TL431», и на «программируемый стабилизатор TL431», и на «операционный усилитель TL431», и на «транзистор TL431»… Некое зерно во всём этом есть, но его надо долго и тщательно выщелушивать из плеве́л.

Пришло время пополнить раздел «РАДИОкомпоненты» описанием TL431.
Согласно интернет-источникам, TL431 был разработан во второй половине 70-х годов ХХ века и, не смотря на почти полувековой возраст, весьма широко применяется как в промышленных, так и в РАДИОлюбительских конструкциях.

На схемах TL431 может обозначаться, например, как стабилитрон с неким «управляющим аппендиксом R»:

или даже:

Функциональная схема раскрывает кое-что:

Но ежели загляну́ть в DataSheet…

то эквивалентная схема выглядит несколько сложнее. Этот стабилитрон «inside» не так уж прост и состоит из десятка транзисторов, пары диодов, нескольких резисторов и конденсаторов!
Смотреть DataSheet на русском - - -> ЗДЕСЬ

На фото (из Википедии)

представлены «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» (конец цитаты).
Кое-кто считает, что всё очень просто, поскольку внутри корпуса ТО-92 находится обычный компаратор.
Правда, функция его (в смысле – компаратора), наоборот, несколько необычна – он «играет роль» стабилитрона. К тому же, его называют «управляемым». Почему?

Вернёмся к функциональной схеме TL431:

Из неё видно, что компаратор имеет высокостабильный встроенный источник опорного напряжения , подключенный к инверсному (-) входу, один прямой вход (R), транзистор VT на выходе компаратора, коллектор (К) и эмиттер (А) которого объединены с выводами питания компаратора, и защитный диод VD на случай неверного подключения. Максимальный ток нагрузки транзистора – 100 мА, максимальное напряжение – 36 В.
Точность источника опорного напряжения зависит от 6-й буквы в обозначении TL431?:
- нет буквы – 2%;
- буква А – 1%;
- буква В – 0,5%.

TL431 выпускается в разных корпусах:

Чтобы выяснить, как работает TL431, можно собрать схему:

Здесь, кстати, показано несколько иное его обозначение. R1=R2=1 кОм; R3=470 Ом.

Поскольку внутри микросхемы DA1 имеется встроенный источник опорного напряжения 2,5 В, чтобы сработал компаратор (открылся выходной транзистор), необходимо на вход (R) подать напряжение немного превышающее опорное.
На вход (R) включен делитель напряжения R1 и R2. Резистор R3 ограничивает ток светодиода.
Поскольку R1 = R2, то и падения напряжения на них U1 = U2. Если U2 будет немного более 2,5 В – компаратор сработает (откроется выходной транзистор, и светодиод загорится). А произойдёт это явление при напряжении питания Uпит немногим более 5 В.
Если увеличить R1, придётся, соответственно, увеличить Uпит, чтобы падения U2 было достаточно для срабатывания компаратора.
Таким образом, если микросхему использовать как стабилитрон (основное её назначение), то можно с помощью подбора сопротивлений делителя R1 и R2 сделать стабилитрон с любым напряжением стабилизации в пределах 2,5 - 36 В (максимальное ограничение по DataSheet’у).

Можно ли проверить TL431 мультиметром?

В принципе, можно попробовать, но это не простой стабилитрон, а интегральная микросхема. Каков будет результат, посмотрим. Для проверки у меня есть кучка БУ’шных TL-ок:

Проба №1 – мультиметром.
Во всех направлениях измерение Ω показало:

Не понятно, почему. При подключении мультиметра к Аноду - - - Катоду, он должен показать либо сопротивление транзистора в прямом направлении, либо сопротивление диода также в прямом направлении. Но мой мультиметр показывает «1.» - чудовищно большое сопротивление. Аналогично - по всем другим направлениям. Странно…

Проба №2 – универсальным тестером радиокомпонетов LCR-T4:

Делаю вывод, что этот TL431 неисправен.

Проверяю другой .
Проба №1_2 – мультиметром. Измеряю Ω: к А «+» -ой щуп, к К «-»-ой щуп; мультиметр показывает:

В обратном направлении мультиметр показывает «1.» - очень большое сопротивление. Далее:
к R «+» -ой щуп, к А «-»-ой щуп; мультиметр показывает: «1.429»;
к R «-» -ой щуп, к А «+»-ой щуп; мультиметр показывает: «1.325»;
к R «+» -ой щуп, к К «-»-ой щуп; мультиметр показывает: «0.754»;
к R «-» -ой щуп, к К «+»-ой щуп; мультиметр показывает: «1.» - очень большое сопротивление;
Надо полагать, компонент исправен?

Проба №2_2 – универсальным тестером LCR-T4:

Здесь я, во всяком случае, вижу транзистор и диод. Следовательно – компонент исправен?

Помню, я поставил БУ’шную TL-ку в блок питания, и он сразу заработал как надо. Повезло, что ли?

Чтобы убедится в исправности TL431 наверняка, лучше собрать несложные схемы проверки.
Схема проверки №1:

Rд = 2к; R1=R2=4,7к.
Для проверки TL431 на вход подается 12 В. Если он исправен, то на выходе должно появится напряжение 4,9-5,0 В, а при замыкании S1 – 2,5 В. Мультиметр подключается к выходу для индикации результатов проверки.

Схема проверки №2 (1-й вариант) аналогична приведённой в начале:

R1=6,8 кОм; R2=10 кОм; R3=470 Ом.
При изменении сопротивления R2 на управляющем электроде появится 2,5 В. Светодиод должен включиться. Это и будет означать то, что TL431 исправен.

Схема проверки №2 (2-й вариант):

R1=22-100 кОм; R2=470 Ом. Если при вращении движка переменного резистора светодиод загорается/гаснет, значит TL431 исправен.
Мне лично больше нравится именно эта схема проверки. Её я и смоделирую:

Вращаю движок переменного резистора: светодиод то загорается, то гаснет. TL431 – исправен.

Примеры применения TL431

Стабилизатор тока

Данная схема является стабилизатором тока. Резистор R2 выполняет роль шунта, на котором за счет обратной связи устанавливается напряжение 2,5 В. В результате этого на выходе получаем постоянный ток равный I=2,5/R2.

Индикатор повышения напряжения

Работа данного индикатора организована таким образом, что при потенциале на управляющем контакте TL431 (вывод 1) меньше 2,5В, стабилитрон TL431 заперт, через него проходит только малый ток, обычно, менее 0,4 мА. Поскольку данной величины тока хватает для того чтобы светодиод светился, то что бы избежать этого, нужно просто параллельно светодиоду подсоединить сопротивление на 2…3 кОм.
В случае превышения потенциала, поступающего на управляющий вывод, больше 2,5 В, микросхема TL431 откроется и HL1 загорится. Резистор R3 создает нужное ограничение тока, протекающего через HL1 и стабилитрон TL431. Максимальный ток, проходящий через стабилитрон TL431, составляет 100 мА. Но у светодиода максимально допустимый ток составляет всего 20 мА. Поэтому в цепь светодиода необходимо добавить токоограничивающий резистор R3. Его сопротивление можно рассчитать по формуле:
R3 = (Uпит – Uh – Uda)/Ih
где Uпит – напряжение питания; Uн – падение напряжения на светодиоде; Uda – напряжение на открытом TL431 (около 2 В); Ih – необходимый ток светодиода (5…15мА). Также не надо забывать, что для стабилитрона TL431 максимально допустимое напряжение составляет 36 В.
Величина напряжения Uз при котором срабатывает сигнализатор (светится светодиод), определяется делителем на резисторах R1 и R2. Его параметры можно вычислить по формуле:
R2 = 2,5 х R1/(Uз - 2,5)
Если надо точно выставить уровень срабатывания, то вместо R2 следует установить подстроечный резистор с бо́льшим сопротивлением. После окончания точной настройки, подстроечник можно заменить на постоянный резистор.
Иногда необходимо проверять несколько значений напряжения. Тогда понадобятся несколько подобных сигнализаторов, настроенных на разные напряжения.

Индикатор низкого напряжения

Отличие данной схемы от предыдущей в том, что светодиод подключен по-иному. Такое подключение называется инверсным, так как светодиод светится только когда TL431 заперт.
Если же контролируемое значение напряжения превосходит уровень, определенный делителем R1 и R2, TL431 открывается, и ток течет через резистор R3 и выводы К-А стабилитрона. На нём в этот момент существует падение напряжения около 2 В, и его явно не хватает для свечения светодиода. Для стопроцентного предотвращения загорания светодиода в его цепь дополнительно включены два диода VD1, VD2 типа, например, КД103Б.
В момент, когда напряжение окажется меньше порога определенного делителем R1 и R2, TL431 закроется, падение напряжения на нём будет значительно выше 2 В – светодиод HL1 загорится.

Индикатор изменения напряжения

Если необходимо следить всего лишь за изменением напряжения, то устройство будет выглядеть следующим образом:

В этой схеме использован двухцветный светодиод HL1. Если потенциал ниже порога, установленного делителем R1 и R2, то светодиод горит красным цветом, если же выше порогового значения, то светодиод горит зелёным цветом. Если же светодиод совсем не светится, то это означает что контролируемое напряжение на уровне заданного порога (0,05…0,1В).

Работа совместно с датчиками

R2 можно заменить датчиком для отслеживания изменения какого-либо неэлектрического параметра внешней среды. Само собой, при этом должно меняться сопротивление датчика.
Например, если в качестве датчика применить фототранзистор, то получится фотореле, реагирующее на освещенность.

Пока освещение велико, сопротивление фототранзистора мало. Следовательно, напряжение на управляющем выводе TL431 ниже заданного уровня, светодиод не горит. При уменьшении освещенности увеличивается сопротивление фототранзистора, увеличивается потенциал на управляющем выводе стабилитрона. При превышении порога срабатывания (2,5 В) HL1 загорается.
Данную схему можно использовать как датчик влажности почвы. В этом случае вместо фототранзистора нужно подсоединить два нержавеющих электрода Е1, которые втыкают в землю на небольшом расстоянии друг от друга. После высыхания почвы, сопротивление между электродами возрастает и это приводит к срабатыванию TL431, светодиод загорается.
Если же в качестве датчика применить терморезистор, то можно сделать термостат.
Уровень срабатывания схемы во всех случаях устанавливается посредством резистора R1.

TL431 в схеме со звуковой индикацией

Данный звуковой сигнализатор можно применить в качестве контроля за уровнем воды в какой-либо ёмкости. Датчик представляет собой два нержавеющих электрода расположенных друг от друга на расстоянии 2-3 мм.
Как только вода коснется датчика, сопротивление его понизится, TL431 войдет в линейный режим работы через резисторы R1 и R2. В связи с этим возникнет автогенерация на резонансной частоте излучателя, и раздастся звуковой сигнал.

Для облегчения расчетов можно воспользоваться калькулятором для TL431:

Скачать калькулятор для TL431 можно - - ->ЗДЕСЬ

Терморегулятор

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 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 ПОС между выводами 1-3, например переменный 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.

Мощный блок питания на 13 вольт, 22 ампера.

Лабораторный БП есть среди моих конструкций в РАДИОмастерской (см. «Лабораторный БП на MOSFET’е с индикатором 100В/10А»):

Схема его довольно проста (см. там же или «Простые конструкции на MOSFET’ах»):

DA1 – это и есть TL431.
В «Простых конструкциях на MOSFET’ах» приведена полная цитата из первоисточника, где дано подробное описание схемы.

Оказывается, на TL431 можно собрать мультивибратор!

Кроме того, TL431 может использоваться как УНЧ:

или применяться в УНЧ:

Такой вот интересный РАДИОкомпонент – TL431!

НАЗАД на страницу РАДИОкомпоненты