Как работает стабилизатор напряжения на полевом транзисторе. Какие основные компоненты входят в его схему. Какие преимущества дает использование полевого транзистора в стабилизаторе. Как собрать простой и эффективный стабилизатор своими руками.
Принцип работы стабилизатора напряжения на полевом транзисторе
Стабилизатор напряжения на полевом транзисторе представляет собой эффективное устройство для поддержания постоянного выходного напряжения при изменениях входного напряжения или нагрузки. Основными компонентами схемы являются:
- Мощный полевой транзистор (MOSFET) в качестве регулирующего элемента
- Микросхема обратной связи (например, TL431)
- Резисторы для задания выходного напряжения
- Конденсаторы для стабилизации работы
Принцип работы стабилизатора основан на изменении сопротивления канала полевого транзистора в зависимости от выходного напряжения. При повышении выходного напряжения микросхема обратной связи увеличивает свой ток, что приводит к уменьшению напряжения на затворе транзистора. Это увеличивает сопротивление канала и снижает выходное напряжение до заданного уровня.
Преимущества использования полевого транзистора в стабилизаторе
Применение мощного полевого транзистора в качестве регулирующего элемента дает ряд существенных преимуществ:
- Очень низкое падение напряжения (0.5-1 В) между входом и выходом
- Возможность получения больших выходных токов (десятки ампер)
- Высокий КПД за счет малых потерь на транзисторе
- Простота схемы управления затвором
За счет этих особенностей стабилизатор на полевом транзисторе превосходит по характеристикам классические линейные стабилизаторы на биполярных транзисторах.
Основные компоненты схемы стабилизатора
Рассмотрим подробнее ключевые элементы схемы стабилизатора напряжения на полевом транзисторе:
Силовой полевой транзистор
В качестве регулирующего элемента используется мощный N-канальный MOSFET транзистор, например:
- IRLZ24N
- IRFZ44N
- IRL2505
Важные параметры при выборе транзистора:
- Максимальное напряжение сток-исток
- Максимальный ток стока
- Сопротивление канала в открытом состоянии
- Рассеиваемая мощность
Микросхема обратной связи
Для управления затвором транзистора применяется прецизионный источник опорного напряжения, например:
- TL431
- КР142ЕН19
Эта микросхема сравнивает выходное напряжение с внутренним опорным и регулирует ток через себя, изменяя напряжение на затворе MOSFET.
Схема стабилизатора напряжения на полевом транзисторе
Рассмотрим принципиальную схему простого и эффективного стабилизатора напряжения на полевом транзисторе:
«` «`Основные компоненты схемы:
- VT — мощный полевой транзистор (например, IRLZ44N)
- TL431 — прецизионный источник опорного напряжения
- R1, R2 — резисторы для задания выходного напряжения
- C1, C2 — сглаживающие конденсаторы
Выходное напряжение определяется соотношением резисторов R1 и R2:
Vвых = 2.5В * (1 + R1/R2)
Регулировка выходного напряжения осуществляется изменением сопротивления R2.
Сборка стабилизатора напряжения своими руками
Для самостоятельной сборки стабилизатора напряжения на полевом транзисторе потребуются следующие компоненты:
- Полевой транзистор (IRLZ44N или аналог)
- Микросхема TL431
- Резисторы: 1 кОм, 10 кОм, подстроечный 10 кОм
- Конденсаторы: 100 нФ, 10 мкФ
- Радиатор для транзистора
- Печатная плата или макетная плата
Порядок сборки:
- Разместите компоненты на плате согласно схеме
- Припаяйте резисторы и конденсаторы
- Установите микросхему TL431
- Прикрепите транзистор к радиатору через теплопроводящую пасту
- Припаяйте выводы транзистора
- Проверьте правильность соединений
После сборки необходимо настроить выходное напряжение с помощью подстроечного резистора.
Применение стабилизатора напряжения на полевом транзисторе
Стабилизатор напряжения на полевом транзисторе может использоваться в различных электронных устройствах, где требуется стабильное питающее напряжение:
- Блоки питания для аудиоаппаратуры
- Лабораторные источники питания
- Зарядные устройства
- Системы питания промышленной автоматики
- Стабилизаторы для автомобильной электроники
Благодаря высокой эффективности и малому падению напряжения, такие стабилизаторы особенно хорошо подходят для применений с большим выходным током.
Расчет параметров стабилизатора напряжения
При проектировании стабилизатора напряжения на полевом транзисторе необходимо провести ряд расчетов:
- Выбор транзистора по максимальному току и напряжению
- Расчет резисторов делителя для задания выходного напряжения
- Определение мощности рассеивания на транзисторе
- Подбор радиатора для отвода тепла
Рассмотрим пример расчета для стабилизатора с выходным напряжением 12 В и током нагрузки 5 А:
- Выбираем транзистор IRLZ44N (Vds max = 55 В, Id max = 47 А)
- R1 = 10 кОм, R2 = 3.8 кОм (12В = 2.5В * (1 + 10/3.8))
- Мощность рассеивания: P = (Vin — Vout) * I = (15В — 12В) * 5А = 15 Вт
- Необходим радиатор с тепловым сопротивлением не более 4°C/Вт
Такие расчеты позволяют создать надежный и эффективный стабилизатор напряжения.
СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ
Несложная схема для регулирования, а также стабилизации напряжения представлена на картинке выше, её сможет собрать даже новичок в электронике. К примеру, на вход подано 50 вольт, а на выходе получаем 15,7 вольт или другое значение до 27V.
Схема регулируемого стабилизатора
Основной радиодеталью данного устройства является полевой (MOSFET) транзистор, в качестве которого можно использовать IRLZ24/32/44 и другие подобные. Наиболее часто они производятся компаниями IRF и Vishay в корпусах TO-220 и D2Pak. Стоит около 0.58$ грн в розницу, на ebay 10psc можно приобрести за 3$ (0,3 доллара за штуку). Такой мощный транзистор имеет три вывода: сток (drain), исток (source) и затвор (gate), он имеет такую структуру: металл-диэлектрик(диоксид кремния SiO2)-полупроводник. Микросхема-стабилизатор TL431 в корпусе TO-92 обеспечивает возможность настраивать значение выходного электрического напряжения. Сам транзистор я оставил на радиаторе и припаял его к плате с помощью проводков.
Входное напряжение для этой схемы может быть от 6 и до 50 вольт. На выходе же получаем 3-27V с возможностью регулирования подстрочным резистором 33k. Выходной ток довольно большой, до 10 Ампер, в зависимости от радиатора.
Сглаживающие конденсаторы C1,C2 могут иметь ёмкость 10-22 мкФ, C3 4,7 мкФ. Без них схема и так будет работать, но не так хорошо, как нужно. Не забываем про вольтаж электролитических конденсаторов на входе и выходе, мною были взяты все рассчитаны на 50 Вольт.
Мощность, которую сможет рассеять такой стабилизатор напряжения не может быть более 50 Ватт. Полевой транзистор обязательно устанавливается на радиатор, рекомендуемая площадь поверхности которого не менее 200 квадратных сантиметров (0,02 м2). Не забываем про термопасту или подложку-резинку, чтобы тепло лучше отдавалось.
Возможно использование подстрочного резистора 33k типа WH06-1, WH06-2 они имеют достаточно точную регулировку сопротивления, вот так они выглядят, импортный и советский.
Для удобства на плату лучше припаять две колодки, а не провода, которые легко отрываются.
Печатная плата для дискретных элементов и переменного резистора типа СП5-2 (3296).
Стабильность неплоха и напряжение изменяется только на доли вольта на протяжении длительного времени. Готовая платка получилась компактна и удобна. Так как я планирую длительное время использовать это устройство для защиты дорожек окрасил всё дно платы зеленым цапонлаком. Автор материала — Егор.
Форум по БП
Форум по обсуждению материала СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ
MOSFET + TL431 = компенсационный стабилизатор напряжения
LDO = low dropout = малое минимальное падение напряжения на проходном элементе
Идеальный стабилизатор напряжения 🙂 |
Для популярного трёх-выводного интегрального стабилизатора LM317 (datasheet) минимальное падение напряжения, при котором ещё нормируется его работа — 3 Вольта. Причём в документации этот параметр явно нигде не указан, а так, скромненько, в условиях измерений упоминается. В большинстве же случаев подразумевается, что падение на чипе 5 Вольт и более:
«Unless otherwise specified, VIN − VOUT = 5V».
Баба Яга — против! Жалко терять 3 Вольта на глупом проходном транзисторе. И рассеивать лишние Ватты. Популярное решение проблемы — импульсные стабилизаторы — здесь не обсуждаем по причине того, что они свистят. С помехами можно бороться, но, как известно: кто не борется — тот непобедим! 😉
Идея
Идея данной схемки восходит к одному из многочисленных datasheet’ов на TL431. Вот, например, что предлагают National Semiconductor / TI:
Vo ~= Vref * (1+R1/R2) |
Сам по себе такой регулятор не шибко интересен: на мой взгляд он ни чем не лучше, чем обычные трёхвыводные стабилизаторы 7805, LM317 и тому подобные. Минимальное падение на проходном дарлингтоне меньше 2 Вольт тут вряд ли удастся получить. Да к тому же никаких защит ни по току, ни от перегрева. Разве что транзисторы можно ставить на столько толстые, на сколько душа пожелает.
Недавно мне понадобилось-таки соорудить линейный стабилизатор с минимальным падением напряжения. Конечно, всегда можно извернуться, взять трансформатор с бОльшим напряжением на вторичке, диоды Шоттки в мост поставить, конденсаторов накопительных поболе… И всем этим счастьем греть трёхвыводной стабилизатор. Но хотелось-то изящного решения и с тем трансом, что был в наличии. Какой проходной регулятор может обеспечить падение близкое к нулю? MOSFET: у современных мощных полевиков сопротивление канала может быть единицы милли-Ом.
Простая замена дарлингтона на полевой транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом (т.е. самый обычный MOSFET) в схеме выше — не особо поможет. Так как пороговое напряжение затвор-исток будет Вольта 3-4 у обычных, и всё одно больше Вольта у «логических» MOSFET’ов — чем и будет задано минимальное проходное напряжение на таком стабилизаторе.
Интересно могло бы получиться при использовании полевика, работающего в режиме обеднения (т.е. со встроенным каналом), или с p-n переходом. Но к сожалению, мощные устройства этих типов нынче практически недоступны.
Спасает дополнительный источник напряжения смещения. Такой источник совсем не должен быть сильноточным — несколько миллиАмпер будет достаточно.
Схема — скелетик |
Работает это всё очень просто: когда напряжение на управляющем входе TL431, пропорциональное выходному напряжению, падает ниже порогового (2.5V) — «стабилитрон» закрывается и «отпускает» затвор полевика «вверх». Ток от дополнительного источника через резистор «подтягивает» напряжение на затворе, а, следовательно, и на выходе стабилизатора.
В обратную сторону, при увеличении выходного напряжения, всё работает аналогично: «стабилитрон» приоткрывается и уменьшает напряжение на затворе полевика.
TL431 суть устройство линейное, никаких защёлок в ней нету:
TL/LM431 — эквивалентная блок-схема |
Реальность
В схеме реального устройства я всё же добавил защиту по току, пожертвовав пол-Вольта падения в пользу безопасности. В принципе, в низковольтных конструкциях часто можно обойтись плавким предохранителем, так как полевые транзисторы доступны с огромным запасом по току и при наличии радиатора способны выдерживать бешеные перегрузки. Если же и 0.5 Вольта жалко, и защита по току необходима — пишите, ибо есть способы 😉
Низковольтный линейный стабилизатор напряжения с минимальными потерями |
При номиналах R5-R6-R7, указанных на схеме, диапазон регулировки выходного напряжения примерно от 9 до 16 Вольт. Естественно, реальный максимум зависит от того, сколько может обеспечить трансформатор под нагрузкой.
R4 необходимо использовать достойной мощности: PmaxR4 ~= 0.5 / R. В данном примере — двухватник будет в самый раз.
Где это может понадобиться
Например: в ламповой технике для питания накальных цепей постоянным током.
Зачем постоянный, да ещё так тщательно стабилизированный ток для питания нитей накала?
- Исключить наводки переменного напряжения в сигнальные цепи. Путей для просачивания «фона» из накальных цепей в сигнал несколько (тема для отдельной статьи!)
- Питать накал строго заданным напряжением. Есть данные, что превышение напряжения накала на 10% от номинального может сократить срок службы лампы на порядок. Нормы же допусков для напряжения питающей сети плюс погрешности исполнения трансформаторов и т.п. — 10% ошибки легко набежит.
Для 6-вольтовых накалов необходимо уменьшить R5: 5.6КОм будет в самый раз.
Что можно улучшить
Например, для питания нитей накала полезно добавить плавный старт. Для этого достаточно будет увеличить C4 скажем до 1000мкФ и включить между мостом и C4 резистор сопротивлением в 1КОм.
Немножко окололамповой мифологии
Позволю себе пройтись по поводу одного стойкого заблуждения, утверждающего, будто питание накала «постоянкой» отрицательно сказывается на «звуке».
Наиболее вероятный источник происхождения этого мифа, как водится — недостаток понимания и кривые ручки. Например: один трансформатор запитывает и аноды и накал. Номинальный ток накальной обмотки, скажем, 1А, который до этого питал накал ламп напрямую, и те потребляли чуть меньше этого самого 1А. Всё работало хорошо, может быть фонило чуток. Если теперь некий паяльщик-такелажник, мнящий себя «tube-guru», вдруг запитал те же лампы от той же обмотки но уже через выпрямитель/конденсатор/стабилизатор — всё, хана усилку! Объяснение простое, хотя не для всех очевидное:
- Во-первых, трансформатор теперь перегружен из-за импульсного характера тока заряда накопительной ёмкости (нужна отдельная статья!) Если вкратце: надо брать транс с номинальным током вторички примерно в 1.8 раза больше, нежели выпрямленный ток нагрузки.
- Во-вторых — ударные токи заряда накопительных емкостей в источнике питания накала ничего хорошего в анодное питание не добавят.
Здесь я не претендую на уникальность. Хоть и додумался я когда-то сам до этой полезной схемки, после мне уже доводилось встречать подобные решения ещё у нескольких серьёзных разработчиков. Просто хочу поделиться с вами, друзья, своими наработками, мыслями…
- Вам было интересно? Напишите мне!
Друзья мои, собратья по интересам! Пишу и буду развивать этот блог — идей море и опыта уже накоплено предостаточно — есть чем поделиться. Времени как всегда мало. Что было бы интересно лично Вам?
Спрашивайте, предлагайте: в комментариях, или по e-mail (есть в моём профайле). Спасибо!
Всего Вам доброго!
— Сергей Патрушин.
P.S.: Продолжение темы ЗДЕСЬ: LDO прототип в бочке
КАТУШКА ТЕСЛА |
ПРОСТОЙ ДВУХПОЛЯРНЫЙ БП С РЕГУЛИРОВКАМИ |
Схема. Модуль мощного стабилизатора напряжения на полевом транзисторе
На основе мощных переключательных полевых транзисторов [1] можно построить линейные стабилизаторы напряжения. Подобное устройство было ранее описано в [2]. Немного изменив схему, как показано на рис. 1, можно улучшить параметры описанного стабилизатора, существенно (в 5…6 раз) уменьшив падение напряжения на регулирующем элементе, в качестве которого применен транзистор IRL2505L. Он имеет в открытом состоянии весьма малое сопротивление канала (0,008 Ом), обеспечивает ток до 74 А при температуре корпуса 100 °С, отличается высокой крутизной характеристики (59 А/В). Для управления им требуется небольшое напряжение на затворе (2,5…3 В). Предельное напряжение сток—исток — 55 В, затвор—исток — ±16 В, мощность, рассеиваемая транзистором, может достигать 200 Вт.
Подобно современным микросхемным стабилизаторам, предлагаемый модуль имеет три вывода: 1 — вход, 2 — общий, 3 — выход. В качестве управляющего элемента применена микросхема DA1 — параллельный стабилизатор напряжения КР142ЕН19 (TL431). Транзистор VT1 выполняет функцию согласующего элемента, а стабилитрон VD1 обеспечивает стабильное напряжение для его базовой цепи. Значение выходного напряжения можно рассчитать по формуле
Uвых=2,5(1+R5/R6).
Выходное напряжение регулируют, изменяя сопротивление резистора R6. Конденсаторы обеспечивают устойчивую работу стабилизатора. Устройство работает следующим образом. При увеличении выходного напряжения повышается напряжение на управляющем входе микросхемы DA1, в результате чего ток через нее увеличивается. Напряжение на резисторе R2 увеличивается, а ток через транзистор VT1 уменьшается. Соответственно напряжение затвор—исток транзистора VT2 уменьшается, вследствие чего сопротивление его канала возрастает. Поэтому выходное напряжение уменьшается, восстанавливаясь до прежнего значения.
Регулирующий полевой транзистор VT2 включен в минусовый провод, а управляющее напряжение поступает на него с плюсового провода. Благодаря такому решению стабилизатор способен обеспечить ток нагрузки 20…30 А, при этом входное напряжение может быть всего на 0,5 В больше выходного. Если предполагается использовать модуль при входном напряжении более 16 В, то транзистор VT2 необходимо защитить от пробоя с помощью маломощного стабилитрона с напряжением стабилизации 10…12 В, катод которого подключают к затвору, анод — к истоку.
В устройстве можно применить любой n-канальный полевой транзистор (VT2), подходящий по току и напряжению из списка, приведенного в [1], желательно выделенный желтым цветом. VT1 — КТ502, КТ3108, КТ361 с любыми буквенными индексами. Микросхему КР142ЕН19 (DA1) допустимо заменить на TL431. Конденсаторы — К10-17, резисторы — Р1-4, МЛТ, С2-33.
Схема подключения модуля стабилизатора приведена на рис. 2.
При большом токе нагрузки на транзисторе VT2 рассеивается большая мощность, поэтому необходим эффективный теплоотвод. Транзисторы этой серии с буквенными индексами L и S устанавливают на теплоотвод с помощью пайки. В авторском варианте в качестве теплоотвода и одновременно несущей конструкции применен корпус от неисправного транзистора КТ912, КП904. Этот корпус разобран, удалена его верхняя часть так, что осталась позолоченная керамическая шайба с кристаллом транзистора и выводами-стойками. Кристалл аккуратно удален, покрытие облужено, после чего к нему припаян транзистор VT2. К покрытию шайбы и выводам транзистора VT2 припаяна печатная плата из двусторонне фольгированного стеклотекстолита (рис. 3). Фольга на обратной стороне платы целиком сохранена и соединена с металлизацией шайбы (стоком транзистора VT2) После налаживания и проверки модуля стабилизатора плата приклеена к корпусу. Выводы 1 и 2 — площадки на печатной плате, а вывод 3 (сток транзистора VT2) — металлический вывод-стойка на керамической шайбе.
Если применить детали для поверхностного монтажа: микросхему TL431CD (рис. 4), транзистор VT1 КТ3129А-9, транзистор VT2 IRLR2905S, резисторы Р1-12, то часть их можно разместить на печатной плате, а другую часть — навесным монтажом непосредственно на керамической шайбе корпуса. Внешний вид собранного устройства показан на рис. 5. Модуль стабилизатора напряжения не имеет гальванической связи с основанием (винтом) корпуса, поэтому его можно непосредственно разместить на теплоотводе, даже если он соединен с общим проводом питаемого устройства.
Также допустимо использовать корпус от неисправных транзисторов серий КТ825, КТ827. В таком корпусе кристаллы транзистора прикреплены не к керамической, а к металлической шайбе. Именно к ней, предварительно удалив кристалл, припаивают транзистор VT2. Остальные детали устанавливают аналогично. Сток транзистора VT2 в этом случае соединен с корпусом, поэтому модуль можно непосредственно установить на теплоотвод, соединенный с минусовым проводом питания нагрузки.
Налаживание устройства сводится к установке требуемого выходного напряжения подстроечным резистором R6 и к проверке отсутствия самовозбуждения во всем интервале выходного тока. Если оно возникнет, его нужно устранить увеличением емкости конденсаторов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мощные полевые переключательные транзисторы фирмы International Rectifier. — Радио, 2001, № 5, с. 45.
2. Нечеев И. Стабилизатор напряжения на мощном полевом транзисторе. — Радио, 2003, № 8. с. 53, 54.
И. НЕЧАЕВ, г. Курск
«Радио» №2 2005г.
Похожие статьи:
ПОВЫШАЮЩИЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ
Импульсный источник питания на однопереходном транзисторе
Регулируемый стабилизатор напряжения с ограничением по току
Мощный стабилизатор двухполярного напряжения для УМЗЧ
Post Views: 8 876
Программируемый стабилитрон TL431 и несколько его применений | Электронные схемы
программируемый стабилизатор напряжения TL431программируемый стабилизатор напряжения TL431
Наверняка многим известна такая деталь,похожа на транзистор с тремя выводами,на корпусе надпись-TL431 и обитает в основном в импульсных блоках питания.Называется эта деталь программируемый стабилизатор напряжения или регулируемый стабилитрон или стабилизатор напряжения.
распиновка расположение выводов стабилитрона tl431распиновка расположение выводов стабилитрона tl431
У стабилитрона три вывода:катод,анод и вывод управления.Эта микросхема содержит одиннадцать транзисторов и состоит из трех основных узлов:источника опорного напряжения около 2.5В,операционного усилителя и биполярного транзистора.Применяют микросхему в основном в линейных стабилизаторах напряжения с мощным транзистором(лучше с истоковым повторителем на полевом транзисторе),в импульсных источниках питания и в качестве переключателя-компаратора.
В мощных линейных стабилизаторах напряжения микросхема применяется как стабильный источник напряжения,напряжение которого можно регулировать.Напряжение стабилизации можно изменять делителем напряжения на двух резисторах,напряжение с которых поступает на вывод управления.Напряжение стабилизации можно выставить от 2.5 до 36В при токе до 100мА.
источник опорного напряжения,операционный усилитель стабилизатора tl431источник опорного напряжения,операционный усилитель стабилизатора tl431
В качестве компаратора микросхема нашла применение в различных индикаторах напряжения,в зарядных устройств аккумуляторов,в датчиках температуры и т.д. В индикаторе изменения напряжения один из светодиодов начнет светить при напряжении от 4 до 7.8В. Далее идет промежуток между 7.8 и 8.8 В когда светодиоды не светят, после 8.8В начинает светить другой светодиод.Изменяя сопротивление резистора R2 ,можно изменять напряжение срабатывания свечения светодиодов.
индикатор изменения напряжения на tl431индикатор изменения напряжения на tl431
На основе полевого транзистора и TL431 можно собрать регулируемый стабилизированный источник питания от 2.5 до 12В. Регулировка напряжения на выходе производиться резистором R3,полевой транзистор установлен на радиатор.Нагрузку подключал галогенную лампу 12В*3А и устройство нормально работало с такой нагрузкой,но будет сильно нагреваться транзистор.
регулируемый источник питания 12В на полевом транзисторе и tl431регулируемый источник питания 12В на полевом транзисторе и tl431
Стабилизатор напряжения на мощном полевом транзисторе IRLR2905 (13В)
При построении сильноточных стабилизаторов напряжения радиолюбители обычно используют специализированные микросхемы серии 142 и аналогичные, «усиленные» одним или несколькими, включенными параллельно, биполярными транзисторами. Если для этих целей применить мощный переключательный полевой транзистор, то удастся собрать более простой сильноточный стабилизатор.
Принципиальная схема
Схема одного из вариантов такого стабилизатора приведена на рис. 1. Со вторичной обмотки трансформатора переменное напряжение около 13 В (эффективное значение) поступает на выпрямитель и сглаживающий фильтр.
На конденсаторах фильтра оно равно 16 В. Это напряжение поступает на сток мощного транзистора VT1 и через резистор R1 на затвор, открывая транзистор.
Рис. 1. Принципиальная схема стабилизатора напряжения на мощном полевом транзисторе IRLR2905 (13В).
Часть выходного напряжения через делитель R2, R3 подается на вход микросхемы DA1, замыкая цепь ООС. Напряжение на выходе стабилизатора возрастает вплоть до того момента, пока напряжение на входе управления микросхемы DA1 не достигнет порогового, около 2,5 В.
В этот момент микросхема открывается, понижая напряжение на затворе мощного транзистора, т.е. частично закрывая его, и, таким образом, устройство входит в режим стабилизации. Лучшие результаты удастся получить, если диод VD2 подключить к выпрямительному мосту (рис. 1.6).
В этом случае напряжение на конденсаторе С5 увеличится, поскольку падение напряжения на диоде VD2 будет меньше, чем падение напряжения на диодах моста, особенно при максимальном токе.
Рис. 2. Печатная плата.
При необходимости плавной регулировки выходного напряжения постоянный резистор R2 следует заменить переменным или подстроенным резистором.
В стабилизаторе в качестве регулирующего элемента применен мощный полевой транзистор IRLR2905. Хотя он и предназначен для работы в ключевом (переключательном) режиме, в данном стабилизаторе он используется в линейном режиме.
Транзистор имеет в открытом состоянии весьма малое сопротивление канала (0,027 Ом), обеспечивает ток до 30 А при температуре корпуса до 100°С, обладает высокой крутизной и требует для управления напряжения на затворе всего 2,5…3 В. Мощность, рассеиваемая транзистором, может достигать 110 Вт.
Полевым транзистором управляет микросхема параллельного стабилизатора напряжения КР142ЕН19 (импортный аналог TL431). Конденсаторы — малогабаритные танталовые, резисторы — МЛТ, С2-33, диод VD2 — выпрямительный с малым падением напряжения (германиевый, диод Шоттки). Параметры трансформатора, диодного моста и конденсатора С1 выбирают исходя из необходимого выходного напряжения и тока.
Хотя транзистор и рассчитан на большие токи и большую рассеиваемую мощность, для реализации всех его возможностей необходимо обеспечить эффективный теплоотвод.
Налаживание стабилизатора сводится к установке требуемого значения выходного напряжения. Надо обязательно проверить устройство на отсутствие самовозбуждения во всем диапазоне рабочих токов. Для этого напряжения в различных точках устройства контролируют с помощью осциллографа.
Если самовозбуждение возникает, то параллельно конденсаторам C1, С2 и С4 следует подключить керамические конденсаторы емкостью 0,1 мкФ с выводами минимальной длины. Размещаются эти конденсаторы как можно ближе к транзистору VT1 и микросхеме DA1.
Печатная плата устройства приведена на рис. 2 Эта плата рассчитана на установку малогабаритных деталей в корпусах для поверхностного монтажа, в том числе и микросхема КР142ЕН19 требует замены на импортный аналог в корпусе SO-8.
Схема на биполярном транзисторе
Рис. 3. Схема блока питания без полевого транзистора.
В случае, если полевой транзистор найти не удалось, стабилизатор можно выполнить по другой схеме (рис. 3.), на мощных биполярных транзисторах, с использованием той же микросхемы. Правда, максимальный ток нагрузки у этого варианта стабилизатора не более 3…4 А.
Для повышения коэффициента стабилизации применен стабилизатор тока на полевом транзисторе, в качестве регулирующего элемента применен мощный составной транзистор. Трансформатор должен обеспечивать на вторичной обмотке напряжение не менее 15 В при максимальном токе нагрузки.
Первоисточник: неизвестен.
TL431, что это за «зверь» такой? — Начинающим — Теория
Николай Петрушов
Рис. 1 TL431.
TL431 была создана в конце 70-х и по настоящее время широко используется в промышленности и в радиолюбительской деятельности.
Но не смотря на её солидный возраст, не все радиолюбители близко знакомы с этим замечательным корпусом и его возможностями.
В предлагаемой статье я постараюсь ознакомить радиолюбителей с этой микросхемой.
Для начала давайте посмотрим, что у неё внутри и обратимся к документации на микросхему, «даташиту» (кстати, аналогами этой микросхемы являются — КА431, и наши микросхемы КР142ЕН19А, К1156ЕР5х).
А внутри у неё с десяток транзисторов и всего три вывода, так что же это такое?
Рис. 2 Устройство TL431.
Оказывается всё очень просто. Внутри находится обычный операционный усилитель ОУ (треугольник на блок-схеме) с выходным транзистором и источником опорного напряжения.
Только здесь эта схема играет немного другую роль, а именно — роль стабилитрона. Ещё его называют «Управляемый стабилитрон».
Как он работает?
Смотрим блок-схему TL431 на рисунке 2. Из схемы видно, ОУ имеет (очень стабильный) встроенный источник опорного напряжения 2,5 вольт (маленький квадратик) подключенный к инверсному входу, один прямой вход (R), транзистор на выходе ОУ, коллектор (К) и эмиттер (А), которого объединены с выводами питания усилителя и защитный диод от переполюсовки. Максимальный ток нагрузки этого транзистора до 100 мА, максимальное напряжение до 36 вольт.
Рис. 3 Цоколёвка TL431.
Теперь на примере простой схемы, изображенной на рисунке 4, разберём, как это всё работает.
Мы уже знаем, что внутри микросхемы имеется встроенный источник опорного напряжения — 2,5 вольт. У первых выпусков микросхем, которые назывались TL430 — напряжение встроенного источника было 3 вольта, у более поздних выпусков, доходит до 1,5 вольта.
Значит для того, чтобы открылся выходной транзистор, необходимо на вход (R) операционного усилителя, подать напряжение — чуть превышающее опорное 2,5 вольт, (приставку «чуть» можно опустить, так как разница составляет несколько милливольт и в дальнейшем будем считать, что на вход нужно подать напряжение равное опорному), тогда на выходе операционного усилителя появится напряжение и выходной транзистор откроется.
Если сказать по простому, TL431 — это что то типа полевого транзистора (или просто транзистора), который открывается при напряжении 2,5 вольта (и более), подаваемого на его вход. Порог открытия-закрытия выходного транзистора здесь очень стабильный из-за наличия встроенного стабильного источника опорного напряжения.
Рис. 4 Схема на TL431.
Из схемы (рис. 4) видно, что на вход R микросхемы TL431, включен делитель напряжения из резисторов R2 и R3, резистор R1 ограничивает ток светодиода.
Так как резисторы делителя одинаковые (напряжение источника питания делится пополам ), то выходной транзистор усилителя (ТЛ-ки) откроется при напряжении источника питания 5 вольт и более ( 5/2=2,5). На вход R в этом случае с делителя R2-R3 будет подаваться 2,5 вольт.
То есть светодиод у нас загорится (откроется выходной транзистор) при напряжении источника питания — 5 вольт и более. Потухнет соответственно при напряжении источника менее 5-ти вольт.
Если увеличить сопротивление резистора R3 в плече делителя, то необходимо будет увеличить и напряжение источника питания больше 5 вольт, для того, что-бы напряжение на входе R микросхемы, подаваемое с делителя R2-R3 опять достигло 2,5 вольт и открылся выходной транзистор ТЛ-ки.
Получается, что если данный делитель напряжения (R2-R3) подключить на выход БП, а катод ТЛ-ки к базе или затвору регулирующего транзистора БП, то изменением плеч делителя, например изменяя величину R3 — можно будет изменять выходное напряжение данного БП, потому что при этом будет изменяться и напряжение стабилизации ТЛ-ки (напряжение открытия выходного транзистора) — то есть мы получим управляемый стабилитрон.
Или если подобрать делитель не изменяя его в дальнейшем — можно сделать выходное напряжение БП строго фиксированным при определённом значении.
Вывод; — если микросхему использовать как стабилитрон (основное её назначение), то мы можем с помощью подбора сопротивлений делителя R2-R3 сделать стабилитрон с любым напряжением стабилизации в пределах 2,5 — 36 вольт (максимальное ограничение по «даташиту»).
Напряжение стабилизации в 2,5 вольта — получается без делителя, если вход ТЛ-ки подключить к её катоду, то есть замкнуть выводы 1 и 3.
Тогда возникают ещё вопросы. можно ли например заменить TL431 обычным операционником?
— Можно, только если есть желание конструировать, но необходимо будет собрать свой источник опорного напряжения на 2,5 вольт и подать питание на операционник отдельно от выходного транзистора, так как ток его потребления может открыть исполнительное устройство. В этом случае можно сделать опорное напряжение какое угодно (не обязательно 2,5 вольта), тогда придётся пересчитать сопротивления делителя, используемое совместно с TL431, чтобы при заданном выходном напряжении БП — напряжение подаваемое на вход микросхемы было равно опорному.
Ещё один вопрос — а можно использовать TL431, как обычный компаратор и собрать на ней, допустим, терморегулятор, или что то подобное?
— Можно, но так как она отличается от обычного компаратора уже наличием встроенного источника опорного напряжения, схема получится гораздо проще. Например такая;
Рис. 5 Терморегулятор на TL431.
Здесь терморезистор (термистор) является датчиком температуры, и он уменьшает своё сопротивление при повышении температуры, т.е. имеет отрицательный ТКС (Температурный Коэффициент Сопротивления). Терморезисторы с положительным ТКС, т.е. сопротивление которых при увеличении температуры увеличивается — называются позисторы.
В этом терморегуляторе при превышении температуры выше установленного уровня (регулируется переменным резистором), сработает реле или какое либо исполнительное устройство, и контактами отключит нагрузку (тэны), или например включит вентиляторы в зависимости от поставленной задачи.
Эта схема обладает малым гистерезисом, и для его увеличения, необходимо вводить ООС между выводами 1-3, например подстроечный резистор 1,0 — 0,5 мОм и величину его подобрать экспериментальным путём в зависимости от необходимого гистерезиса.
Если необходимо, чтобы исполнительное устройство срабатывало при понижении температуры, то датчик и регуляторы нужно поменять местами, то есть термистор включить в верхнее плечо, а переменное сопротивление с резистором — в нижнее.
И в заключении, Вы уже без труда разберётесь, как работает микросхема TL431 в схеме мощного блока питания для трансивера, которая приведена на рисунке 6, и какую роль здесь играют резисторы R8 и R9, и как они подбираются.
Рис. 6 Мощный блок питания на 13 вольт, 22 ампера.
MOSFET + TL431 = линейный стабилизатор напряжения LDO
Стабилизатор напряжения Ideal LDO
LDO = низкий отсев
Идеальный линейный стабилизатор напряжения с малым падением напряжения 😉 |
Такой популярный трехконтактный стабилизатор напряжения, как LM317 (техническое описание), рассчитан на работу при минимальном напряжении 3 В на кристалле. Этот скромный параметр даже не указан прямо в таблице данных: я обнаружил, что он указан только как «условия измерения» для опорного напряжения Min / Typ / Max.Остальная часть документа предполагает еще более высокое напряжение: «Если не указано иное, VIN — VOUT = 5V».
Что-то внутри меня протестует против потери более 3 Вольт на глупом транзисторе, который делает только это: нагревает всю конструкцию. Популярное решение этой проблемы — импульсные блоки питания — мы здесь не рассматриваем из-за шума, который они производят. Конечно, есть способы уменьшить шум. Но … как гласит древняя мудрость: «Он не борется с , следовательно, он непобедимый в мире.«
Истоки идеи
Основная идея компоновки, обсуждаемая в этой статье, была вдохновлена одним из многих таблиц данных TL431. Посмотрите, как National Semiconductor / TI предлагает нам использовать это крошечное украшение:
Vo ~ = Vref * (1 + R1 / R2) |
По моему скромному мнению, предлагаемая компоновка не имеет реальных преимуществ перед обычными деталями вроде 7805 или LM317. Минимальное падение напряжения здесь вряд ли может быть меньше 2 вольт.Кроме того, нет защиты от перегрузки по току или перегрева. Единственное возможное преимущество по сравнению с 3-контактными регуляторами: максимальный ток может быть увеличен настолько, насколько это необходимо.
Эволюция идеи
Недавно я столкнулся с необходимостью стабилизировать 12,6 В на 2 А от вторичной обмотки трансформатора 12 В 5 А. С точки зрения мощности это было хорошо. Единственная проблема заключалась в том, что пульсации напряжения вместе с потерями на выпрямителях оставляли мне, скажем, вольт или два максимума для потерь на регуляторе.
Какой активный компонент может работать как регулятор с пониженным напряжением? MOSFET: современные силовые устройства имеют RdsON не более нескольких миллиОм. При токе всего несколько ампер — мы теряем всего несколько милливольт через устройство.
Прямая замена Darlington по схеме, приведенной выше, не принесет нам никакой пользы. Пороговое напряжение силовых полевых МОП-транзисторов может составлять от 3 до 5 вольт для «обычных» устройств и все еще выше 1 вольт для «логических». Это напряжение будет определять минимально возможное падение на нашем регуляторе.
Было бы очень интересно попробовать либо DEPLETION MOSFET, либо J-FET в аналогичной схеме. К сожалению, достойных устройств питания этих типов нет. По крайней мере, ничего из того, что я знаю. ( Пожалуйста, поправьте меня и скажите, что я не прав! )
Решение
На помощь приходит дополнительный слаботочный источник питания. Он должен обеспечивать потенциал на несколько вольт выше входной положительной шины: этого будет достаточно, чтобы подтянуть затвор полевого МОП-транзистора вверх, чтобы открыть устройство.Поскольку ток через затвор полевого МОП-транзистора практически отсутствует, дополнительный источник питания должен подавать только несколько миллиампер тока на подтягивающий резистор.
Extreme LDO Regulator — скелет сорт. |
Когда потенциал на сенсорном выводе TL431 становится ниже порогового значения 2,5 В по любой причине, которая снижает выходное напряжение, микросхема проводит меньше тока. Таким образом, он «ослабляет» затвор полевого МОП-транзистора, который поднимается выше за счет тока через этот подтягивающий резистор.Полевой транзистор начинает проводить больше тока и увеличивает выходную мощность, эффективно восстанавливая баланс.
В противоположном сценарии, когда по какой-либо причине выход (и его прямая производная — управляющий вывод TL431) становится выше, чем необходимо, макет работает аналогично хорошо. TL431 начинает проводить больше тока, опускает затвор полевого МОП-транзистора, уменьшая ток через его канал. Выход становится ниже.
Обратите внимание: несмотря на то, что некоторые люди склонны использовать TL431 в качестве компаратора, это действительно линейное устройство.
TL / LM431 — эквивалентная блок-схема |
Реальность
В реальном устройстве я хотел иметь некоторую защиту в дополнение к плавкому предохранителю с задержкой срабатывания в первичной обмотке трансформатора. Поэтому я решил пожертвовать примерно 0,5 Вольт, падающим на регулятор при нормальных условиях работы — и получить БЕЗОПАСНОСТЬ.
Кстати, падение напряжения могло бы быть намного меньше даже с защитой от сверхтока.Но такая схема прецизионной защиты несколько усложняется. Тем не менее, если вам когда-нибудь понадобится такое решение — давайте поговорим
MOSFET + TL431 = линейный стабилизатор напряжения LDO высокого качества |
30. января 2012: Проверено 🙂 Отлично работает!
При токах нагрузки выше 2 А выпрямители мощности следует присоединять к радиатору. R8 = 0; C7 = 0.1 … 10 мкФ керамический или пленочный.
При отображении значений R5-R6-R7 выходное напряжение можно регулировать в пределах от 9 до 16 В. Конечно, реальный максимум определяется вторичными обмотками трансформатора.
Убедитесь, что R4 может выдерживать ток полной нагрузки: PmaxR4 ~ = 0,5 / R. Для этих конкретных спецификаций я бы взял R4 с номинальной мощностью 2 Вт.
Зачем вам строить этот
Например: в проекте на основе вакуумных трубок для подачи нити в трубки с постоянным током.
Почему постоянный ток для немых обогревателей? Более того: такой точно стабилизированный постоянный ток?
- Питание нагревателей постоянным током снижает утечку частоты сети или ее второй гармоники в тракт прохождения сигнала. Есть несколько способов, которыми гул попадает в сигнал через трубчатые нагреватели. На самом деле эта тема заслуживает отдельной обстоятельной статьи …
- Мы хотим, чтобы напряжение, подаваемое на нагреватели, оставалось в пределах жестких допусков. Есть данные, показывающие, что превышение номинального напряжения нагревателей на 10% может сократить срок службы трубки в десять раз.Примите во внимание допустимые отклонения в напряжении питающей сети примерно на 5% плюс допуски на трансформаторы от 5% до 10% и его выходную вариацию в конкретной конструкции в зависимости от фактической нагрузки …
Кстати ту же схему можно было использовать для питания нитей 6.3V. При условии, что трансформатор подает как минимум 6 В переменного тока (среднеквадратичное значение), а значение сопротивления R5 уменьшено до 5,6 кОм.
Возможные улучшения
Считайте, что этот стабилизатор напряжения LDO используется для подачи постоянного тока на нить накала термоэмиссионного клапана.В таком приложении желателен мягкий старт. Изменение, необходимое для получения плавной кривой запуска, будет чрезвычайно простым: используйте 1000 мкФ вместо C4 и добавьте сопротивление 1 кОм между положительным выходом моста удвоителя и выводом C4 «+».
Разрушенный миф о вакуумных трубках
Как я уже упоминал выше, трубчатые нагреватели с питанием от постоянного тока имеют несколько преимуществ. Однако могут быть и вполне реальные причины, объясняющие, почему некоторые «гуру» не любят постоянный ток на обогревателях.Это стоит отметить здесь, чтобы те, кто желает использовать регулятор LDO, описанный в этой статье, не попали в эти ловушки.
Давайте рассмотрим потенциально наихудший сценарий, когда кто-то хотел «модернизировать» существующий ламповый усилитель, установив выпрямитель и регулятор для нитей накала.
Вы не поверите, но в большинстве случаев трансформатор после такой вивисекции устройства становится перегруженным. Фактически, вторичная обмотка должна быть рассчитана на подачу переменного тока примерно в 1,8 раза больше постоянного тока на выходе выпрямителя.До такого «апгрейда» он, скорее всего, нормально работал при токах переменного тока чуть ниже своего номинала. После «апгрейда» скачки тока, заряжающие накопительный конденсатор, составят:
- перегреть трансформатор;
- вызывают новый и очень нежелательный шум в источнике высокого напряжения, особенно если устройство питалось одним трансформатором для обоих нагревателей и B +.
Вместо заключения
Я бы не стал претендовать на патент на такую принципиальную схему.Хотя несколько лет назад я сам пришел к этой идее, позже я видел, как похожие макеты использовались несколькими опытными дизайнерами в других местах. В этой статье я просто хочу поделиться с вами этим полезным шаблоном проектирования, друзья мои.
Читать дальше …
Как работает шунтирующий регулятор TL431, техническое описание, приложение
В этом посте мы узнаем, как микросхема шунтирующего регулятора обычно работает в схемах SMPS. Мы возьмем пример популярного устройства TL431 и попытаемся понять его использование в электронных схемах с помощью нескольких замечаний по его применению.
Электрические характеристики
Технически TL431 называется программируемым шунтирующим стабилизатором, проще говоря, это регулируемый стабилитрон.
Давайте узнаем больше о его технических характеристиках и примечаниях к применению.
TL431 обладает следующими основными характеристиками:
- Выходное напряжение настраивается или программируется от 2,5 В (минимальное опорное напряжение) до 36 В.
- Выходное сопротивление низкое динамическое, около 0,2 Ом.
- Допустимая нагрузка по току потребителя до 100 мА
- В отличие от обычных стабилитронов, уровень шума незначителен.
- Молниеносная реакция на переключение.
Как работает IC TL431?
TL431 представляет собой трехконтактный транзистор, подобный (например, BC547) регулируемому или программируемому стабилизатору напряжения.
Выходное напряжение можно измерить, используя всего два резистора на указанных выводах устройства.
На схеме ниже показана внутренняя блок-схема устройства, а также обозначения контактов.
На следующей схеме показаны выводы реального устройства. Давайте посмотрим, как это устройство можно сконфигурировать в практических схемах.
Примеры схем с использованием TL431
Схема ниже показывает, как вышеуказанное устройство TL431 можно использовать в качестве типичного шунтирующего регулятора.
На приведенном выше рисунке показано, как с помощью пары резисторов TL431 можно подключить как шунтирующий стабилизатор для генерации выходных сигналов от 2,5 до 36 В. R1 — переменный резистор, который используется для регулировки выходного напряжения.
Последовательный резистор на положительном входе питания можно рассчитать по закону Ома:
R = Vi / I = Vi / 0,1
Здесь Vi — вход питания, который должен быть ниже 35 В. 0,1 или 100 мА — это Максимальный шунтирующий ток, указанный в спецификации ИС, а R — резистор в Ом.
Расчет резисторов шунтирующего стабилизатора
Следующая формула подходит для получения значений различных компонентов, используемых для фиксации напряжения шунта.
Vo = (1 + R1 / R2) Vref
В случае, если 78XX необходимо использовать вместе с устройством, можно использовать следующую схему:
Заземление катода TL431 соединено с контактом заземления 78XX.Выход из 78XX IC связан с цепью делителя потенциала, который определяет выходное напряжение.
Детали можно идентифицировать по формуле, показанной на схеме.
Вышеуказанные конфигурации ограничены максимальным током на выходе 100 мА. Для увеличения тока можно использовать транзисторный буфер, как показано на следующей схеме.
На приведенной выше схеме расположение большинства деталей аналогично конструкции первого шунтирующего регулятора, за исключением того, что здесь катод снабжен положительным резистором, а точка также становится базовым триггером подключенного буферного транзистора.
Выходной ток будет зависеть от величины тока, который транзистор может потреблять.
На приведенной выше диаграмме мы видим два резистора, значения которых не указаны, один последовательно с входной линией питания, другой — на базе транзистора PNP.
Резистор на входе ограничивает максимально допустимый ток, который может быть поглощен или шунтирован транзистором PNP. Это можно рассчитать так же, как обсуждалось ранее для первой схемы регулятора TL431.Этот резистор защищает транзистор от сгорания из-за короткого замыкания на выходе.
Резистор на базе транзистора не критичен и может произвольно выбирать любое значение от 1 кОм до 4 кОм.
Области применения ИС TL431
Хотя вышеуказанные конфигурации могут использоваться в любом месте, где может потребоваться точная установка напряжения и эталоны, в настоящее время они широко используются в схемах SMPS для генерации точного опорного напряжения для подключенного оптопара, который в Turn побуждает входной МОП-транзистор SMPS отрегулировать выходное напряжение точно до желаемых уровней.
Для получения дополнительной информации перейдите на https://www.fairchildsemi.com/ds/TL/TL431A.pdf
самый распространенный чип, о котором вы никогда не слышали
Фотография кристалла интересной, но малоизвестной ИС блока питания TL431 дает возможность изучить, как аналоговые схемы реализованы в кремнии. Хотя приведенная ниже схема может выглядеть как лабиринт, на самом деле микросхема относительно проста и может быть реконструирована после небольшого изучения. В этой статье объясняется, как транзисторы, резисторы и другие компоненты реализованы в кремнии для формирования микросхемы, представленной ниже. Фотография штампа TL431. Оригинальное фото Zeptobars.TL431 является «программируемым прецизионным эталоном» [1] и обычно используется в импульсных источниках питания, где он обеспечивает обратную связь, указывающую, является ли выходное напряжение слишком высоким или слишком низким. За счет использования специальной схемы, называемой запрещенной зоной, TL431 обеспечивает стабильное опорное напряжение в широком диапазоне температур. На блок-схеме TL431 ниже показано, что он имеет опорное напряжение 2,5 В и компаратор [1], но, глядя на кристалл, видно, что внутренне он сильно отличается от блок-схемы.
TL431 имеет долгую историю; он был представлен в 1978 году [2] и с тех пор является ключевой частью многих устройств. Он помогал регулировать блок питания Apple II и теперь используется в большинстве блоков питания ATX [3], а также в зарядное устройство для iPhone и другие зарядные устройства. Адаптер MagSafe и другие адаптеры для ноутбуков используют его, а также миникомпьютеры, Драйверы светодиодов, блоки питания аудио, видеоигры и телевизоры. [4]
На фотографиях ниже показан TL431 внутри шести различных блоков питания.TL431 бывает разных форм и размеров; два наиболее распространенных показаны ниже. [5] Возможно, причина того, что TL431 не привлекает особого внимания, потому что он выглядит как простой транзистор, а не как микросхема.
Как компоненты реализованы в микросхеме TL431
Поскольку TL431 представляет собой довольно простую ИС, можно понять, что происходит с кремниевой схемой, внимательно изучив ее. Я покажу, как реализованы транзисторы, резисторы, предохранители и конденсаторы, а затем проведу обратный инжиниринг всей микросхемы.Реализация различных типов транзисторов в IC
В микросхеме используются двухпереходные транзисторы NPN и PNP (в отличие от микросхем, таких как 6502, которые используют транзисторы MOSFET). Если вы изучали электронику, вы, вероятно, видели схему NPN-транзистора, подобную приведенной ниже, на которой показаны коллектор (C), база (B) и эмиттер (E) транзистора. Транзистор изображен как сэндвич из кремния P между двумя симметричными слоями кремния N; слои N-P-N составляют транзистор NPN. Оказывается, на микросхеме транзисторы не выглядят так.База даже не посередине!Символ и структура транзистора NPN.
На фото ниже показан один из транзисторов TL431 в том виде, в каком он изображен на микросхеме. Разные розовый и фиолетовый цвета — это области кремния, которые были легированы по-разному, образуя N- и P-области. Беловато-желтые области — это металлический слой микросхемы поверх кремния — они образуют провода, соединяющие коллектор, эмиттер и базу.
Под фотографией находится рисунок в разрезе, примерно показывающий, как устроен транзистор.[6] В книгах есть нечто большее, чем просто бутерброд N-P-N, но если вы внимательно посмотрите на вертикальное поперечное сечение под буквой «E», вы можете найти N-P-N, образующий транзистор. Провод эмиттера (E) подключен к кремнию N +. Ниже находится слой P, подключенный к базовому контакту (B). А ниже находится слой N +, подключенный (косвенно) к коллектору (C). [7] Транзистор окружен кольцом P +, которое изолирует его от соседних компонентов. Поскольку большая часть транзисторов в TL431 представляет собой NPN-транзисторы с такой структурой, легко выбрать транзисторы и найти коллектор, базу и эмиттер, если вы знаете, что искать.
Транзистор NPN из кристалла TL431 и его кремниевая структура.
Выходной транзистор NPN в TL431 намного больше, чем другие транзисторы, поскольку он должен выдерживать полную токовую нагрузку устройства. Хотя большинство транзисторов работают от микроампер, этот транзистор поддерживает ток до 100 мА. Для поддержки этого тока он большой (занимает более 6% всей матрицы) и имеет широкие металлические соединения с эмиттером и коллектором.
Компоновка выходного транзистора сильно отличается от других NPN-транзисторов.Этот транзистор построен сбоку, с базой между эмиттером и коллектором. Металл слева подключается к 10 эмиттерам (голубоватый кремний N), каждый из которых окружен розоватым кремнием P для основания (средний провод). Коллектор (справа) имеет один большой контакт. Эмиттерный и базовый провода образуют вложенные «пальцы». Обратите внимание, как металл коллектора становится шире сверху вниз, чтобы поддерживать более высокий ток в нижней части транзистора. На изображении ниже показана деталь транзистора, а на фотографии кристалла — весь транзистор.
Крупный план сильноточного выходного транзистора в микросхеме TL431.
Транзисторы PNP имеют совершенно иную компоновку, чем транзисторы NPN. Они состоят из круглого эмиттера (P), окруженного кольцевым основанием (N), которое окружено коллектором (P). Это формирует сэндвич P-N-P по горизонтали (по бокам), в отличие от вертикальной структуры NPN-транзисторов. [8]
На схеме ниже показан один из транзисторов PNP в TL431, а также его поперечное сечение, показывающее кремниевую структуру.Обратите внимание, что хотя металлический контакт для базы находится на краю транзистора, он электрически подключен через области N и N + к своему активному кольцу между коллектором и эмиттером.
Структура транзистора PNP в микросхеме TL431.
Как резисторы реализованы в кремнии
Резисторы — ключевой компонент аналогового чипа, такого как TL431. Они выполнены в виде длинной полоски легированного кремния. (В этом чипе, похоже, для резисторов используется P-кремний.) Различное сопротивление достигается за счет использования резистивного материала разной длины: сопротивление пропорционально отношению длины к ширине.На фото ниже показаны три резистора на кристалле. Три длинные горизонтальные полоски представляют собой резистивный кремний, из которого состоят резисторы. Над резисторами проходят желтовато-белые металлические жилы. Обратите внимание на квадратные контакты, где металлический слой соединен с резистором. Положения этих контактов определяют активную длину резистора и, следовательно, сопротивление.Сопротивление резистора внизу немного больше, потому что контакты немного дальше друг от друга. Два верхних резистора соединены последовательно металлом в верхнем левом углу.
Резисторы в TL431.
Резисторы в ИС имеют очень плохие допуски — сопротивление может варьироваться на 20% от микросхемы к микросхеме из-за различий в производственном процессе. Очевидно, это проблема для прецизионного чипа, такого как TL431. По этой причине TL431 сконструирован таким образом, что важным параметром является соотношение сопротивлений, особенно R1, R2, R3 и R4.Пока все сопротивления изменяются в одном и том же соотношении, их точные значения не имеют большого значения. Второй способ, которым микросхема снижает влияние вариаций, заключается в ее расположении. Резисторы расположены параллельными полосами одинаковой ширины, чтобы уменьшить влияние любой асимметрии сопротивления кремния. Резисторы также расположены близко друг к другу, чтобы минимизировать любые различия в свойствах кремния между различными частями микросхемы. Наконец, в следующем разделе показано, как можно отрегулировать сопротивление перед упаковкой чипа, чтобы точно настроить его производительность.
Предохранители кремниевые для подстройки резисторов
Одна особенность TL431, которую я не ожидал, — это предохранители для уменьшения сопротивлений. Во время производства микросхем эти предохранители могут перегорать, чтобы отрегулировать сопротивление и повысить точность микросхемы. Некоторые более дорогие микросхемы имеют резисторы с лазерной подстройкой, при которых лазер сжигает часть резистора до того, как микросхема упакована, обеспечивая больший контроль, чем предохранитель.На фото кристалла ниже показана одна из цепей предохранителей. Есть небольшой резистор (на самом деле два параллельных резистора), подключенный параллельно предохранителю.Обычно предохранитель вызывает шунтирование резистора. В процессе изготовления можно измерить характеристики микросхемы. Если требуется большее сопротивление, два щупа контактируют с контактными площадками и подают большой ток. Это приведет к перегоранию предохранителя и добавлению небольшого сопротивления цепи. Таким образом, сопротивление в конечной цепи можно немного отрегулировать для повышения точности микросхемы.
Подстроечный предохранитель в TL431.
Конденсаторы
TL431 содержит два конденсатора внутри, и они реализованы по-разному.Первый конденсатор (под текстом TLR431A) представляет собой диод с обратным смещением (красноватые и пурпурные полосы). Переход обратно смещенного диода имеет емкость, которую можно использовать для образования конденсатора (подробности). Одним из ограничений этого типа конденсатора является изменение емкости в зависимости от напряжения из-за изменения ширины перехода.
Конденсатор перехода в микросхеме TL431 с встречно-штыревыми PN переходами. Идентификатор кристалла написан металлическим сверху.
Второй конденсатор сформирован совершенно иначе и больше похож на традиционный конденсатор с двумя пластинами.Здесь особо не на что смотреть: у него есть большая металлическая пластина с кремнием N + под ней, действующим как вторая пластина. Форма неправильная, чтобы соответствовать другим частям схемы. Этот конденсатор занимает около 14% кристалла, демонстрируя, что конденсаторы очень неэффективно используют пространство в интегральных схемах. В таблице данных указано, что емкость этих конденсаторов составляет 20 пФ каждый; Не знаю, настоящая это ценность или нет.
Конденсатор в микросхеме TL431.
Микросхема TL431 реконструирована
Матрица TL431 с маркировкой.
На схеме выше показаны компоненты на кристалле TL431, помеченные в соответствии со схемой ниже. Из предыдущего обсуждения структура каждого компонента должна быть ясна. Три контакта микросхемы подключены к контактным площадкам «ref», «anode» и «cathode». Чип состоит из одного слоя металла (желтовато-белого цвета), соединяющего компоненты. На схеме показаны сопротивления с точки зрения неизвестного масштабного коэффициента R; 100 & Ом; вероятно, разумное значение для R, но я не знаю точного значения.Один большой сюрприз от взгляда на кристалл заключается в том, что значения компонентов сильно отличаются от значений на ранее опубликованных схемах. Эти значения существенно влияют на работу опорного напряжения запрещенной зоны. [9]
Внутренняя схема TL431
Как работает микросхема
Внешне TL431 прост в эксплуатации. Если напряжение на входе вывода ref превышает 2,5 В, выходной транзистор проводит ток, вызывая протекание тока между выводами катода и анода.В источнике питания это увеличение потока тока сигнализирует микросхеме управления источником питания (косвенно), заставляя ее уменьшать мощность, которая вернет напряжение к желаемому уровню. Таким образом, источник питания использует TL431 для поддержания стабильного выходного напряжения.Я дам краткое описание внутренней работы чипа, а подробное объяснение напишу позже. Самая интересная часть микросхемы — это опорное напряжение запрещенной зоны с температурной компенсацией. [10] Ключ к этому можно увидеть, посмотрев на кристалл: у транзистора Q5 площадь эмиттера в 8 раз больше, чем у Q4, поэтому температура на два транзистора влияет по-разному.Выходы этих транзисторов объединены R2, R3 и R4 в правильном соотношении, чтобы нейтрализовать влияние температуры, образуя стабильный эталон. [11] [12]
Напряжения из температурно-стабилизированной запрещенной зоны передаются в компаратор, который имеет входы Q6 и Q1; Q8 и Q9 управляют компаратором. Наконец, выходной сигнал компаратора проходит через Q10 для управления выходным транзистором Q11.
Удаление крышки с TL431 низкотехнологичным способом
Получение фотографии кристалла ИС обычно включает растворение кристалла в опасных кислотах, а затем фотографирование кристалла с помощью дорогостоящего металлургического микроскопа.(Zeptobars описывает здесь свой процесс). Мне было интересно, что бы я получил, если бы просто расколол TL431 плоскогубцами Vise-Grip и посмотрел бы с помощью дешевого микроскопа. Я сломал матрицу пополам, но все же получил некоторые интересные результаты. На рисунке ниже показан большой медный анод внутри корпуса, который действует как теплоотвод. Рядом с ним находится (большая часть) кристалл, который обычно устанавливается на медный анод, где находится белый кружок. Обратите внимание, насколько меньше размер кристалла, чем упаковка.Корпус TL431, внутренний анод и большая часть кристалла.
Используя базовый микроскоп, Получил фото ниже. Хотя качество изображения не такое, как у Zeptobars, оно показывает структуру чипа лучше, чем я ожидал. Этот эксперимент показывает, что вы можете выполнять базовый уровень снятия колпачков и фотографирования кристаллов, не прибегая к опасным кислотам. На этой фотографии я вижу, что дешевые TL431, которые я заказал на eBay, идентичны тому, что сняли Zeptobars.Поскольку чип Zeptobars не соответствовал опубликованным схемам, я подумал, не получили ли они странный вариант чипа, но, видимо, нет.
Кусок матрицы TL431, сфотографированный через микроскоп.
Заключение
Неужели TL431 действительно самая популярная микросхема, о которой люди не слышали? Невозможно узнать наверняка, но я думаю, что это хороший кандидат. Похоже, что никто не публикует данные о том, какие ИС производятся в наибольших количествах. Некоторые источники говорят, что таймер 555 — самый популярный чип, который производится в миллиард в год (что мне кажется невероятно высоким).TL431 должен занимать первое место в списке популярности — у вас, вероятно, есть TL431 прямо сейчас под рукой (в зарядном устройстве телефона, адаптере питания ноутбука, блоке питания ПК или мониторе). Разница в том, что такие микросхемы, как 555 и 741, настолько известны, что являются почти частью поп-культуры. книги, футболки и даже кружки. Но если вы не работали с источниками питания, скорее всего, вы никогда не слышали о TL431. Таким образом, TL431 получает мой голос за наиболее распространенную микросхему, о которой люди не знают. Если у вас есть другие предложения по микросхемам, которые не привлекают того внимания, которого они заслуживают, оставьте комментарий.Благодарности
Фотографии кристаллов сделаны Zeptobars (кроме фотографии, которую я сделал). Схема и анализ в значительной степени основаны на Работа Кристофа Бассо. [12] В ходе анализа было проведено обсуждение с Михаилом из Zeptobars и группой Visual 6502, в частности, с Б.Энгл.Примечания и ссылки
[1] Поскольку TL431 выполняет необычную функцию, для ее функции нет стандартного названия. В различных таблицах данных он описывается как «регулируемый шунтирующий регулятор», «программируемый прецизионный эталон», «программируемое опорное напряжение шунта», и «программируемый стабилитрон».
[2] Я откопал немного истории о происхождении TL431 от Texas Instruments. Справочник по регулятору напряжения (1977 г.). Чип-предшественник, TL430, был представлен как регулируемый шунтирующий регулятор в 1976 году. TL431 был создан как усовершенствование TL430 с большей точностью и стабильностью и назывался регулируемым шунтирующим регулятором precision . TL431 был объявлен как продукт будущего в 1977 году и выпущен в 1978 году. Еще одним продуктом будущего, о котором TI анонсировала в 1977 году, был TL432, который должен был стать «строительным блоком таймера / регулятора / компаратора», содержащим опорное напряжение, компаратор и бустерный транзистор в одном корпусе.предварительный технический паспорт. Но когда вышел TL432, от плана «строительного блока» отказались. TL432 оказался просто TL431 с другим порядком контактов, чтобы облегчить компоновку печатной платы. техническая спецификация.
[3] Современные блоки питания ATX (например, пример) часто содержат три TL431. Один обеспечивает обратную связь для резервного источника питания, другой обеспечивает обратную связь для основного источника питания, а третий используется в качестве линейного регулятора для выхода 3,3 В.
[4] Интересно посмотреть на импульсные блоки питания, которые не используют TL431.В более ранних импульсных источниках питания в качестве источника опорного напряжения обычно использовался стабилитрон. В первых источниках питания Apple II в качестве источника опорного напряжения использовался стабилитрон (Astec AA11040), но вскоре он был заменен на TL431 в версии Astec AA11040-B. Модель B Commodore CBM-II использовала TL430 вместо TL431, что является необычным выбором. В миникомпьютерах HP-1000 использовались как TL430 (p69), так и TL431 (p73). В оригинальном блоке питания IBM PC для справки использовался стабилитрон (вместе со многими операционными усилителями).В более поздних источниках питания ПК часто использовался ШИМ-контроллер TL494, который содержал собственный источник опорного напряжения и работал от вторичной обмотки. В других источниках питания ATX использовался SG6105, который включал в себя два TL431 внутри.
Зарядные устройства для телефонов обычно используют TL431. Недорогие подделки — исключение; вместо этого они часто используют стабилитрон, чтобы сэкономить несколько центов. Другим исключением являются зарядные устройства, такие как зарядное устройство для iPad, в которых используется регулировка на первичной стороне и вообще не используется обратная связь по напряжению с выхода.См. Мою статью об истории блоков питания для получения дополнительной информации.
[5] TL431 доступен в большем количестве пакетов, чем я ожидал. На двух фотографиях показан TL431 в транзисторном корпусе с тремя выводами (TO-92). На остальных фотографиях показан корпус SOT23-3 для поверхностного монтажа. TL431 также выпускается в корпусах для поверхностного монтажа с 4, 5, 6 или 8 выводами (SOT-89, SOT23-5, SOT323-6, SO-8 или MSOP-8), а также более крупный корпус, такой как силовой транзистор (TO-252) или 8-контактный корпус IC (DIP-8).(фотографий).
[6] Для получения дополнительной информации о том, как биполярные транзисторы реализованы в кремнии, существует множество источников. Полупроводниковая технология дает хороший обзор конструкции NPN-транзистора. «Базовая обработка интегральных схем» — это презентация, в которой очень подробно описывается изготовление транзисторов. Диаграмма Википедии также полезна.
[7] Вы могли спросить, почему существует различие между коллектором и эмиттером транзистора, когда простая картина транзистора полностью симметрична.Оба подключаются к слою N, так почему это важно? Как видно на фотографии кристалла, в реальном транзисторе коллектор и эмиттер сильно отличаются. Помимо очень большой разницы в размерах, также отличается легирование кремнием. В результате транзистор будет иметь плохое усиление, если поменять местами коллектор и эмиттер.
[8] Транзисторы PNP в TL431 имеют круговую структуру, которая сильно отличается от транзисторов NPN. Круговая структура, используемая для транзисторов PNP в TL431, проиллюстрирована в книге «Разработка аналоговых микросхем» Ганса Камензинда, который был разработчиком таймера 555.Если вы хотите узнать больше о работе аналоговых микросхем, я настоятельно рекомендую книгу Камензинда, в которой аналоговые схемы подробно объясняются с минимумом математики. Загрузите бесплатный PDF или получите печатная версия.
Структура транзистора PNP также объясняется в Принципах полупроводниковых устройств. Анализ и проектирование аналоговых интегральных схем предоставляет подробные модели биполярных транзисторов и способы их изготовления в ИС.
[9] Транзисторы и резисторы в кристалле, который я исследовал, имеют очень разные значения от значений, опубликованных другими.Эти значения существенно влияют на работу опорного напряжения запрещенной зоны. Конкретно, предыдущие схемы показывают R2 и R3 в соотношении 1: 3, а Q5 имеет в 2 раза большую площадь эмиттера, чем Q4. На фото кристалла R2 и R3 равны, а площадь эмиттера Q5 в 8 раз больше, чем у Q4. Эти отношения приводят к другому ΔVbe. Чтобы компенсировать это, R1 и R4 различаются между предыдущими схемами и фотографией кристалла. Я объясню это подробно в более поздней статье, но суммирую Vref = 2 * Vbe + (2 * R1 + R2) / R4 * ΔVbe, что составляет примерно 2.5 вольт. Обратите внимание, что соотношение сопротивлений имеет значение, а не значения; это помогает противодействовать плохим допускам резисторов в микросхеме.
В кристалле Q8 сформирован из двух параллельно включенных транзисторов. Я ожидал, что Q8 и Q9 будут идентичны, чтобы сформировать сбалансированный компаратор, поэтому я не понимаю мотивацию, стоящую за этим. Моя основная теория заключается в том, что это немного увеличивает опорное напряжение до 2,5 В. Б. Энгл предполагает, что это может помочь устройству лучше работать при низком напряжении.
[10] Я не буду вдаваться в подробности ссылки на запрещенную зону, упомяну только, что это звучит как какое-то сумасшедшее квантовое устройство, но на самом деле это всего лишь пара транзисторов.Для получения дополнительной информации о том, как работает эталон запрещенной зоны, см. Как сделать эталон напряжения запрещенной зоны в одном легком уроке Пола Брокоу, изобретателя Ссылка на запрещенную зону. Презентация по ссылке на запрещенную зону находится здесь.
[11] В некотором смысле схема запрещенной зоны в TL431 работает «в обратном направлении» по отношению к обычному опорному напряжению запрещенной зоны. Обычная запрещенная схема обеспечивает необходимые эмиттерные напряжения для получения желаемого напряжения на выходе. Схема TL431 принимает опорное напряжение в качестве входа, а напряжения эмиттера используются в качестве выходов для компаратора.Другими словами, в отличие от блок-схемы, внутри TL431 есть стабильное опорное напряжение , а не , которое сравнивается с опорным входом. Вместо этого вход ref генерирует два сигнала для компаратора, которые совпадают, когда на входе 2,5 вольта.
[12] О TL431 написано много статей, но они, как правило, очень технические, предполагая наличие знаний в теории управления, графиках Боде и т. Д. TL431 в контурах импульсных источников питания — это классический образец TL431 Кристофа Бассо и Петра Каданка.Это объясняет TL431 от внутренних компонентов через компенсацию контура до фактического источника питания. Он включает подробную схему и описание внутренней работы TL431. Другие статьи по теме находятся на сайте powerelectronics.com. Проектирование с использованием TL431, Ray Ridley, Switching Power Magazine — это подробное объяснение того, как использовать TL431 для обратной связи по источнику питания, а также детали компенсации петли. TL431 в разделе «Управление импульсными источниками питания» — это подробная презентация ON Semiconductor.Техническое описание TL431 включает схему внутреннего устройства микросхемы. Как ни странно, сопротивления на этой схеме сильно отличаются от того, что можно увидеть на кристалле.
TL431 — Ссылки с программируемой точностью
% PDF-1.4 % 1 0 объект > эндобдж 5 0 obj / Заголовок (TL431 — Ссылки с программируемой точностью) >> эндобдж 2 0 obj > эндобдж 3 0 obj > эндобдж 4 0 obj > транслировать BroadVision, Inc.2021-08-04T15: 42: 16 + 02: 002021-08-04T15: 41: 29 + 02: 002021-08-04T15: 42: 16 + 02: 00application / pdf
Код 404 страница не найдена.К сожалению, страница отсутствует или перемещена.Ниже приведены основные подразделы этого сайта.
»Главная
» Эл. адрес
»Пожертвовать
» Преступление
»Хобби Электроника »Архив 1
»Архив 2
»Архив 3
»Архив 4
»Архив 5 Веб-сайт Авторские права Льюис Лофлин, Все права защищены. |
50PCS TL431 SOT TL431A SOT-23 431 SOT SMD новый регулятор напряжения IC По умолчанию Название 331.18 Каталог других электронных компонентов Электронный компонент Пакет комплекта электронных компонентов Плата модуля Плата интегральной схемы Оптопара Микроконтроллер серии 74 Другой диод SMD DO-41 DO-35 Светодиодный диод Мостовые выпрямители Другой резистор 0603 SMD 0805 SMD 1206 SMD 2512 SMD DIP резистор Сетевой резистор Другой транзистор IR MOSFET Регулятор напряжения (78 79) (MOSFET) полевая трубка TO-92 Транзистор SMD Другой конденсатор 0603 SMD 0805 SMD 1206 SMD Электролитический конденсатор Tantalum конденсатор Монолитный конденсатор CBB Регулируемый конденсатор 275AVC X2 конденсатор Другая другая электроника Кварцевый генератор IC гнездо Потенциометр Ниже приводится еще несколько Обычный транзистор TO-92 купить l чернила 2N2222 2SA1266 2SC945 BC337-40 BC640 MPSA92 2N2907 2SA733 2SD965 BC546B BD139 S8050 2N3055 2SA928 2SJ103 BC547B BD140 S8550 2N3904 2SC1008 2SK246 BC547C BF422 S9012 2N3906 2SC1384 2SK30A BC548B BF423 S9013 2N5401 2SC1815 2SB647 BC556B BS170 S9014 2N5551 2SC2328 2SB772 BC557B MJE13001 S9015 2N7000 2SC2383 BC327-25 BC558B MJE13002 S9018 2SA1015 2SC2655 BC327-40 BC559B MJE13003 SS8050 2SA1020 2SC3198 BC337-25 BC639 MPSA42 SS8550 TL431 Ниже приведено еще несколько общих транзисторных SOT купить ссылку 2SA1015 2SC945 BC817-16DB M5082290 MB 2SC945 BC817-1680 M50
0 M50
0 TL431 S9018 2SC1623 BC807-25 BC857B MMBT5401 S8050 2SC1815 BC807-40 BC846B MMBT5551 S8550 2SC3356 BC817-16 BC847B MMBTA42 S9012 2SC3357 BC817-25 BC847C MMBTAV2 S9013 LB817-25 BC847C MMBTAV2 78L08L08M08L09125125128128L08M08L08125 78L09 TO92 78M12 HT7533 TO92 L7815CV LM317T 78L08 SOT 78L10 TO92 78M15 HT7533 SOT L7818CV LM334Z 78L09 SOT 78L12 TO92 HT7130 TO92 TL431 SOT L7824CV LM337LZ 78L10 SOT 78L15 TO92 HT7130 SOT TL431 TO92 L7905CV LM338K 78L12 SOT 79L05 TO92 HT7133 TO92 L7805CV L7906CV LM338T 78L15 SOT 79L12 TO92 HT7133 SOT L7806CV L7908CV LM350T 79L05 SOT 79L15 TO92 HT7150 TO92 L7808CV L7909CV 78L05 TO92 78M05 HT7333 TO92 L7809CV L7912CV 78L06 TO92 78M08 HT7333 SOT L7810CV L7915CV Смарт-устройство
, 300 Вт, 20 А, понижающий преобразователь постоянного тока, понижающий модуль постоянного тока, светодиодный драйвер, модуль понижающего напряжения, электролитический конденсатор
Обычная цена Rs.2 008,46
Код 404 страница не найдена. К сожалению, страница отсутствует или перемещена.Ниже приведены основные подразделы этого сайта.
|