Стабилизатор на TL431

Шунтовой стабилизатор

Как у стабилитрона, ток в нагрузку и в TL431 идёт через балластный резистор Rб от источника. TL431 забирает весь избыток: чем меньше нагрузка и выше вход, тем больший ток он отводит на землю. Напряжение задаёт делитель R1 (катод — REF) и R2 (REF — анод):

Второе слагаемое — ток входа REF, который течёт через R1 (2 мкА типично, до 4 мкА, SLVS543S, разд. 6.5). При R1 = 10 кОм он добавляет 20–40 мВ; чтобы им пренебречь, делитель не делают высокоомным.

Расчёт

Нужно 5 В из нестабилизированного напряжения 11–13 В, ток нагрузки 0–10 мА.

1. Делитель. R2 = 10 кОм, R₁ = (5 − 2,495)/(2,495/10 000 + 2 · 10⁻⁶) ≈ 9,96 кОм — берём 10 кОм. Выход 2,495 · 2 + 2 мкА · 10 кОм ≈ 5,01 В, ток делителя 0,25 мА.
2. Разброс. У стандартной версии V_ref — 2,44–2,55 В при 25 °C, поэтому выход в пределах 2,44 · 2 = 4,88 … 2,55 · 2 + 0,04 = 5,14 В. TL431A (2,47–2,52 В) и TL431B (2,483–2,507 В) точнее (разд. 6.8 и 6.11). Ещё добавляются дрейф с температурой (у TL431C, кроме корпуса SOT23-3, — до 25 мВ в диапазоне 0–70 °C), допуск резисторов и зависимость опоры от напряжения катода: −1,4 и до −2,7 мВ на каждый вольт выше Vref (разд. 6.5). При 5 В на катоде это −3,5…−6,8 мВ на REF и вдвое больше на выходе.
3. Балластный резистор по типичным значениям. При минимальном входе 11 В и максимальной нагрузке 10 мА через TL431 должен остаться 1 мА: R_б ≤ (11 − 5,01)/(1 + 10 + 0,25 мА) = 532 Ом. Ближайший меньший номинал — 510 Ом, но так считать нельзя: при выходе 5,14 В (верх разброса) и резисторе 510 Ом + 5 % ток TL431 будет (11 − 5,14)/535,5 − 10,25 мА = 0,69 мА — меньше гарантированного минимума 1 мА.
4. Балластный резистор по худшему случаю. Берём 470 Ом ±5 %: (11 − 5,14)/493,5 − 10,25 мА = 1,6 мА — с запасом выше 1 мА.
5. Нагрев TL431 — максимальный вход без нагрузки, нижний выход и резистор −5 %: (13 − 4,88)/446,5 − 0,25 мА ≈ 17,9 мА; с выходом до 5,14 В это не больше 5,14 · 17,9 = 92 мВт. В корпусе TO-92 (R_θJA = 140 °C/Вт по TI) кристалл нагреется примерно на 13 °C — запас огромный. Резистор Rб рассеивает до (13 − 4,88)²/446,5 = 0,15 Вт, ставим на 0,25 Вт.

Калькулятор открыт с этим примером. Он подбирает Rб по типичным значениям и предложит 510 Ом — для серийной схемы проверьте минимальный ток TL431 по верхней границе выхода и допуску резистора, как в шаге 4. Ток REF и тепловые сопротивления корпусов калькулятор берёт из даташита ST (1,8 мкА), поэтому выход и нагрев немного отличаются от расчёта по TI:

Шунтовой стабилизатор экономичен, только пока нагрузка мала и постоянна: ток через Rб течёт всегда, и при отключённой нагрузке весь он идёт через TL431. Когда нагрузку отключают, её ток тоже уходит в TL431, а его рабочий диапазон — до 100 мА (разд. 6.4); для больших токов нужен транзистор.

Конденсатор и устойчивость

TL431 скорректирован внутри и устойчив без конденсатора на выходе (разд. 8.3). Но нагрузка часто сама вносит ёмкость, а конденсатор хочется поставить для фильтрации, и тут TL431 ведёт себя необычно. TI приводит графики областей устойчивости (рис. 6-16 для TL431 и TL431A в корпусах TO-92 и SOIC, рис. 6-18 — для TL431B, TL432 и корпусов SOT-23 и SC-70): по горизонтали ёмкость между катодом и анодом от 1 нФ до 10 мкФ, по вертикали ток катода до 100 мА, отдельные кривые для напряжения катода от V_ref до 15 В. Под кривыми — режимы, в которых TL431 может генерировать.

Если читать график качественно:

• малые ёмкости — левее кривых — устойчивы при любом токе;
• средние — от единиц нанофарад до единиц микрофарад — опасная зона, и шире всего она при напряжении катода, равном V_ref;
• большие ёмкости правее кривых снова устойчивы.

Как читать график, TI объясняет в отчёте SLVA482A. Для напряжения катода V_ref и тока 10 мА граница пересекается дважды — около 0,01 и 2,2 мкФ: всё между ними заставляет типичный экземпляр генерировать. Но график снят для типичного экземпляра и без запаса по фазе, поэтому для надёжной схемы TI советует ёмкость в 10 раз меньше левой границы или в 10 раз больше правой — здесь меньше 1 нФ или больше 22 мкФ. Конденсатор 5 нФ формально левее границы, но в опыте TI случайный TL431AILP с ним генерировал с размахом около 35 мВ при токе 10 мА.

Второй способ — последовательно с конденсатором включают резистор: он создаёт ноль, который компенсирует сдвиг фазы от конденсатора, и тогда ёмкость может быть любой. Минимальное сопротивление для разных ёмкостей, токов и напряжений катода TI приводит на графиках SLVA482A (рис. 5–8), верхнего предела нет.

Практический вывод: на выход ставят либо конденсатор меньше 1 нФ, либо большую ёмкость с запасом от правой границы, либо конденсатор с последовательным резистором, а «универсальные» 0,1–1 мкФ напрямую — нет. Свой режим проверяют по графику из даташита, а собранную схему — осциллографом на скачке нагрузки.

После включения напряжение на катоде быстро нарастает примерно до 2 В, а дальше — медленнее: так работает внутренняя коррекция (разд. 9.2.2.2.4).

С проходным транзистором

Чтобы получить ток в сотни миллиампер и амперы, нагрузку питают через транзистор, а TL431 управляет только его базой. На схеме TI (рис. 9-5) это составной транзистор из двух NPN: резистор R питает катод TL431 и базу VT1, а VT2 отдаёт ток в нагрузку. Резистор 4,7 кОм от эмиттера VT1 к выходу, 30 Ом в цепи базы и конденсатор 0,01 мкФ между катодом и REF — номиналы со схемы TI. Выход задаёт тот же делитель: U_вых = V_ref(1 + R₁/R₂).

Резистор R выбирают так, чтобы при минимальном входном напряжении через него шли 1 мА для TL431 (примечание A к рис. 9-5) плюс ток базы VT1 при максимальной нагрузке. Катод TL431 в этой схеме выше выхода на два падения база–эмиттер, а вход должен быть выше катода на падение на R — поэтому разница входа и выхода у такого стабилизатора больше, чем у LDO.

Вместо транзисторов TL431 можно поставить опорой к стандартному стабилизатору. TI показывает 7805 с TL431 в цепи общего вывода — выход регулируется от V_ref + 5 В (рис. 9-6) — и LM317 с TL431, который даёт точные 5 В при токе до 1,5 А (рис. 9-9). Об обычных схемах этих стабилизаторов — линейный стабилизатор 78xx и источник тока на LM317.

Компаратор и индикатор превышения напряжения

Без обратной связи TL431 работает как компаратор со встроенной опорой (разд. 8.4.1): пока напряжение на REF ниже V_ref, TL431 закрыт (при REF на земле ток катода не больше 1 мкА), выше — открывается. Порог задаёт делитель, и формула та же, что у стабилизатора:

С разбросом V_ref и тока REF порог лежит в пределах 13,9–14,7 В. Сопротивление делителя со стороны REF — R1 ∥ R2 = 8,2 кОм, меньше 10 кОм, которые TI рекомендует для входного резистора (разд. 9.2.1.2.2.1).

Особенности TL431 в роли компаратора (разд. 9.2.1):

• Во включённом состоянии на катоде около 2 В, а не ноль. Светодиоду это не мешает — ток через него (U_контр − 2 В − U_HL)/R₃; логике 5 В тоже, а для входа 3,3 В нужен делитель или транзистор.
• Выход — открытый коллектор: в выключенном состоянии катод подтянут к питанию через нагрузку.
• Скорость зависит от тока катода. TI показывает, что при токе 0,5 мА переключение заметно медленнее, чем при 5 мА, и при токе около Imin усиление мало.
• Порог ставят с запасом больше погрешности опоры, а для быстрого срабатывания — с перевозбуждением больше 10 % от V_ref.
• Гистерезиса нет. Когда напряжение медленно проходит порог, светодиод разгорается плавно; если выход идёт на логику, добавляют гистерезис — см. гистерезис и компаратор.

TI в рис. 9-12 собирает из двух TL431 оконный индикатор: светодиод горит, когда напряжение между нижним и верхним порогами.

Детали

Почему не работает

• Выход «плавает» при малой нагрузке или низком входе. Через TL431 течёт меньше 1 мА — уменьшите Rб, считая по верхней границе выхода и допуску резистора.
• Выход выше расчётного на десятки милливольт. Высокоомный делитель: ток REF создаёт падение на R1. Уменьшите R1 и R2.
• TL431 возбуждается. Конденсатор на выходе попал в опасную зону графика устойчивости — уберите его, уменьшите до долей нанофарады или добавьте последовательный резистор по графикам SLVA482A.
• TL431 перегревается без нагрузки. Весь ток балластного резистора идёт через TL431 при максимальном входе; пересчитайте ток и мощность по худшему случаю.
• Компаратор не опускает выход ниже 2 В. Это свойство TL431: для логики 3,3 В нужен делитель или транзистор.
• Напряжение не устанавливается выше 36 В. Это предел рабочего напряжения катода; предельно допустимое — 37 В.