TL431 | |
---|---|
Analoginen integroitu piiri | |
Ulkonäkö, juotettu piirilevylle | |
Symboli ja toiminnallinen lohkokaavio | |
Tyyppi | Tarkkuus rinnakkaisjännitesäädin |
Kehityksen vuosi | 1977 |
Kehittäjä | Texas Instruments |
TL431 on 3-napainen säädettävä rinnakkaisjännitesäätimen integroitu piiri (IC) , jolla on parannettu lämpötilan stabiilisuus. Ulkoisella jakajalla TL431 pystyy stabiloimaan jännitteet välillä 2,5 - 36 V virroilla 100 mA asti . Referenssijännitteen todellisen arvon tyypillinen poikkeama passiarvosta mitataan mV yksiköissä, suurin sallittu poikkeama on useita kymmeniä mV . Mikropiiri soveltuu hyvin suuritehoisten transistorien ohjaamiseen ; sen käyttö yhdessä pienjännitteisten MIS-transistoreiden kanssa mahdollistaa taloudellisten lineaaristen stabilaattoreiden luomisen erityisen pienellä jännitehäviöllä . Kytkentäjännitemuuntajien piireissä TL431 on de facto teollisuusstandardi stabilaattoreiden virhevahvistimelle, jossa tulo- ja lähtöpiirit on erotettu optoerottimella .
TL431 ilmestyi ensimmäisen kerran Texas Instrumentsin luetteloihin vuonna 1977 [1] [2] . 2000-luvulla monet valmistajat tuottavat TL431:tä ja sen toiminnallisia vastineita eri versioina (TL432, ATL431, KA431, LM431, TS431, 142EN19 ja muut), jotka eroavat toisistaan kidetopologioiden , tarkkuus- ja taajuusominaisuuksien, vähimmäiskäyttövirtojen ja turvallisen käytön suhteen. alueet .
TL431 - kolminapainen kynnyselementti, joka on rakennettu bipolaarisille transistoreille , - eräänlainen ideaalitransistorin analogi, jonka kytkentäkynnys on ≈2,5 V. TL431:n "kanta", "kollektori" ja "emitteri" kutsutaan perinteisesti ohjaustuloksi (R), katodiks (C) ja anodiksi (A). Ohjaustulon ja anodin väliin syötetään positiivinen ohjausjännite U ref ja lähtösignaali on katodi-anodin virta I KA [5] .
Toiminnallisesti TL431 sisältää abstraktion tasolla referenssijännitelähteen ≈2,5 V ja operaatiovahvistimen , joka vertaa jännitettä ohjaustulossa U ref referenssiin [6] . Fyysisesti molemmat toiminnot on integroitu tiiviisti, erottamattomasti TL431:n syöttöasteisiin. Virtuaalista ≈2,5 V :n referenssitasoa ei synny missään kohdassa piirissä: todellinen vertailujännitteen lähde on Widlar -kaistaväli transistoreissa T3, T4 ja T5, joka tuottaa ≈1,2 V jännitteen ja on optimoitu toimintaan. yhdessä emitteriseuraajien T1 ja T6 kanssa [7] . Differentiaalivahvistin muodostuu kahdesta vastakkaisesta virtalähteestä transistoreissa T8 ja T9: positiivinen ero kollektorivirtojen T8 ja T9 välillä, haarautuen kantaan T10, ohjaa lähtöastetta [3] . TL431:n lähtöaste, joka ohjaa suoraan kuormitusvirtaa, on avoimen kollektorin npn Darlington-transistori , joka on suojattu flyback-diodilla . Ei ole suojaa ylikuumenemiselta tai ylivirralta [3] [8] .
Jos U ref ei ylitä kytkentärajaa, pääteaste on suljettu ja sitä ohjaavat portaat kuluttavat levossa tyypillisesti 100 ... 200 μA virran . Kun U ref lähestyy kytkentärajaa, ohjausportaiden kuluttama virta saavuttaa luokkaa 300 ... 500 μA , kun taas pääteaste pysyy kiinni. Kynnyksen ylittymisen jälkeen pääteaste avautuu tasaisesti, I KA kasvaa jyrkkyydellä noin 30 mA/V [9] . Kun U ref ylittää kynnyksen noin 3 mV ja I KA saavuttaa noin 500...600 µA , kaltevuus kasvaa äkillisesti noin 1 A/V:iin [9] . Kun nimellisjyrkkyys on saavutettu, jonka tyypillinen arvo on 1 ... 1,4 A / V , piiri siirtyy stabilointitilaan [9] , jossa se käyttäytyy kuin klassinen differentiaalinen jännite-virta-muunnin [10] .Virran kasvu pysähtyy, kun ohjausjännite stabiloituu katodin ja ohjaustulon väliin kytketyn negatiivisen takaisinkytkentäsilmukan vaikutuksesta [4] [11] . Samanaikaisesti määritettyä arvoa U ref ≈2,5 V kutsutaan referenssiksi (U REF ) [11] . Harvemmassa reletilassa (vertailutilassa) ei ole takaisinkytkentäsilmukkaa, ja katodivirtaa rajoittavat vain virtalähteen ja kuorman ominaisuudet [8] .
TL431:n stabilisaattorit on suunniteltu siten, että mikropiiri toimii aina aktiivisessa tilassa korkealla transkonduktanssilla; tätä varten I KA ei saa laskea alle 1 mA [5] [4] [12] . Ohjaussilmukan vakauden kannalta voi olla suositeltavaa nostaa minimivirtaa vieläkin, jopa 5 mA [13] , mutta käytännössä tämä on ristiriidassa stabilisaattorin tehokkuusvaatimusten kanssa [4] . Ohjaustulon I ref sisäänvirtaava virta kaikissa moodeissa on suunnilleen vakio, sen tyypillinen arvo on 2 μA . Valmistaja suosittelee TL431-tulopiirin suunnittelua siten, että I ref on vähintään 4 µA ; "riippuvalla" ohjaustulolla varustetun mikropiirin käyttö ei ole sallittua [14] [8] . Jonkin lähdön aukko tai oikosulku maadoitukseen sekä minkä tahansa kahden lähdön oikosulku eivät voi tuhota TL431:tä, mutta tekevät laitteesta kokonaisuudessaan käyttökelvottoman [15] .
Referenssijännitteen U REF = 2,495 V nimellisarvon valmistaja määrittää ja testaa 10 mA katodivirralla , ohjaustulo on suljettu katodilta ja ympäristön lämpötila +25 °C [14] [17] . Kytkentäkynnystä (siirtokäyrän piste B) ja kynnysarvoa suuren kaltevuuden tilaan vaihtamiselle (piste C) ei ole standardoitu [9] . Todellinen vertailujännite, jonka TL431:n tietty esiintymä asettaa tietyssä piirissä, voi olla joko suurempi tai pienempi kuin tyyppikilven jännite, riippuen neljästä tekijästä:
TL431: n amplitudi-taajuusominaisuus (AFC), joka on kompensoitu lähtöasteen sisäänrakennetulla Millerin kapasitanssilla [8] , kuvataan ensimmäisessä approksimaatiossa ensimmäisen asteen alipäästösuodinyhtälöllä ; Yksinkertaisin taajuusriippuvainen piirimalli koostuu ihanteellisesta jännite-virta-muuntimesta, jonka lähtö on shuntoitu kapasitanssilla 70 nF [19] . Käytettäessä tyypillisellä resistiivisellä kuormalla, jonka resistanssi on 230 ohmia , standardin TL431:n taajuusvaste alkaa noin 10 kHz :stä [19] , ja laskettu yksikkövahvistustaajuus, joka ei riipu kuormitusresistanssista, on noin 2 MHz . [20] . Toisen kertaluvun ilmiöistä johtuen taajuusvaste suurtaajuusalueella putoaa nopeammin kuin malli ennustaa, joten todellinen yksikkövahvistustaajuus on vain 1 MHz ; käytännössä tällä erolla ei ole merkitystä [20] .
Nousu- ja laskunopeudet I KA , U KA ja asettumisaika U REF eivät ole standardoituja. Texas Instrumentsin mukaan kun virta kytketään päälle, U KA nousee nopeasti ≈2 V :iin ja pysähtyy väliaikaisesti noin 1 µs :ksi tälle tasolle. Sitten, noin 0,5 ... 1 μs :n ajan, sisäänrakennettu kapasitanssi ladataan ja katodille muodostetaan vakio stabiloitu U KA [21] .
TL431:n anodin ja katodin ohitus kapasitanssilla voi johtaa itseherätykseen [22] . Pienellä (enintään 1 nF ) ja suurella (yli 10 uF ) kapasiteetilla TL431 on vakaa; alueella 1 nF ... 10 μF , itseherätys on todennäköistä [23] [24] . Epästabiilisuusalueen leveys riippuu IKA :n ja UKA :n yhdistelmästä . Pahin vakauden kannalta on pienten virtojen ja pienten jännitteiden yhdistelmä; päinvastoin suurilla virroilla ja jännitteillä, kun mikropiirin hajoama teho lähestyy raja-arvoa, TL431 muuttuu ehdottoman vakaaksi [24] . Kuitenkin myös suhteellisen korkeajännitteinen stabilisaattori voi virittyä itsestään päälle kytkettynä, kun katodin jännite ei ole vielä noussut standarditasolle [23] .
Teknisessä dokumentaatiossa julkaistut stabiilisuuden reunaehtojen kaaviot [14] ovat Texas Instrumentsin itsensä mukaan kohtuuttoman optimistisia [24] . Ne kuvaavat "tyypillistä" mikropiiriä, jossa on nollavaihevara , kun taas käytännössä tulisi keskittyä vähintään 30 °:n vaihemarginaaliin [ 24] . Itseherätyksen estämiseksi riittää yleensä, että TL431-anodin ja kuormakapasitanssin väliin sisällytetään 1 ... 1000 ohmin "soitonesto" ; sen minimiarvo määräytyy kuormakapasitanssin I KA ja U KA yhdistelmällä [25] .
Yksinkertaisimmassa rinnakkaisjännitesäädinpiirissä TL431-ohjaustulo on kytketty katodiin, joka muuttaa mikropiirin Zener-diodin toiminnalliseksi analogiksi kiinteällä referenssijännitteellä ≈2,5 V. Tällaisen "zener-diodin" tyypillinen sisäinen vastus taajuuksilla 100 kHz asti on noin 0,2 Ω ; taajuusalueella 100 kHz...10 MHz se kasvaa monotonisesti noin 10 ohmiin asti [26] . Suurten jännitteiden stabiloimiseksi TL431-ohjaustulo on kytketty katodin ja anodin väliin kytkettyyn resistiiviseen jakajaan R2R1. Stabiloitu anodi-katodi jännite ja tällaisen "zener-diodin" sisäinen resistanssi kasvavat kertoimella [27] . Suurin sallittu stabilointijännite ei saa ylittää +36 V , suurin sallittu jännite katodilla on rajoitettu +37 V :iin [28] . Aluksi tämä TL431:n sisällyttäminen oli tärkein: mikropiiri sijoitettiin markkinoille taloudelliseksi vaihtoehdoksi kalliille tarkkuuszener-diodeille [29] .
Rinnakkaissäädinpiirin lisääminen takaisinkytkentäpiiriin sisältyvällä emitteriseuraajalla muuttaa sen sarjasäätimeksi. Perinteiset tai komposiittirakenteiset npn-rakennetransistorit, joita käytetään läpivientiventtiileinä, toimivat vain riittävän suurella jännitehäviöllä tulon ja lähdön välillä, mikä heikentää stabilisaattorin tehokkuutta [30] . Pnp- rakenteen päästötransistorit kyllästystilassa toimivat kollektori-emitterijännitteillä ≈0,25 V asti , mutta vaativat samalla korkeita ohjausvirtoja, mikä pakottaa käyttämään komposiittitransistoreja, joiden jännitehäviö on vähintään 1 V ja korkeampi [30] . Pienin jännitehäviö saavutetaan käytettäessä tehokkaita MIS-transistoreja [30] . Lähdeseuraajilla varustetut stabilisaattorit ovat piiriteknisesti yksinkertaisia, vakaita, taloudellisia, mutta vaativat lisävirtalähteen MIS-transistorien porteille (ΔU kuvassa) [30] .
Optoerotin- LED :llä ladattu TL431 on tosiasiallisesti alan standardivirhevahvistin kuluttajien kytkentäjännitemuuntimissa [10] [12] [11] . Lisäksi tuotetaan yhdistettyjä mikropiirejä, jotka ovat transistori optoerotin ja TL431:n kaltainen kide, yhdessä paketissa [35] . Jännitteenjakaja R1R2, joka asettaa jännitteen TL431:n ohjaustuloon, ja LEDin katodi on kytketty muuntimen lähtöön ja optoerottimen fototransistori on kytketty sen PWM- ohjaimen ohjaustuloon. ensiöpiiri. Sen varmistamiseksi, että TL431-katodin minimivirta ei putoa alle 1 mA :n, optoerottimen LED on shuntattu 1 kOhm luokkaa olevalla vastuksella R3 [4] [36] . Esimerkiksi tyypillisessä kannettavan tietokoneen kytkentävirtalähteessä IKA on vuoden 2012 mukaan keskimäärin 1,5 mA , josta 0,5 mA virtaa LEDin läpi ja 1 mA shuntin läpi [4] .
Tehokkaiden mutta stabiilien taajuuskompensointipiirien suunnittelu tällaisille säätimille ei ole helppo tehtävä [37] . Yksinkertaisimmassa konfiguraatiossa kompensointi osoitetaan integrointipiirille C1R4 [37] . Tämän piirin, muuntimen lähtötasoitussuodattimen ja itse mikropiirin lisäksi piiri sisältää implisiittisesti toisen taajuudesta riippuvan linkin, jonka katkaisutaajuus on noin 10 kHz - fototransistorin lähtökapasitanssi yhdessä sen vastuksen kanssa. keräimen kuorma [38] . Samanaikaisesti kaksi takaisinkytkentäsilmukkaa suljetaan samanaikaisesti mikropiirin kautta: pää, hidas silmukka suljetaan jakajan kautta ohjaustuloon TL431; toissijainen, nopea ( eng. fast lane ) sulkeutuu LEDin kautta katodille TL431 [39] . Pikasilmukka voidaan katkaista esimerkiksi kiinnittämällä LED-katodin jännite zener-diodilla [40] tai kytkemällä LED-katodi erilliseen suodattimeen [41] .
Yksinkertaisin TL431- vertailupiiri vaatii yhden vastuksen rajoittamaan katodivirran suositeltuun 5 mA :iin [42] . Pienemmät arvot ovat mahdollisia, mutta ei-toivottuja johtuen viiveestä siirtymisessä avoimesta (looginen nolla) suljettuun (looginen yksi) tilaan [42] . Kytkentäaika suljetusta tilasta avoimeen riippuu ylimääräisestä U ref :stä kytkentäkynnyksen yli: mitä suurempi ylitys, sitä nopeammin vertailija toimii. Optimaalinen kytkentänopeus saavutetaan kymmenen prosentin ylityksellä, kun taas signaalilähteen lähtöimpedanssi ei saa ylittää 10 kOhm [42] . Täysin avoimessa tilassa U KA putoaa 2 V :iin , mikä on yhdenmukainen TTL- ja CMOS -tasojen kanssa 5 V :n tai korkeammilla syöttöjännitteillä [43] . Yhdistääksesi TL431:n pienjännitteisen CMOS-logiikkaan, sinun on käytettävä ulkoista jännitteenjakajaa [43] tai korvattava TL431 analogisella sirulla, jolla on matalampi kytkentäkynnys, kuten TLV431 [44] .
TL431 :n komparaattorit ja logiikkainvertterit on helppo liittää toisiinsa tikapuulogiikan periaatteiden mukaisesti . Esimerkiksi yllä olevassa jännitteenvalvontapiirissä lähtöaste avautuu ja lähtösignaali saa loogisen nolla-arvon, jos ja vain jos tulojännite U BX osuu väliin.
Järjestelmä on toimiva, jos ehto täyttyy riittävällä marginaalilla [45] .
Radioamatöörilehdistössä TL431: n matalataajuisten jännitevahvistimien suunnitelmat julkaistiin toistuvasti - pääsääntöisesti epäonnistuneita [46] . Pyrkiessään tukahduttamaan mikropiirin epälineaarisuutta suunnittelijat lisäsivät takaisinkytkentäsyvyyttä ja pienensivät siten vahvistuksen kohtuuttoman alhaisiin arvoihin [46] . Myös TL431:n vahvistimien toiminnan stabilointi osoittautui vaikeaksi tehtäväksi [46] .
TL431:n taipumusta itsekiihtymiseen voidaan käyttää jänniteohjatun oskillaattorin rakentamiseen taajuuksille muutamasta kHz:stä 1,5 MHz :iin [47] . Tällaisen generaattorin taajuusalue ja taajuuden ohjausjännitteestä riippuvuuden luonne riippuvat voimakkaasti käytetystä TL431-sarjasta: eri valmistajien samannimiset mikropiirit eivät ole keskenään vaihdettavissa tässä dokumentoimattomassa tilassa [47] . TL431-paria voidaan käyttää myös vakaassa multivibraattoripiirissä taajuuksille Hz:n murto-osista noin 50 kHz :iin [48] . Tässä piirissä TL431 toimii myös dokumentoimattomassa tilassa: ajoituskapasitanssien latausvirrat kulkevat ohjaustuloja suojaavien diodien kautta (piirikaaviossa T2) [48] .
Eri valmistajien mikropiirit, jotka on valmistettu nimellä TL431 tai sitä lähellä olevilla nimillä (KA431, TS431 jne.), voivat poiketa merkittävästi alkuperäisestä Texas Instrumentsin valmistamasta TL431:stä. Joskus erot paljastuvat vain empiirisesti, kun IP testataan dokumentoimattomissa tiloissa [47] ; joskus ne on nimenomaisesti ilmoitettu valmistajan asiakirjoissa. Siten Vishayn valmistamassa TL431: ssä on epänormaalin korkea, noin 75 dB , jännitevahvistus matalilla taajuuksilla [19] . Tämän IC:n vahvistuksen lasku alkaa noin 100 Hz :stä [19] . Yli 10 kHz :n taajuusalueella TL431 Vishayn taajuusvaste lähestyy standardia; yksikkövahvistustaajuus, noin 1 MHz , on sama kuin standardi [19] . SG6105 PWM -ohjainpiiri sisältää kaksi riippumatonta stabilaattoria, jotka on ilmoitettu täsmällisiksi analogeiksi TL431:lle, mutta niiden suurimmat sallitut I KA ja U KA ovat vain 16 V ja 30 mA ; valmistaja ei ole testannut näiden stabilointilaitteiden tarkkuusominaisuuksia [49] .
TL430-mikropiiri on TL431:n historiallinen toiminnallinen analogi, jonka vertailujännite on 2,75 V ja suurin sallittu katodivirta 150 mA , Texas Instrumentsin valmistama vain läpimenevässä pakkauksessa [50] . Sisäänrakennettu TL430 bandgap, toisin kuin samanaikaisesti vapautettu TL431, ei ollut lämpötilakompensoitua ja se oli vähemmän tarkka; TL430:n lähtöasteessa ei ollut suojadiodia [51] . 2000-luvulla valmistettu TL432-siru on perinteinen TL431 -kite, joka on pakattu pinta- asennuspakkauksiin , joissa on ei-standardi pinout [52] .
Vuonna 2015 Texas Instruments ilmoitti julkaisevansa ATL431:n, TL431:n toiminnallisen analogin, joka on optimoitu toimimaan taloudellisissa kytkentäsäätimissä [53] . Suositeltu vähimmäiskatodivirta ATL431 on vain 35 μA verrattuna 1 mA :een standardissa TL431:ssä samoilla katodivirran ( 100 mA ) ja anodi-katodijännitteen ( 36 V ) rajoilla [54] . Yksikkövahvistustaajuus siirretään alas 250 kHz :iin suurtaajuisen kohinan vahvistuksen vaimentamiseksi [54] . Stabiilisuuden rajaehtojen kaavioilla on myös täysin erilainen ulkoasu: pienillä virroilla ja 15 V:n anodi-katodijännitteellä piiri on ehdottoman vakaa kaikilla kuormakapasitanssin arvoilla - edellyttäen, että käytetään korkealaatuisia matalan induktanssin kondensaattoreita [55] [56] . "Soitonestovastuksen" suositeltu vähimmäisresistanssi on 250 ohmia verrattuna 1 ohmiin standardissa TL431 [57] .
TL431-mikropiirien lisäksi vuodesta 2015 lähtien vain kaksi integroitua rinnakkaisstabilisaattoripiiriä oli laajalti käytössä, joilla on olennaisesti erilaiset piirit, vertailutasot ja suorituskykyrajat [58] :
LMV431:n ja NCP100:n laitepiirit ovat samanlaisia kuin TL431:n laitepiirit [58] .