Słynne układy: TL431

Istnieje wiele słynnych, a nawet kultowych i przełomowych, a przy tym prostych konstrukcji układów scalonych, które w jakimś stopniu przerosły oczekiwania twórców, stały się popularne i jakoś wywarły wpływ na rozwój elektroniki. A ponadto pomimo upływu wielu lat nadal są często stosowane w wielu profesjonalnych i amatorskich projektach. Obok najbardziej znanego timera 555 i op-ampa 741, można w szeregu dołożyć układ TL431.

Do napisanie kilka słów o tym układzie zmusił mnie dziwny zbieg okoliczności, gdy na początku roku, z kilku różnych stron, dochodziły do mnie informacje o tym układzie. Pierwszych źródłem było EdW 01/2016, gdzie rozwiązanie “Jak to działa?” zadania z układem wykorzystującym TL431 bardzo dokładnie opisywało pewne aspekty tego układu. Szczególnie w roli wzmacniacza i wpływu poszczególnych parametrów oraz charakterystyk na takie nietypowe wykorzystanie. Na przestrzeni kilku następnych dni trafiłem na Hackaday-u na wpis o tym układzie w roli regulatora w ładowarce baterii - Ode to the TL431, and a LiFePO4 Battery Charger. Do tego Reduktor Szumu na swoim kanale elektronicznym opublikował filmik właśnie o tym układzie - TL431 [RS Elektronika] #55. To chyba nie może być przypadek?

Charakterystyka układu

Układ TL431 jest programowalnym precyzyjnym źródłem referencyjnym, choć to tylko jedna z jego nazwy - różni producencie tego układu różnie go nazywają, a to z powodu możliwości wykorzystywania układu w różnych rolach. Mimo to najbardziej popularne określnie układu to “programowalna dioda Zenera”, gdyż w istocie układ zachowuje się jak regulowana Zenerka. Powstał w 1978 roku i nadal jest szeroko używany, szczególnie w roli stabilnego źródła odniesienia lub elementu regulacyjnego w konstrukcjach zasilaczy liniowych, choć głównie impulsowych. Jest to zasługa dobrych parametrów i przystępnej ceny.

Nazwa określająca układ jako programowalną diodę Zenera być może, poza działaniem, wzięła się również z używanego przez układ symbolu, bardzo zbliżonego do symbolu diody Zenera.

Często układ przedstawiany jest jako komparator lub specyficzny tranzystor o napięciu UBE=2,5V i napięciu nasycenia w okolicach 2V. Tranzystor otwiera się gdy napięcie między końcówkami A i Ref jest większe niż 2,5V, wtedy płynie prąd z katody do anody (prąd kolektorowy) i tranzystor przewodzi. Gdy napięcie złącza BE (A-Ref) jest niższe od progowego, tranzystor jest zatkany i nie przewodzi. Wzmocnienie takiego tranzystora jest bardzo duże. Przedstawienie elementu w roli takiego tranzystora ułatwia czasami zrozumienie działania układu.

W istocie nie jest to żadna dioda, ani tranzystor, lecz układ scalony o rozbudowanej (jak na wspomniane elementy symboliczne) budowie wewnętrznej, co wyraźnie widać na schemacie blokowym/zastępczym. Zawiera w swojej obudowie kompensowane temperaturowo źródło napięcia odniesienia o wartości 2,495V oraz wzmacniacz błędu i element regulacyjny w postaci tranzystora. Źródło jest bardzo stabilne, ma mały dryft temperaturowy, typowo około 3-7mV, zależnie od typu i producenta. Prąd wejścia Ref wynosi około 1-5µA. Maksymalne napięcie katodowe to aż 36V, a minimalny prąd katody zalecany w okolicach 1mA (typowo nawet połowę niższy).

Typowe aplikacje

Z takimi parametrami, można w łatwy sposób zbudować programowalną diodę Zenera na napięcie 2,5-36V. Jest to typowa aplikacja dla tego układu.

Dzielnik napięcia odpowiednio polaryzuje wejście referencyjne i to od jego parametrów zależy napięcie przebicia tak zbudowanej “diody Zenera”.

Podobne układy były nawet prezentowane w EP oraz EdW 5/96, w ramach mini-kitu AVT-2103. Zakres pracy “złącza” wynosi maksymalnie 100mA, zatem dla większej obciążalności można dodać tranzystory, tak jak przedstawiono we wspomnianym artykule lub dokumentacji.

Idąc dalej, łatwo wykorzystać kostkę w roli stabilizatora i zbudować prosty regulowany zasilacz, którego napięcie wyjściowe można regulować za pomocą wartości rezystorów dzielnika, lub wstawiając dodatkowy potencjometr pomiędzy nimi.

Przy połączeniu wejścia Ref z katodą układ działa w roli prostego wzmacniacza błędu, utrzymując na wyjściu napięcie referencyjne w okolicach 2,5V. W takim układzie niezbędny jest rezystor pomiędzy katodą a napięciem wejściowym, aby utrzymać wymagany przepływ 1mA przez układ.

Dodając dodatkowy dzielnik za takim układem, można zrobić źródło referencyjne w granicach 0-2,5V, ustawiając bardziej cyfrowe wartości, np. 2,048V, które można wykorzystać w roli napięcia odniesienia do ADC.

To tylko kilka propozycji najczęściej używanych konfiguracji układu. TL431 może pracować również w roli źródła prądowego, komparatora, monitora napięcia, a nawet wzmacniacza audio 0,4W(!). Kostka jest przestronnym układem, który można wykorzystać na wiele różnych sposobów, w datasheetach różnych producentów znajdziemy przeróżne aplikacje i konfiguracje układu.

Budowa wewnętrzna

Budowa wewnętrzna układu TL431 wcale nie jest taka skomplikowana, jakby mogło się wydawać, po tak szerokim spektrum zastosowań. Składa się z kilku tranzystorów, rezystorów i kondensatorów, przedstawia ją poniższy rysunek.

Miałem plan przeanalizowania i opisania wewnętrznego działania układu, ale zmieniłem zdanie, gdy trafiłem na bardzo dobre opracowanie wraz z dokładnymi technicznymi wyliczeniami, czemu akurat napięcie referencyjne wynosi 2.495 V. Autorzy, Ch. Basso i P. Kadanka w swojej publikacji “The TL431 in Switch-Mode Power Supplies loops” bardzo dobrze przedstawili meandry układu TL431.

Jak wygląda układ fizycznie w środku przedstawił Ken Shirriff w doskonałym reverse engineeringu die układu, prezentując i opisując jego wewnętrzna strukturę - Reverse-engineering the TL431: the most common chip you’ve never heard of.

…

Chyba nie potrzeba przekonywać żadnych elektroników co do słuszności tezy, o tym że TL431 jest słynnym układem na równi z innymi popularnymi kostkami. Szczególnie doceniają go twórcy i konstruktorzy różnych sprzętów zasilających. Pewne jest, że rozglądając się wokoło, w wielu takich urządzeniach, zasilaczach, ładowarkach, z dużym prawdopodobieństwem znajdziemy kostkę TL431.

Układ jest mi znany, ale za bardzo z niego nie korzystałem. Idealnie nadaje się jako tanie regulowane zewnętrzne źródło referencyjne dla różnych zastosowań, chociażby przy ADC na AVR-ach lub w ramach prostego stabilizatora w prostym zasilaczu, gdy nie ma się pod ręką żadnego liniowego stabilizatora w stylu LM317.

Posiadam małe zapasy tego układu, więc pewnie nie raz z niego skorzystam, ale raczej w jego podstawowych i popularnych konfiguracjach. Bo jakoś nie wyobrażam sobie jego użycia w roli wzmacniacza, do takich zastosowań mam zapas LM358 i LM386 ;)

A można trafić na nieprawdopodobne wykorzystania TL431, w konstrukcjach radioamatorskich, w prostym odbiorniku reakcyjnym lub wzmacniaczu dla detektorka. Już wiem, że będę musiał kiedyś tą wersję reakcyjniaka przetestować, bo to kolejna ciekawa opcja obok wersji z nietypowym użyciem LM386 czy 555 w prostej konstrukcji radioodbiorniku.

[dodano 2016-02-01 19:47]

Dziś dostałem numer lutowy EdW, a w nim w rozwiązaniu kolejnego “Jak to działa?”, zawarto niezły opis układu bliźniaka - układ TLV431, który różni się od pierwowzoru o połowe niższym napięciem odniesienia, wynoszącym typowo 1,24V.

[Użyte w notce schematy i rysunki pochodzą z EdW, dokumentacji układu lub są mojego autorstwa.]