TL431特性及應(yīng)用
TL431的簡介
德州儀器公司(TI)生產(chǎn)的TL431是一是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。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(如圖2)。該器件的典型動(dòng)態(tài)阻抗為0.2Ω,在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管,例如,數(shù)字電壓表,運(yùn)放電路、可調(diào)壓電源,開關(guān)電源等等。
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上圖是該器件的符號(hào)。3個(gè)引腳分別為:陰極(CATHODE)、陽極(ANODE)和參考端(REF)。
TL431的具體功能可以用如圖1的功能模塊示意。
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圖1
由圖可以看到,VI是一個(gè)內(nèi)部的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VI(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,而且隨著REF端電壓的微小變化,通過三極管 圖1 的電流將從1到100mA變化。當(dāng)然,該圖絕不是TL431的實(shí)際內(nèi)部結(jié)構(gòu),所以不能簡單地用這種組合來代替它。但如果在設(shè)計(jì)、分析應(yīng)用TL431的電路時(shí),這個(gè)模塊圖對(duì)開啟思路,理解電路都是很有幫助的,本文的一些分析也將基于此模塊而展開。
2. 恒壓電路應(yīng)用
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圖2
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),器件可以通過從陰極到陽極很寬范圍的分流,控制輸出電壓。如圖2所示的電路,當(dāng)R1和R2的阻值確定時(shí),兩者對(duì)Vo的分壓引入反饋,若V o增大,反饋量增大,TL431的分流也就增加,從而又導(dǎo)致Vo下降。顯見,這個(gè)深度的負(fù)反饋電路必然在VI等于基準(zhǔn)電壓處穩(wěn)定,此時(shí)Vo=(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),Vo=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,就是通過陰極的電流要大于1 mA 。
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),就可以得到在很多實(shí)用的電源電路,如圖3,4。
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圖3 大電流的分流穩(wěn)壓電路
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圖4 精密5V穩(wěn)壓器
3. 恒流電路應(yīng)用
由前面的例子我們可以看到,器件作為分流反饋后,REF端的電壓始終穩(wěn)定在2.5V,那么接在REF端和地間的電阻中流過的電流就應(yīng)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。
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圖5
如圖5是一個(gè)實(shí)用的精密恒流源電路。原理很簡單,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)用中無需附加溫度補(bǔ)償電路。
下面就介紹一個(gè)用該器件為傳感器電橋提供恒定偏流的電路,如圖6。
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圖6
這是一個(gè)已連成橋路的硅壓傳感器的前級(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Vs決定,在應(yīng)用中通常讓它等于橋路電流,但一定要注意大于1mA。
由于TL431非常易于實(shí)現(xiàn)恒壓或恒流,而且有很好的溫度穩(wěn)定性,因此很適合于儀表電路、傳感器電路等設(shè)計(jì)應(yīng)用。在此方面的應(yīng)用例子很多,設(shè)計(jì)原理并不復(fù)雜,本文不再一一介紹。
4. 可控分流特性的應(yīng)用
由第1節(jié)介紹的功能模塊圖,當(dāng)REF端的電壓有微小變化時(shí),從陰極到陽極的分流將隨之在1~100mA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,甚至可直接驅(qū)動(dòng)音頻電流負(fù)載。如圖7是此應(yīng)用的一個(gè)簡單400mW單聲道功率放大電路。
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圖7
5. 在開關(guān)電源上的應(yīng)用
在過去的普通開關(guān)電源設(shè)計(jì)中,通常采用將輸出電壓經(jīng)過誤差放大后直接反饋到輸入端的模式。這種電壓控制的模式在某些應(yīng)用中也能較好地發(fā)揮作用,但隨著技術(shù)的發(fā)展,當(dāng)今世界的電源制造業(yè)大多已采用一種有類似拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方案。此類結(jié)構(gòu)的開關(guān)電源有以下特點(diǎn):輸出經(jīng)過TL431(可控分流基準(zhǔn))反饋并將誤差放大,TL431的沉流端驅(qū)動(dòng)一個(gè)光耦的發(fā)光部分,而處在電源高壓主邊的光耦感光部分得到的反饋電壓,用來調(diào)整一個(gè)電流模式的PWM控制器的開關(guān)時(shí)間,從而得到一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓輸出。上圖是一個(gè)實(shí)用的4W開關(guān)型5V直流穩(wěn)壓電源的電路。該電路采用了此種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并同時(shí)使用了TOPSwitch技術(shù)。圖中C1、L1、C8和C9構(gòu)成EMI濾波器,BR1和C2對(duì)輸入交流電壓整流濾波,D1和D2用于消除因變壓器漏感引起的尖峰電壓,U1是一個(gè)內(nèi)置MOSFET的電流模式PWM控制器芯片,它接受反饋并控制整個(gè)電路的工作。D3、C3是次極整流濾波電路,L2和C4組成低通濾波以降低輸出紋波電壓。R2和R3是輸出取樣電阻,兩者對(duì)輸出的分壓通過TL431的REF端來控制該器件從陰極到陽極的分流。這個(gè)電流又是直接驅(qū)動(dòng)光耦U2的發(fā)光部分的。那么當(dāng)輸出電壓有變大趨勢時(shí),Vref隨之增大導(dǎo)致流過TL431的電流增大,于是光耦發(fā)光加強(qiáng),感光端得到的反饋電壓也就越大。U1在接受這個(gè)變大反饋電壓后將改變MOSFET的開關(guān)時(shí)間,輸出電壓隨改變而回落。事實(shí)上,上面講述的過程在極短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)達(dá)到平衡,平衡時(shí)Vref=2.5V,又有R2=R3,所以輸出為穩(wěn)定的5V。這里要注意的是,不再能通過簡單地改變?nèi)与娮鑂2、R3的值來改變輸出電壓,因?yàn)樵陂_關(guān)電源中每個(gè)元件的參數(shù)對(duì)整個(gè)電路工作狀態(tài)的影響都會(huì)很大。按圖中所示參數(shù)時(shí),電路可在90VAC~264VAC(50/60Hz)輸入范圍內(nèi),輸出+5V,精度優(yōu)于±3%,輸出功率為4W,最大輸出電流可達(dá)0.8A,典型變換效率為70%。