TL431三端取樣集成電路在可調(diào)直流電源中的應(yīng)用
TL431是一個(gè)具有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)精密電壓基準(zhǔn)IC,也稱為電壓調(diào)節(jié)器或三端取樣集成電路,它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置到從Vref(2.5V)到36V范圍內(nèi)的任何值,該器件的典型動(dòng)態(tài)阻抗為0.2Ω,因其性能好、價(jià)格低,因此廣泛應(yīng)用在各種電源電路中。例如,數(shù)字電壓表,運(yùn)放電路、可調(diào)直流穩(wěn)壓電源,開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)電源,充電機(jī)等等。
一、 原理及參數(shù)
TL431其封裝形式與塑封三極管9013等相同,如圖1a所示,同類產(chǎn)品還有圖1b所示的雙列直插外形的。它有3個(gè)引腳分別為:陰極(CATHODE)、陽(yáng)極(ANODE)和參考端(REF)。分別簡(jiǎn)記為C、A、R,在電路中的符號(hào)如圖1(c)所示。圖2為功能模塊示意圖。由圖可以看到,Vref是一個(gè)內(nèi)部為2.5V基準(zhǔn)源,接在運(yùn)放的反相輸入端。由運(yùn)放的特性可知,只有當(dāng)REF端(同相端)的電壓非常接近Vref(2.5V)時(shí),三極管中才會(huì)有一個(gè)穩(wěn)定的非飽和電流通過(guò),而且隨著REF端電壓的微小變化,通過(guò)三極管的電流將從1到150mA變化(該圖絕不是TL431的實(shí)際內(nèi)部結(jié)構(gòu),只是用來(lái)分析功能)。
在圖3所示的電路中,當(dāng)R1和R2的阻值確定時(shí),兩者對(duì)V0的分壓引入反饋,若V0增大,反饋量增大,TL431的分流也就增加,從而又導(dǎo)致V0下降。顯見(jiàn),這個(gè)深度的負(fù)反饋電路必然在REF端的電壓等于基準(zhǔn)電壓處穩(wěn)定,此時(shí)V0=(1+R1/R2)Vref。選擇不同的R1和R2的值可以得到從2.5V到36V范圍內(nèi)的任意電壓輸出,特別地,當(dāng)R1=R2時(shí),V0=5V。需要注意的是,在選擇電阻時(shí)必須保證TL431工作的必要條件,就是通過(guò)陰極的電流要大于1 mA 。
TL431的主要參數(shù)為:
1.最大輸入電壓為37V。
2.最大工作電流150mA。
3.內(nèi)基準(zhǔn)電壓為2.5V(實(shí)際典型值為2.495V,最大值為2.520V,最小值為2.470V,一般計(jì)算取2.5V)。
4.輸出電壓范圍為2.5—36V。
5.使用溫度范圍為0—70℃(另有寬溫度范圍的一類為-40—85℃)。
二、性能測(cè)試
按圖4所示電路進(jìn)行連接,分為輸入電壓發(fā)生變化、負(fù)載電阻發(fā)生變化、確定穩(wěn)壓值的分壓電阻發(fā)生變化等三種情況,對(duì)TL431的性能指標(biāo)測(cè)試如下:
由表一數(shù)據(jù)可見(jiàn):輸入電壓發(fā)生變化,只要在IC陰極電流不小于0.6mA的情況下,對(duì)輸出電壓無(wú)明顯影響,即V0幾乎不變。由表二數(shù)據(jù)可見(jiàn):負(fù)載電阻發(fā)生變化,只要在IC陰極電流不小于0.6mA的情況下,對(duì)輸出電壓無(wú)明顯影響。由表三數(shù)據(jù)可見(jiàn):確定穩(wěn)壓值的分壓電阻同時(shí)發(fā)生變化,但R1阻值在幾十KΩ以下時(shí),對(duì)輸出電壓無(wú)明顯影響。
綜合以上測(cè)試分析,可得如下結(jié)論:
1、TL431的動(dòng)態(tài)穩(wěn)壓效果很好,穩(wěn)壓精度特別高。輸入電壓Vi、負(fù)載電阻RL在一定范圍內(nèi)變化,對(duì)輸出電壓無(wú)明顯影響。
2、在設(shè)計(jì)電路時(shí)必須保證TL431工作的必要條件,就是通過(guò)陰極的電流要大于0.6mA,通常取大于1mA。
3、確定穩(wěn)壓值的分壓電阻取值不能太大,可取幾百Ω—幾十KΩ,一般取幾KΩ—十幾KΩ為好。
對(duì)于第3點(diǎn),原因是穩(wěn)壓值的精確計(jì)算公式應(yīng)為:V0=(1+R1/R2)Vref+ R1·Iref,Iref是參考端(REF)的輸入電流,在0.8—1.5 uA 間,當(dāng)R1的值不太大時(shí),R1·Iref 的值極小,可忽略不記,簡(jiǎn)化為平常使用的公式:V0=(1+R1/R2)Vref。但當(dāng)R1很大時(shí),R1·Iref的值已不可忽略,公式V0=(1+R1/R2)Vref即不適用了。


三、應(yīng)用及質(zhì)量判斷
1、恒壓電路應(yīng)用
前面提到TL431的內(nèi)部含有一個(gè)2.5V的基準(zhǔn)電壓,所以當(dāng)在REF端引入輸出反饋時(shí),器件可以通過(guò)從陰極到陽(yáng)極很寬范圍的分流,控制輸出電壓穩(wěn)定不變。如圖3所示的電路,當(dāng)R1和R2的阻值確定時(shí),此時(shí)V0=2.5(1+R1/R2)V。選擇不同的R1和R2的值可以得到從2.5V到36V范圍內(nèi)的任意電壓輸出,特別地,當(dāng)R1=R2時(shí),V0=5V。當(dāng)然,這個(gè)電路并不太實(shí)用,但它很清晰地展示了該器件的工作原理在應(yīng)用中的方法。將這個(gè)電路稍加改動(dòng),就可以得到很多實(shí)用的電源電路。如圖5就是一個(gè)用TL431為核心部件的實(shí)用的可調(diào)三端穩(wěn)壓電源,它是利用TL431精密穩(wěn)壓源和大功率高反壓達(dá)林頓三極管D768擴(kuò)流組合而成。D768的電流為5A,功率為50W,正向最小工作電壓為1.5V。在輸入電壓為5V~33V時(shí),輸出電壓為2V~30V連續(xù)可調(diào)。在使用時(shí)應(yīng)根據(jù)功率大小為D768配備散熱片。
2、恒流電路應(yīng)用
由前面的分析可見(jiàn),器件作為分流反饋后,REF端的電壓始終穩(wěn)定在2.5V,那么當(dāng)接在REF端和地之間的電阻一定時(shí),流過(guò)它的電流就應(yīng)該是恒定的。利用這個(gè)特點(diǎn),可以將TL431應(yīng)用很多恒流電路中。如圖6就是一個(gè)實(shí)用的精密恒流源電路,原理很簡(jiǎn)單,不再贅述。但值得注意的是,TL431的溫度系數(shù)為30ppm/℃,所以輸出恒流的溫度特性要比普通鏡像恒流源或恒流二極管好得多,因而在應(yīng)用中無(wú)需附加溫度補(bǔ)償電路。圖7是一個(gè)用該器件為傳感器電橋提供恒定偏流的電路,這是一個(gè)已連成橋路的傳感器的前級(jí)處理電路。Vref/R2的值應(yīng)設(shè)為電橋工作所必要的恒定電流,該電流值通常會(huì)由傳感器制造商提供。流經(jīng)TL431陰極的電流由R1和電源電壓Vin決定。
3、可控分流特性的應(yīng)用
根據(jù)圖2的功能模塊圖,當(dāng)REF端的電壓有微小變化時(shí),從陰極到陽(yáng)極的分流將隨之在1~150mA內(nèi)變化。利用這種可控分流的特性,可以用小的電壓變化控制繼電器、指示燈等,如圖8就是一個(gè)用電壓幅度為5V的數(shù)字信號(hào)控制12V繼電器工作的電路。如圖9就是可以直接驅(qū)動(dòng)音頻電流負(fù)載的一個(gè)簡(jiǎn)單電路—400mW單聲道功率放大電路。
4、電極判斷及質(zhì)量檢測(cè)
TL431質(zhì)量好壞及電極判斷,可用萬(wàn)用表測(cè)量任意兩極之間電阻值。下表即是用500型萬(wàn)用表R×1kΩ檔測(cè)試的各極之間的阻值,“-”號(hào)代表黑表筆,“+”號(hào)代表紅表筆。
TL431各極之間的阻值如下頁(yè)表四所示

各廠家生產(chǎn)的精密電壓基準(zhǔn)IC性能參數(shù)基本相同,損壞后,如無(wú)相同型號(hào)的進(jìn)行更換,可用KA431、μA431、LM431、YL431、S431、TA76431S、μPC10931J、SD431等直接代換。
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