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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    點擊數:    更新時間:2023/3/6

      TL431是一個三端可調分流并聯穩壓器,提供良好的溫度穩定性。典型的動態輸出阻抗為0.2Ω,陰極電流調節范圍為1-100mA,可以實現2.5V-36V可調的穩壓值?捎米鞑⒙摲壓器,串聯穩壓器、開關調整控制電路、參考電壓等,應用廣泛。

      盡管如此,但我發現一些對于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系列基準穩壓源的符號多如圖1所示,看起來像穩壓二極管,但別穩壓二極管的符號多了一個參考端R。

      根據不同的生產廠商有不同的封裝形式,具體可參考各個廠商TL431數據手冊。

      2.功能框圖

       

      圖3.功能框圖

      如圖3所示,為TL431的內部功能框圖,但并不是其真正的內部構造,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,則三極管集電結和發射結導通,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,則三極管集電結和發射結均反偏,三極管截止,并聯二極管也截止,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還是飽和狀態呢?

      后面測試說明三極管處在飽和區。

         

      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。

      2.2.5V穩壓電路測試

       

      圖5.2.5V穩壓電路測試圖

      (1)測試電路

      如圖5所示,在輸入端接一可調電壓源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,如此循環往復,由于導通截止是一個較快的過程,使得VKA最終穩定在2.5V。

      (3)測試結果

      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,保證調節Vin使得5.7V<Vin<272.5V即可。

      3.可調穩壓電路測試

       

      圖6.可調穩壓電路測試圖

      (1)測試電路

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

      (2)電路分析

      上電后,TL431還未導通之前,IREF=0,根據串聯分壓原理,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,如此循環往復。因此參考端的電壓始終動態穩壓在2.5V。

      那么如何分析輸出端VKA的電壓呢?

      根據之前的功能框圖,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“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)測試結果

      當R1=10K,R2=10K時,輸出電壓VKA=5.094V,調節電源電壓Vin的值,輸出穩壓值保持不變,始終為5.094V。

      調節R2,減小R2的阻值,VKA增大,且調節電源電壓Vin的值,輸出穩壓值保持不變,符合上述分析。

      總結

      基于上述三個測試電路分析了TL431的工作原理,TL431可實現開關控制、2.5V-36V穩壓輸出,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基準穩壓源在開關電源電路中的應用。

      Tags:TL431,工作原理  
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