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詳解TL431的工作原理和用法

作者:佚名    文章來源:本站原創(chuàng)    點擊數(shù):    更新時間:2023/3/6

TL431是一個三端可調(diào)分流并聯(lián)穩(wěn)壓器,提供良好的溫度穩(wěn)定性。典型的動態(tài)輸出阻抗為0.2Ω,陰極電流調(diào)節(jié)范圍為1-100mA,可以實現(xiàn)2.5V-36V可調(diào)的穩(wěn)壓值。可用作并聯(lián)穩(wěn)壓器,串聯(lián)穩(wěn)壓器、開關(guān)調(diào)整控制電路、參考電壓等,應用廣泛。

盡管如此,但我發(fā)現(xiàn)一些對于TL431的講解并不能讓人一目了然,在應用的過程中還是會有很多疑惑,因此秉著分享經(jīng)驗、記錄學習的目的和大家討論一下TL431的工作原理和用法。

一、簡單描述

1.符號和封裝

  

圖1.符號 圖2.封裝形式

431系列基準穩(wěn)壓源的符號多如圖1所示,看起來像穩(wěn)壓二極管,但別穩(wěn)壓二極管的符號多了一個參考端R。

根據(jù)不同的生產(chǎn)廠商有不同的封裝形式,具體可參考各個廠商TL431數(shù)據(jù)手冊。

2.功能框圖

 

圖3.功能框圖

如圖3所示,為TL431的內(nèi)部功能框圖,但并不是其真正的內(nèi)部構(gòu)造,只是用來簡單輔助說明一下原理。假設電源正極連接陰極K端,電源負極連接陽極A端。當參考端R端電壓>2.5V時,運放輸出低電平“1”,三極管基極電壓為高,則三極管集電結(jié)和發(fā)射結(jié)導通,相當于陰極和陽極導通,會拉低K端電壓,則需要在電源正極和陰極之間接一個限流電阻;當參考端R端電壓<2.5V時,運放輸出低電平“0”,三極管基極電壓為低,則三極管集電結(jié)和發(fā)射結(jié)均反偏,三極管截止,并聯(lián)二極管也截止,此時VKA=電源電壓。

疑問:這里注意當R端電壓>2.5V電壓時,運放輸出為高電平,那此時三極管處于放大狀態(tài)還是飽和狀態(tài)呢?

后面測試說明三極管處在飽和區(qū)。

   

圖3(a).三極管導通時 圖3(b).三極管截止時

二、測試電路

1.門限輸出電壓測試

 

圖4.電壓測試電路圖

如圖4所示,在TL431的參考端接一可調(diào)電壓源,在電源輸入端和K端之間接一限流電阻和LED燈,在輸出端接一萬用表檢測輸出電壓VKA大小。

測試結(jié)果表明,當R端電壓源電壓低于2.5V時,LED燈不亮,且輸出電壓VKA較大,為17.36V左右,說明VREF<2.5V時,TL431是截止的;當R端電壓源電壓高于2.5V時,LED燈亮,且輸出電壓VKA較小,為1.9V左右,說明VREF>2.5V時,TL431是導通的,K端電壓被拉低,LED燈導通發(fā)光。并且隨著VREF(2.5-2.7V)的升高,VKA是降低的,但降低不明顯(1.945-1.8V變化),說明當VREF升高時,圖3(a)中三極管基極電流IB增大,則集電極電流IC增大了一點點,使得限流電阻上分壓也增大了一點點,則VKA的電壓被拉低了一點點,三極管處于飽和或臨界飽和狀態(tài)

2.2.5V穩(wěn)壓電路測試

 

圖5.2.5V穩(wěn)壓電路測試圖

(1)測試電路

如圖5所示,在輸入端接一可調(diào)電壓源Vin,限流電阻R為2.7K,將TL431的K端與R端接在一起,在輸出端接數(shù)顯萬用表測試VKA。

注:由于431只有拉低電壓的能力,沒有升壓能力,要做到穩(wěn)壓,電壓源Vin必須要>2.5V,這里Vin初始值為20V。

(2)電路分析

起初當VKA>2.5V時,431導通,K端和A端短接,K端電壓被拉低到VKA<2.5V,則431立馬截止,K端和A端斷開,K端電壓又升高到>2.5V,431再次導通,如此循環(huán)往復,由于導通截止是一個較快的過程,使得VKA最終穩(wěn)定在2.5V

(3)測試結(jié)果

Vin為20V時,輸出電壓VKA=2.51V,降低或增大Vin,VKA均不變,達到了穩(wěn)壓效果。

注:Vin的大小需使得IKA在1-100mA之間,即1mA<(Vin-2.5)/R<100mA,保證調(diào)節(jié)Vin使得5.7V<Vin<272.5V即可。

3.可調(diào)穩(wěn)壓電路測試

 

圖6.可調(diào)穩(wěn)壓電路測試圖

(1)測試電路

如圖6所示,在輸入端接一可調(diào)電壓源Vin(初始設置為20V),限流電阻R為2.7K,R1為10K電阻,R2為10K可調(diào)變阻器,在輸出端接數(shù)顯萬用表測試VKA。

(2)電路分析

上電后,TL431還未導通之前,IREF=0,根據(jù)串聯(lián)分壓原理,VREF=VIN/(R+R1+R2)*R2=8.81V,則VREF>2.5V,TL431導通,則VKA被拉低。VKA被拉低后,導致R1、R2上分壓降低,則VREF降低,當VREF降低到<2.5V后,TL431截止,VKA電壓又上升,R1、R2上分壓增大,VREF電壓又回升,當VREF電壓回升到>2.5V后,TL431又導通,VKA又被拉低,如此循環(huán)往復。因此參考端的電壓始終動態(tài)穩(wěn)壓在2.5V。

那么如何分析輸出端VKA的電壓呢?

根據(jù)之前的功能框圖,431參考端R端接在運放的同相輸入端,理想情況下,當運放的輸入阻抗在兆歐以上,可以根據(jù)“虛斷”原則認為運放的輸入端無電流,即IREF=0,且VREF=2.5V,因此

 

查看手冊可知,Iref最大為4uA,實際VKA便多了一項Iref*R1,mV級別(4uA*10KΩ=40mV)的電壓。

 

 

(3)測試結(jié)果

當R1=10K,R2=10K時,輸出電壓VKA=5.094V,調(diào)節(jié)電源電壓Vin的值,輸出穩(wěn)壓值保持不變,始終為5.094V。

調(diào)節(jié)R2,減小R2的阻值,VKA增大,且調(diào)節(jié)電源電壓Vin的值,輸出穩(wěn)壓值保持不變,符合上述分析。

總結(jié)

基于上述三個測試電路分析了TL431的工作原理,TL431可實現(xiàn)開關(guān)控制、2.5V-36V穩(wěn)壓輸出,實驗者可自行測試。其實在實際使用中,431系列基準穩(wěn)壓源的工作原理基本一致,比如LTL431,可作為TL431的替代,在之后的博客中,會分享431基準穩(wěn)壓源在開關(guān)電源電路中的應用。

Tags:TL431,工作原理  
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