Сегодня речь пойдёт о древней, но до сих пор широко используемой микросхеме TL431, которую иногда называют «интегральным» или «программируемым» стабилитроном. Собственно говоря, чаще всего она и используется как замена мощного стабилитрона для создания микромощных источников постоянного напряжения и тока. Ниже показано её обозначение и функциональная схема:
Как видите, схема TL431 достаточно простая и состоит из источника опорного напряжения, операционного усилителя и транзистора. Идея здесь в том, чтобы регулировать степень открытия выходного транзистора при помощи операционника (в зависимости от напряжения на неинвертирующем входе, в то время как на инвертирующий вход подключен высокостабильный источник опорного напряжения). Похожие идеи я уже описывал в статьях про применение операционных усилителей, только в данном случае всё реализовано в одном корпусе в виде интегральной микросхемы. Выпускается эта микруха в самых разных корпусах: TO-92, SOT-23, SOT-25, SOT-89 и других.
Основные характеристики:
- Опорное напряжение: 2,5 Вольта
- Максимальное входное напряжение: 36 Вольт
- Рабочий ток: 1..100 мА
Подробные характеристики можно найти в даташите, а мы переходим к сути вопроса, — как сделать на этой микросхеме стабилизатор напряжения.
Схема:
В этой схеме: Iн — ток нагрузки, Iк — ток коллектора выходного транзистора TL431, Iref — входной ток встроенного в TL431 операционника, R1, R2 — сопротивления делителя напряжения, которым задаётся выходное напряжение. R — балластный резистор, на котором гасятся излишки напряжения, Vref — опорное напряжение стабилизатора (входное напряжение микросхемы, которое внутри сравнивается со стабильным опорным напряжением).
Принцип действия: величина выходного напряжения зависит от падения напряжения на резисторе R, которое, в свою очередь, зависит от тока через этот резистор. Ток через резистор R складывается из тока нагрузки (Iн) и тока через выходной транзистор микрухи (Iк). Есть ещё ток делителя R1R2, но резисторы делителя подбираются таким образом, чтобы этим током можно было пренебречь. Если по какой-либо причине выходное напряжение увеличивается, то увеличивается и напряжение, подаваемое с делителя на вход TL431. В ответ на это микруха начинает сильнее открывать свой выходной транзистор, увеличивая ток Iк, а значит и суммарный ток через R. В результате падение напряжения на резисторе R увеличивается, а выходное напряжение — уменьшается. В случае уменьшения выходного напряжения меньше заданного всё происходит наоборот, — микруха прикрывает свой выходной транзистор, уменьшая суммарный ток через балластный резистор, а следовательно и падение напряжения на нём, в результате чего выходное напряжение увеличивается до заданного уровня.
Математически это описывается вот такой формулой: Vout=Vref*(1+R1/R2)
Пара важных замечаний, про которые никто кроме родного даташита не пишет.
1. Для того, чтобы можно было не учитывать ток делителя — нужно чтобы он был значительно меньше суммы токов Iн и Iк. В то же время, чтобы выходное напряжение делителя не зависело от входного тока микросхемы через ногу Vref — нужно, чтобы ток делителя был на пару порядков больше этого входного тока. Эти рамки определяют допустимый диапазон номиналов резисторов делителя.
Давайте попробуем эти номиналы прикинуть. Если ток нагрузки будет изменяться от нуля до максимума, то минимальный ток через резистор будет определяться минимальным током микрухи, то есть 1 мА. Максимальный входной ток Iref = 2 мкА. Найти значение, которое во столько же раз меньше, чем Iк, во сколько раз Iк меньше чем Iref можно из простого уравнения:
Iк / X = X / Iref
X = √(Iк * Iref) =√2000 = 44
Для ровного счёта возьмём значение 50 мкА. Это в 20 раз меньше минимального рабочего тока и чуть более чем в 20 раз больше входного тока микрухи. То есть, скажем, для выходного напряжения 5 Вольт сумма номиналов резисторов должна составлять порядка 100 кОм (обычно берут меньше, поскольку во-первых входной ток микрухи оказывает более сильное влияние на результат, а во-вторых минимальный рабочий ток обычно чуть больше — 4-5 мА).
2. Если вы попытаетесь запитать таким стабилизатором какой-нибудь ultra low power контроллер, то скорее всего по питанию у него будет висеть конденсатор 0,1 мкФ. Так вот, в даташите на TL431 есть график, показывающий области устойчивой работы микросхемы при различных емкостных нагрузках. И там пик неустойчивой работы приходится как раз на область в районе 0,1 мкФ. Этот график обязательно нужно учитывать, иначе микруха будет возбуждаться и ничего нормально работать не будет. Тут лучше как с классическими советсткими КРЕНками повесить на выходе два кондёра — керамику 0,01 мкФ + электролит 10 мкФ.
Ну и теперь самое интересное, — расчёты:
- Сопротивление балластного резистора R и максимальный ток нагрузи рассчитываются, исходя из следующей системы уравнений:
(1) Vin min — Vout = (Iк min + Iн max) * R
(2) Vin max — Vout = (Iк max + Iн min) * R - Уравнение для расчёта резисторов делителя:
(3) R1/R2 = Vout / 2,5 -1
Для примера, давайте посчитаем какой максимальный ток можно получить от стабилизатора на TL431 с входным напряжением 5-32 Вольта и выходным 3,3 Вольта. При этом будем считать, что минимальный ток нагрузки равен нулю. (Пример реальный, был один проект, в котором предлагалось контроллер запитать вот по такой схеме).
Для начала посчитаем резисторы делителя. Если аналогично расчётам выше считать, что ток делителя должен быть порядка 50 мкА, то получим желаемое суммарное сопротивление резисторов делителя в районе 66 кОм. При этом их соотношение, исходя из формулы 3 должно быть равно 3,3/2,5 — 1 = 0,32. Если взять R2 = 47 кОм, то для R1 получаем 15,04 кОм. То есть можно смело брать 15 и даже не проверять обратным расчётом, что там будет с точностью, настолько незначительно расчётное значение отличается от стандартного. Суммарное сопротивление при этом получается 62 кОм, что вполне нам подходит.
Теперь из формулы 2 посчитаем сопротивление R, с учётом того, что минимальный ток нагрузки у нас ноль, а максимальное входное напряжение 32 Вольта. Получается:
R = (32 — 3,3)/100 = 287 Ом. Возьмём ближайшее большее стандартное — 300 Ом (Меньше брать не стоит, поскольку в этом случае максимальный ток получится больше допустимого. Все резисторы нужно брать с точностью 1%).
Осталось из формулы 1 посчитать максимальный ток нагрузки:
Iн max = (5 — 3,3)*1000/300 — 1 = 4,6 мА
Ну и на последок, давайте попробуем прикинуть КПД такой схемы. КПД посчитаем при максимальном токе нагрузки для двух крайних точек входного напряжения. Полезную мощность, понятно, можно вычислить как произведение выходного напряжения на выходной ток, а общую можно найти как произведение входного напряжения на общий входной ток. При этом общий входной ток можно вычислить как (Uin — Uout)/R (у нас же весь ток через балластный резистор течёт).
Учитывая всё сказанное, получим:
— для минимального входного напряжения:
n = (R*Uout*Iн max)/Uin min*(Uin min — Uout)
n = (300*3,3*4,6)/(5*(5-3,3)*1000) = 0,506
— для максимального входного напряжения:
n = (R*Uout*Iн max)/Uin max*(Uin max — Uout)
n = (300*3,3*4,6)/(32*(32-3,3)*1000) = 0,005
Как видите, даже в лучшем случае мы получили КПД в районе 50%. Более того, на балластном резисторе в худшем случае нужно будет рассеивать (32 — 3,3)2/300 = 2,75 Вт тепла. Да, да, — ради жалких 4,5 мА полезного тока почти 3 Вт тепла.
Какой вывод мы должны из всего этого сделать? Вывод прост, — если вам нужна хоть сколько-нибудь значимая выходная мощность — гораздо эффективнее сделать push-pull и не заниматься ерундой. Благо dc/dc сейчас полно даже в совсем мелких корпусах, типа SOT-23. Учитывая замену 3-х ваттного резистора push-pull может даже и места меньше займёт.
P.S. А, да, чуть не забыл. Бывают же ещё схемы с умощнением TL-ки внешним транзистором. Ну, тут как бы всё просто — получится просто ещё более мощный кипятильник.