Параметры tl431: Описание регулируемого стабилитрона TL431. Схемы включения, цоколевка, аналоги, datasheet

Параметры tl431: Описание регулируемого стабилитрона TL431. Схемы включения, цоколевка, аналоги, datasheet

Содержание

TL431 datasheet, TL431 схема включения, цоколевка, аналог

Про светодиоды уже написал достаточно много, теперь читатели не знают как их правильно и питать, чтобы они не сгорели раньше положенного срока. Теперь продолжаю ускоренно пополнять раздел блоков питания, стабилизаторов  напряжения и преобразователей тока.

В десятку популярных электронных компонентов входит регулируемый стабилизатор TL431 и его брат  ШИМ контроллер TL494. В источниках питания он выступает в качестве «программируемого источника опорного напряжения, схема включения очень простая.  В импульсных блоках питания на ТЛ431 бывает реализована обратная связь и опорное напряжение.

Ознакомитесь с характеристикам и даташитами других ИМС применяемых для питания LM317, TL431, LM358, LM494.



Содержание

  • 1. Технические характеристики
  • 2. Схемы включения TL431
  • 3. Цоколёвка TL431
  • 4. Datasheet на русском
  • 5. Графики электрических характеристик

Технические характеристики

Вид корпусов ТЛ431

Широкое применение  получила благодаря  крутости своих технических характеристик и стабильностью параметров при разных температурах. Частично функционал похож на известную LM317, только она работает на малой силе тока и предназначена для регулировки. Все особенности и типовые схемы включения указаны в datasheet на русском языке. Аналог TL431 будет отечественная КР142ЕН19 и импортная К1156ЕР5, их параметры очень похожи. Других аналогов особо не встречал.

Основные характеристики:

  1. ток на выходе до 100мА;
  2. напряжение на выходе от 2,5 до 36V;
  3. мощность 0,2W;
  4. температурный диапазон TL431C от 0° до 70°;
  5. для TL431A от -40° до +85°;
  6. цена от 28руб за 1 штуку.

Подробные характеристики и режимы работы указаны  в даташите на русском в конце этой страницы или можно скачать tl431-datasheet-russian.pdf

Пример использования на плате

Стабильность параметров зависит от температуры окружающей среды, она очень стабильная, шумов на выходе мало и напряжение плавает +/- 0,005В по даташиту. Кроме бытовой модификации TL431C от 0° до 70°  выпускается вариант с более широким температурным диапазоном TL431A от -40° до 85°. Выбранный вариант зависит от назначения устройства. Аналоги имеют совершенно другие температурные параметры.

Проверить исправность микросхемы мультиметром нельзя, так как она состоит из 10 транзисторов. Для этого необходимо собрать тестовую схему включения, по которой можно определить степень исправности, не всегда элемент полностью выходит из строя, может просто подгореть.

Схемы включения TL431

Рабочие характеристики стабилизатора задаются двумя резисторами. Варианты использования данной микросхемы могут быть различные, но максимальное распространение она получила в блоках питания с регулируемым и фиксированным напряжением. Часто применяется в  стабилизаторах тока в зарядных USB устройствах, промышленные блоки питания,  принтеров  и другой бытовой техники.

TL431 есть практически в любом блоке питания ATX от компьютера, позаимствовать можно из него. Силовые элементы с радиаторами, диодными мостами тоже там есть.

На данной микросхеме реализовано множество схем зарядных устройств для литиевых аккумуляторов. Выпускаются радиоконструкторы для самостоятельной сборки своими руками. Количество вариантов применение очень большое, хорошие схемы можно найти на зарубежных сайтах.

Цоколёвка TL431

Как показывает практика, цоколевка TL431 может быть разной, и зависит от производителя. На изображении показана распиновка  из даташита Texas Instruments. Если вы её извлекаете из какой нибудь готовой платы, то цоколевку ножек можно увидеть по самой плате.

Datasheet на русском

..

Многие радиолюбители не очень хорошо знают английский язык и технические термины. Я достаточно неплохой владею языком предполагаемого противника, но при разработке меня всё равно напрягает постоянное вспоминание перевода электрических терминов на русский.  Перевод  TL431 datasheet на русском сделал наш коллега, которого и благодарим.

Графики электрических характеристик

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.

 

Микросхема TL431 (стабилитрон TL-431): параметры и характеристики микросхемы

Есть много известных, знаковых, новаторских и одновременно простых конструкций интегральных схем, которые превзошли ожидания своих создателей, стали популярными и даже как-то повлияли на развитие электроники. Одна из них управляемый стабилитрон tl431. Сделанная в 1978 году микросхема tl431 до сих пор широко применяется во многих профессиональных и любительских проектах.

Внешний вид TL431

Эксплуатационные характеристики tl431

Чтобы составить представление о конструкции tl431, надо изучить datasheet устройства или описание микросхемы на русском языке, которое можно найти в сети.

Часто tl431-ая система представлена в виде компаратора или конкретного транзистора с опорным напряжением 2,5 В и напряжением насыщения около 2 В. Транзистор открывается в момент достижения напряжения между анодной (Anode) и входной (Reference) клеммой 2,5 В, ток начинает протекать от анода к катоду. Если напряжение ниже величины открытия, транзистор запирается. Интерпретация схемы тл в виде такого транзистора облегчает понимание ее работы.

Упрощенное представление tl431

Фактически, это интегральная схема с расширенной внутренней структурой, состоящей из нескольких транзисторов, резисторов и конденсаторов.

В «даташите» представлены различные параметры системы, главными рабочими характеристиками являются:

  1. Максимальное катодное напряжение 36 В;
  2. Источник очень стабилен, имеет температурный дрейф обычно около 3-7 мВ;
  3. Входной ток (Ref) составляет 1-5 мкА;
  4. Минимальное значение катодного тока рекомендуется 1 мА, максимальное 100 мА.

Преимущества tl431:

  • регулируемое напряжение;
  • потребляет мало энергии;
  • защищает аккумулятор от глубокой разрядки;
  • может использоваться, как регулируемый Z-диод и как управляемый усилитель;
  • обладает только тремя контактами;
  • низкая стоимость.

Цоколевка микросхемы зависит от фирмы-изготовителя и может различаться. Если радиолюбители выпаивают tl431 из какой-либо платы, то распиновка будет на ней видна.

Цоколёвка tl431 с несколькими разновидностями исполнения представлена на рисунке.

Разновидности распиновки tl431

Схема включения

Для tl431 схема включения зависит от того, для каких целей предназначается устройство. Простейшее его применение стабилизация напряжения заданной величины.

На вход tl431 подключается делитель напряжения, выполненный с помощью пары резисторов. С учетом технических данных микросхемы можно вычислить требуемые сопротивления.

Допустим, на выходе необходимо получить 5 В. Расчеты ведутся на основании формулы:

Vout = (1 + R1/R2) x Vref.

Полная формула записывается в виде:

Vout = (1 + R1/R2) x Vref + (Iref x R1), но вторую часть уравнения можно игнорировать, так как это очень маленькое значение, хотя все будет зависеть от используемой схемы.

  1. 5 В = (1 + R1/R2) х 2,5;
  2. R1/R2 = 1.

Так как соотношение сопротивлений равно 1, должны использоваться два резистора с одинаковым сопротивлением.

Второй пример для выходного напряжения 2,75 В:

  1. 2,75 В = (1 + R1/R2) х 2,5;
  2. R1/R2 = 0,1.

Например, если один резистор взят сопротивлением 1 кОм, то другой должен быть 10 кОм.

Схема стабилизатора напряжения

В результате опорное напряжение сохраняется на уровне 2,5 В, останавливая свой выбор на различных сопротивлениях делителя, можно создать стабилизатор заданного значения напряжения.

Важно! В случае необходимости стабилизировать напряжение 2,5 В делитель не используется, а входной вывод tl431 соединяется с катодом.

Стабилизатор тока

Микросхема tl431 находит применение и как стабилизатор тока. Здесь для расчета сопротивления при желаемом токе применяется формула:

R2 = Vref/Io, где:

  • R2 – сопротивление,
  • Io – желаемый ток.

Так как напряжение Vref = 2,5 В, то R2 = 2,5/Io. При этом через сопротивление R2 выполняется обратная связь для сохранения уровня входного напряжения Vref.

Стабилизатор тока

Схемы с датчиками

Во многих схемах необходимо контролировать параметры при помощи различных датчиков (фоторезисторов, терморезисторов). Общая схема получается похожей, как для делителя, за исключением замены одного из сопротивлений. На его месте устанавливается, например, терморезистор, а катод tl431 подключается к катушке реле. Значение температуры устанавливается при помощи потенциометра. Когда температура превышает предел срабатывания, соотношение сопротивлений изменяется, напряжение на контакте управления tl431 превышает уровень открывания, ток пропускается на катушку реле, имеющую замыкающие контакты в цепи нагрузки.

Схема с термодатчиком

Зарядное устройство

Для зарядных устройств важно ограничивать параметры тока и напряжения заряда во избежание повреждения аккумуляторов. Такая схема легко может быть реализована с применением интегральной микросхемы tl431 и других элементов:

  1. Если выходное напряжение не достигло показателя 4,2 В, регулирование зарядного тока осуществляется посредством транзисторов и резисторов;
  2. По достижении значения 4,2 В выходное напряжение ЗУ контролируется tl431, не позволяя ему повышаться дальше.

Проверка микросхемы

Радиолюбители задаются вопросом, как проверить tl431 мультиметром? Простая прозвонка микросхемы невозможна, ведь она содержит много элементов. Но есть способ, как проверить работоспособность устройства, собрав специальную схему из резисторов, кнопки и самой ТЛ-схемы. Подключение мультиметра на выход схемы теперь поможет определить исправность tl431.

Схема проверки tl431

Если нажать на кнопку, тестер покажет выходное напряжение 2,5 В, при отпущенной кнопке – 5 В.

При создании устройства предполагалось, что все микросхемы данного типа от разных производителей будут иметь цифровые символы 431, а буквенные могут отличаться, например, az431, другой аналог KIA431. Затем стали менять и цифры. Для tl431 аналог отечественный тоже существует. Это КР142ЕН19.

Видео

Оцените статью:

Tl431 — схема и принцип включения, характеристики, использование

Все люди, которые интересуются электрикой и все, что с ней связано, изучают различные микросхемы, в том числе цоколевку TL431. Что собой представляет tl431 схема включения, какие у нее основные технические характеристики, как ее использовать, каков источник опорного напряжения на tl431? Об этом и другом далее.

Что это такое

Цоколевка TL431 является одной из микросхем, которая массово стала выпускаться с 1978 года. Ее можно было найти в большинстве советской электронике. Делая точное описание, необходимо сказать, что это прецизионный программируемый источник опорного напряжения. Он популярен из-за того, что имеет низкую стоимость, высокую точность и универсальность.

Основные разновидности цоколевки TL431

Характеристики

Обладает анодно-катодным напряжением в 36 вольт, анодно-катодным током до 100 микроампер, опорным источником напряжения от 0,5 до 2%. Работает в широком диапазоне напряжений, имеет маленькие токовые импульсные параметры в 100 микроампер.

Обратите внимание! Чтобы получить более мощный параллельный ток, то интегральный стабилитрон должен стать источником опорного напряжения, который бы регулировал функцию в качестве мощного транзистора.

Основные технические характеристики прецизионного программируемого источника опорного напряжения

Особенности эксплуатации

TL431 обладает мощным корпусом, программируемым выходным напряжением, низким эквивалентным температурным и световым коэффициентом, не содержит свинца и имеет низкий выход шума сигнализатора. Проверяется мультиметром.

Принцип работы очень просто понять, смотря на структурную схему. В момент того, когда напряжение на выходе ниже, чем на опоре, то на конце операционный усилитель будет работать с такой же силой. Если же этот показатель будет в норме, то усилителем будет открыт транзистор и по катоду с анодом будет течь заряд.

Использование и принцип включения цоколевки TL431

Компенсационный стабилизатор напряжения

Принцип его работы такой же, как и у обычного стабилитрона. Благодаря разности напряжения у входа и выхода компенсируется мощного вида биполярный транзистор. Однако стабилизированная точность выше благодаря выходу стабилизатора.

Обратите внимание! Для стабилизации тока используется промежуточный вид усилительного каскада. Оба транзисторных устройства работают с эмиттерным повторителем, то есть усиливается ток и не повышается показатель силы.

Подключение компенсационного стабилизатора напряжения

Реле времени

Важно понимать, что TL431 многофункциональный. Благодаря показателю в 4 микроампера входного тока, можно сделать реле времени. Когда основной контакт разомкнется, медленно начнет заряжаться транзистор. При получении напряжения в 2,5 вольт, транзистор на выходе будет открыт, и благодаря оптопаровому светодиоду будет протекать электроток. В соответствии с этим будет открыт фототранзистор и замкнута внешняя цепь.

Согласно приведенной ниже схеме, второй резистор осуществляет ограничение тока с помощью оптрона и стабилизатора, третий же предупреждает тот момент, чтобы зажегся светодиод.

Схема работы реле времени

Стабилизатор тока

Представленная ниже схема это термостабильный вид токового стабилизатора. Резистор в данном случае это своеобразный шунт, который поддерживает токовое напряжение в размере 2,5 вольт. Так при пренебрегании токовой базы, можно получить ток, имеющий нагрузку Iн=2,5/R2. При формировании значения в Омах, ток будет представлен в Амперах и наоборот.

Стабилизатор тока на TL431 схема

Зарядное устройство для литиевого аккумулятора

Главным отличием зарядника от блока питания является четкое разграничение токового заряда. Следующая картинка представлена в двух ограничиваемых режимах: тока и напряжения. Пока выходное напряжение менее 4,2 вольт, осуществляется ограничение выходного тока. Как только оно достигнет этого показателя, то начнет электроток понижаться.

Следующая схема предусматривает ограничение электротока внешними транзисторами. R1 осуществляет шунтовую функцию, VT1 осуществляет открытие и закрытие второго транзистора. В этот момент напряжение в третьем падает. Ток падает и вовсе прекращается. Так осуществляется токовая стабилизация.

Обратите внимание! В момент подбора к 4,2 вольтовому уровню, функционировать начинает DA1 и осуществляет ограничение напряжения на выходе зарядника.

Чем можно заменить

Заменить устройство сегодня можно отечественным и зарубежным аналогом. Отлично справляются со своей задачей TL431, TL431A, TL431ACD, TL431ACZ, TL431CLP, TL431CD и другие.

Основной аналог цоколевки TL 431 — TL431CD

В целом, цоколевка TL431 является регулируемым стабилитроном, используемым как источник опорного напряжения в разных блоках питания. С самого начала выпуска ее использовали в компьютерах, ноутбуках и прочей электронике. Принцип ее работы прост: операционный усилитель открывает транзистор и к аноду начинает протекать ток. Имеет свое реле, стабилизатор тока и зарядник. Аналогом оборудования служит TL431CLP, TL431CD и другие.

Схема включения и параметры TL431

Устройство TL431 является стабилизатором напряжения и программируемым источником опорного напряжения. Оно является наиболее популярным в сфере использования импульсных источников питания. В статье объясняется, что это такое, имеется описание того, где и как используются TL431 и TL431A, рассказывается, какие существуют особенности конструкции. Также указаны технические характеристики и прилагаются схемы подключения и применения устройства.

Что это такое

Параллельный стабилизатор TL431 работает так же, как стандартный стабилизатор. Различие уровня напряжения выхода и входа компенсируется благодаря мощному транзистору биполярного типа. Стабилизация будет лучше при условии того, что обратная связь поступает с выхода самого стабилизатора.

Резистор R1 должен быть рассчитан на минимальный ток, который равен 5 мА. Резисторы R2 и R3 рассчитываются аналогично, как для стабилизатора параметрического типа. Через каждый резистор протекает ток, у которого сила обратно пропорциональна значению сопротивления резистора. Существует два типа соединений резисторов: параллельное и последовательное соединение в форме цепи.

Где и как используется

Такие устройства, как правило, используются для компенсации колебаний напряжения в сети. Например, когда включена большая машина, потребность в энергии внезапно становится намного выше. Стабилизатор напряжения компенсирует изменение нагрузки. Стабилизаторы напряжения обычно работают в диапазоне напряжений, например, 150-240 В или 90-280 В.

Стабилизаторы напряжения используются в таких устройствах, как блоки питания компьютеров, где они стабилизируют напряжения постоянного тока. В автомобильных генераторах и центральных электростанциях-генераторах стабилизаторы напряжения контролируют мощность установки.

Выпускать устройство TL431 начали в 1977 году. Оно применяется в качестве источника опорного напряжения в схемах различных блоков питания ТВ, DVD, тюнеров и других разновидностей видео- и аудиотехники.

Также устройство необходимо для реализации обратной связи: выходное напряжение очень большое или же очень маленькое. Эксплуатируя участок цепи, который называется бандгап (источник опорного напряжения; его величина определяется шириной запрещённой зоны), TL431 является стабильным источником опорного напряжения в широких температурных диапазонах.

Особенности конструкции

У TL431 есть альтернативная версия TL43LI, у которой более лучшая стабильность, а также более низкий температурный дрейф (VI (dev)). Также у улучшенной версии более низкий опорный ток, которой необходим для повышения уровня точности всей системы.

Устройство TL431 является трёхконтактным и регулируется шунтирующим регулятором с термической стабильностью. Напряжение на выходе может устанавливаться между значением источника опорного напряжения (Vref) 2.5 и 36 В с двумя внешними резисторами. У устройства на выходе стандартный электрический импенданс – 0,2 Ом. Схема активного выхода обеспечивает очень точный способ включения. Эта возможность делает аппарат превосходной заменой диодов Зенера (стабилитронов) во многих областях применения, таких как встроенное регулирование и переключение источников питания.

Другая версия устройства – TL432 – имеет те же функциональные и технические характеристики, что и верися TL431, но имеет различные выводы для цоколевки DBV, DBZ и PK. Обе версии TL431 и TL432 представлены в трех классах с изначальными температурными пределами (при 25 градусах) 0.5%, 1% и 2% для B, A и стандартного класса соответственно. Более того, низкий дрейф на выходе в зависимости от температуры обеспечивает хорошую стабильность во всем диапазоне рабочих температур.

Цоколевка TL431 имеет следующий вид: 

Распиновка TL431 выглядит так:

Технические характеристики TL431 и TL431A

У TL431A и TL431 такие параметры:

  • Мощность составляет 0.2 Вт.
  • Электрический ток на выходе достигает 100 мА.
  • Напряжение на выходе варьируется от 2,5 до 36 В.
  • Рабочая температура TL431 в диапазоне от 0 до +70 градусов.
  • Рабочая температура TL431A варьируется от -40 до +85 градусов.

Также важны другие параметры.

Выходное напряжение

Оно может поддерживаться постоянным только в указанных пределах.

Регулировка нагрузки

Эта характеристика является изменением выходного напряжения для данного текущего тока нагрузки

Линейное регулирование или регулирование на входе

Это степень, в которой выходное напряжение претерпевает изменения с изменением входного (питающего) напряжения. Это аналогично отношению изменения выходного сигнала к входному или изменению выходного напряжения за весь промежуток времени.

Температурный коэффициент выходного напряжения

Это показатель изменения температуры (усредненное по заданному температурному диапазону).

Изначальная точность регулятора напряжения (или точность напряжения)

Оно отображает ошибку в выходном напряжении для заданного регулятора без учета температурного фактора на точность вывода.

Падение напряжения

Показатель – минимальная разница между входным и выходным напряжением. Для этой разницы регулятор все еще может подавать указанный ток. Дифференциальный ток ввода-вывода, при котором регулятор напряжения не будет выполнять свою функцию, – падение напряжения. Дальнейшее снижение входного напряжения может привести к понижению выходного напряжения. Данное значение зависит от тока нагрузки и температуры перехода.

Пусковой ток или импульсный входной ток

Также называется импульсный выброс при включении. Данный параметр отображает максимальный мгновенный входной ток, который потребляется устройством во время первого включения. Период длительности пускового тока – полсекунды (или несколько миллисекунд), тем не менее он почти всегда высок. Учитывая это, он является опасным, так как может постепенно сжигать детали (в течение нескольких месяцев), особенно если нет соответствующей защиты от такого типа тока.

Ток покоя в цепи регулятора

Этот электрический ток потребляется внутри цепи. Он недоступен для нагрузки и измеряется как входной ток без подключения нагрузки.

Переходная реакция

Эта реакция происходит, когда случается внезапное изменение электротока нагрузки или же входного напряжения.

Расчёт напряжения TL431 

Схемы применения TL431

Для того, чтобы правильно подключить, важно соблюдать технику безопасности и следовать последовательности, как, например, при применении схемы подключении двухклавишного выключателя или при применении схемы подключения узо.

Работа микросхемы

Извне принцип работы аппарата выделяется довольно несложно. Если подать на контакт ref напряжение, которое превышает 2 В, тогда выходной транзистор проведёт электрически ток между анодом и катодом. Ток, который идёт к микросхеме, в блоке питания в таком случае увеличивается. Это вызывает уменьшение мощности блока питания. Затем происходит уменьшение напряжения до допустимого уровня. Следовательно, для блока питания применяют TL431 с целью того, чтобы поддерживалось стабильное выходное напряжение.

Одна из самых важных частей микросхемы – источник опорного напряжения. Он эквивалентен ширине запрещённой зоны. Основные составляющие есть на фото кристалла – пространство эммитера транзистора Q5 в восемь раз превышает Q4. Так, два транзистора имеют разные реакции на температуру. Объединение выходных сигналов с транзисторов происходит посредство объединения через резисторы R4, R3 и R2 в необходимой пропорции с целью компенсации эффектов температуры. Итого, формируется стабильный опорный сигнал.

В компаратор по температуре из стабилизированной запрещённой зоны посылается напряжение. Входом компаратора служат Q9 и Q8, Q1 и Q6. Выход же компатора идёт через Q10, чтобы управлять резистором Q11 (выходной).

Схема включения TL431

Схема включения и контроля напряжения TL431A

Нередко терморезистор выполняет функцию датчика температуры, уменьшая степень своего сопротивления в случае возрастания температуры. Это происходит по причине отрицательного температурного коэффициента сопротивления (ТКС). Те резисторы, у которых сопротивление увеличивается вместе с увеличением температуры (с положительным значением ТКС), имеют название позисторы. В этом терморегуляторе в случае превышения температуры заданного лимита, заработает реле или любое другое устройство с подобными функциями. Оно сразу же отключит нагрузку или включит систему охлаждения в зависимости от ситуации.

Данная схема имеет малый гистерезис, и чтобы его увеличить, нужно ввести ООС (отрицательная обратная связь) между выводами 1-3. К примеру, подстроченный резистор с сопротивлением 1.0-0.5 мОм. Надо подобрать экспериментальным путём подобрать в зависимости от требуемого гистерезиса. Если требуется, чтобы устройство срабатывало во время температурного снижения, тогда следует поменять местами регуляторы и датчик. Иначе говоря, включить в верхнее плечо термистор, а в нижнее – переменное сопротивление с самим резистором.

Подключение устройства TL431 требует внимания и является ответственной операцией, при которой важно не пренебрегать правилами безопасности, как например при подключении электроплиты.

tl431, tl432 — Регулируемые источники опорного напряжения — DataSheet

Свойства

  • Допустимое отклонение опорного напряжения при 25 ° C
    — 0,5% (класс B)
    — 1% (класс A)
    — 2% (стандартный класс)
  • Регулируемое выходное напряжение: от Vref до 36 В
  • Эксплуатация от −40 ° C до 125 ° C
  • Номинальный температурный дрейф (TL43xB)

-6 мВ (C Temp)

-14 мВ (I Temp, Q Temp)

  • Низкий выходной шум
  • Номинальное выходное сопротивление 0,2 Ом
  • Допустимый ток потребления: от 1 мА до 100 мА

Применение

Регулируемые источники опорного напряжения и тока

  • Стабилизация на выходе в обратноходовых импульсных источниках питания
  • Замена стабилитрона
  • Контроль напряжения
  • Компаратор со встроенным источником опорного напряжения

Упрощенная схемаКупить TL431

Описание

TL431LI / TL432LI в корпусах для поверхностного монтажа — это альтернатива TL431 / TL432. TL43xLI дают лучшую стабильность, более низкий температурный дрейф (VI (dev)) и более низкий опорный ток (Iref) для повышения точности системы.

Источники опорного напряжения (ИОН) TL431 и TL432 представляют собой регулируемые шунтирующие стабилизаторы с тремя выводами с заданной температурной стабильностью в соответствии с условиями применения (автомобили, коммерческое или военное назначение). Для выходного напряжения можно установить любое значение от Vref (приблизительно 2,5 В) до 36 В с помощью двух внешних резисторов. Эти устройства имеют номинальное выходное сопротивление 0,2 Ом. Схема активного выхода обеспечивает очень резкую характеристику включения, что делает эти устройства отличной заменой стабилитронам во многих применениях, таких как встроенные стабилизаторы, регулируемые источники питания и импульсные источники питания. ИОН TL432 имеет точно такие же функциональные возможности и электрические характеристики, что и TL431, но имеет другие распиновки для корпусов DBV, DBZ и PK. Отечественным налогом является микросхема 142ЕН19.

TL431 и TL432 изготовляются трех классов с начальными допусками (при 25 ° C) 0,5%, 1% и 2% для классов B, A и стандартного соответственно. Кроме того, низкий дрейф выходного сигнала в зависимости от температуры обеспечивает хорошую стабильность во всем температурном диапазоне.

TL43xxC рассчитаны на работу от 0 ° C до 70 ° C, TL43xxI — от –40 ° C до 85 ° C, а TL43xxQ — от –40 ° C до 125 ° C. .

Типы корпусов

1 Схематическое представление

Расположение выводов для корпуса TO-92 (вид сверху)Рис. 2 Расположение выводов для корпуса SO8 (вид сверху)Рис. 3 Расположение выводов для корпусов SOT23-5 и SOT23-3 (вид сверху)

Рис. 4 Расположение выводов для корпуса SOT323-6 (вид сверху)Рис. 5 Блок-схема TL431 и TL432

2 Абсолютные максимальные значения и условия эксплуатации

Абсолютные максимальные значения
Обозначение Параметр Значение Ед. изм.
VKA Напряжение между катодом и анодом 37 В
Ik Диапазон катодного тока от -100 до +150 мА
Rthja Тепловое сопротивление между кристаллом и окружающей средой
TO-92 200 °C/Вт
SO-8 85 °C/Вт
SOT23-3L 248  °C/Вт
SOT23-5L  157  °C/Вт
SOT323-6L  221 °C/Вт
 Rthjс Тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом
SO-8 30 °C/Вт
SOT23-3L 136 °C/Вт
SOT23-5L 67 °C/Вт
SOT323-6L 110 °C/Вт
Tstg Температура хранения от -65 до +150 °C
TJ Температура p-n перехода 150 °C
ESD TL431IY, TL431AIY-T: HBM (модель человеческого тела) 3000 В
TL431-TL432: HBM (модель человеческого тела)  2000
MM: модель машины 200
CDM: Модель заряженного устройства  1500
  1. Короткое замыкание может привести к перегреву. Все значения являются типовыми.
  2. Модель человеческого тела представляет собой конденсатор 100 пФ, заряженный до указанного напряжения, который разряжается между двумя выводами устройства, через резистор 1,5 кОм. Это проделывается для всех комбинаций пар связанных выводов.
  3. Модель машины: конденсатор 200 пФ , заряженный до указанного напряжения, который разряжается между двумя выводами устройства без внешнего резистора (внутреннее сопротивление < 5 Ом). Это проделывается для всех комбинаций пар связанных выводов.
  4. Модель заряженного устройства: все выводы и корпус заряжаются вместе до указанного значения напряжения, а затем разряжаются непосредственно на землю только через один вывод.
Рабочие значения
Обозначение Параметр Значение Ед. изм.
VKA Напряжение между катодом и анодом от Vref  до 36 В
Ik Катодный ток от 1 до 100 мА
Toper Диапазон рабочих температур на открытом воздухе
TL431C/AC от 0 до +70 °C
TL431I/AI — TL432I/AI от -40 до +105
TL431IY/AIY от -40 до +125

3 Электрические характеристики

TL431C (Tamb = 25° C, если не указано иное) 
Обозначение Параметр TL431C TL431AC Ед. изм.
Мин. Тип. Макс. Мин. Тип. Макс.
Vref Входное опорное напряжение В
VKA = Vref, Ik = 10 мА, Tamb = 25° C 2.44 2.495 2.55 2.47 2.495 2.52
Tmin ≤ Tamb ≤ Tmax 2.423 2.567 2.453 2.537
 ΔVref Отклонение входного опорного напряжения в зависимости от температуры мВ
VKA = Vref, Ik = 10 мА, Tmin ≤ Tamb ≤ Tmax 3 17 3 15
Vref/Vka Отношение изменения входного опорного напряжения к изменению напряжения между анодом и катодом (1)
Ik = 10 мА , ΔVKA = от 10 В до Vref -2.7 -1.4  -2.7 -1.4 мВ/В
ΔVKA = от 36 В до 10 В  -2 -1 -2 -1
 Iref Входной опорный ток  Ik = 10 мА, R1 = 10 кОм, R2 = ∞ мкА
Tamb = 25° C 1.8 4 1.8 4
Tmin ≤ Tamb ≤ Tmax 5.2 5.2
ΔIref Отклонение входного опорного тока в зависимости от температуры мкА
Ik = 10 мА, R1 = 10 кОм, R2 = ∞
Tmin ≤ Tamb ≤ Tmax 0.4 1.2 0.4 1.2
Imin Минимальный катодный ток для управления VKA = Vref  0.5 1 0.5 0.6 мА
 Ioff Катодный ток в закрытом состоянии  2.6  1000  2.6  1000  нА
|ZKA| Полное динамическое сопротивление (2) VKA = Vref, ΔIk = от 1 до 100 мА f ≤ 1 кГц  0.22  0.5  0.22 0.5 Ом
  1. См. пункт 3.1
  2. Полное динамическое сопротивление рассчитывается по формуле: |ZKA| =ΔVKA/ΔIk
TL431I/TL432I (Tamb = 25° C, если не указано иное) 
Обозначение Параметр TL431I/TL432I TL431AI/TL432AI Ед. изм.
Мин. Тип. Макс. Мин. Тип. Макс.
Vref Входное опорное напряжение В
VKA = Vref, Ik = 10 мА, Tamb = 25° C 2.44 2.495 2.55 2.47 2.495 2.52
Tmin ≤ Tamb ≤ Tmax 2.41 2.58 2.44 2.55
ΔVref Отклонение входного опорного напряжения в зависимости от температуры (1) мВ
VKA = Vref, Ik = 10 мА, Tmin ≤ Tamb ≤ Tmax 7 30 7 30
Vref/Vka Отношение изменения входного опорного напряжения к изменению напряжения между анодом и катодом
Ik = 10 мА , ΔVKA = от 10 В до Vref -2.7 -1.4  -2.7 -1.4 мВ/В
ΔVKA = от 36 В до 10 В  -2 -1 -2 -1
 Iref Входной опорный ток  Ik = 10 мА, R1 = 10 кОм, R2 = ∞ мкА
Tamb = 25° C 1.8 4 1.8 4
Tmin ≤ Tamb ≤ Tmax 6.5 6.5
ΔIref Отклонение входного опорного тока в зависимости от температуры мкА
Ik = 10 мА, R1 = 10 кОм, R2 = ∞
Tmin ≤ Tamb ≤ Tmax 0.8 2.5 0.8 1.2
Imin Минимальный катодный ток для управления VKA = Vref  0.5 1 0.5 0.7 мА
 Ioff Катодный ток в закрытом состоянии  2.6  1000  2.6  1000  нА
|ZKA| Полное динамическое сопротивление (2) VKA = Vref, ΔIk = от 1 до 100 мА f ≤ 1 кГц  0.22  0.5  0.22 0.5 Ом
  1. См. пункт 3.1
  2. Полное динамическое сопротивление рассчитывается по формуле: |ZKA| =ΔVKA/ΔIk
TL431IY (Tamb = 25° C, если не указано иное) 
Обозначение Параметр TL431IY TL431AIY Ед. изм.
Мин. Тип. Макс. Мин. Тип. Макс.
Vref Входное опорное напряжение В
VKA = Vref, Ik = 10 мА, Tamb = 25° C 2.44 2.495 2.55 2.47 2.495 2.52
Tmin ≤ Tamb ≤ Tmax 2.41 2.58 2.44 2.55
ΔVref Отклонение входного опорного напряжения в зависимости от температуры (1) мВ
VKA = Vref, Ik = 10 мА, Tmin ≤ Tamb ≤ Tmax 7 30 7 30
Vref/Vka Отношение изменения входного опорного напряжения к изменению напряжения между анодом и катодом
Ik = 10 мА , ΔVKA = от 10 В до Vref -2.7 -1.4  -2.7 -1.4 мВ/В
ΔVKA = от 36 В до 10 В  -2 -1 -2 -1
 Iref Входной опорный ток  Ik = 10 мА, R1 = 10 кОм, R2 = ∞ мкА
Tamb = 25° C 1.8 4 1.8 4
Tmin ≤ Tamb ≤ Tmax 6.5 6.5
ΔIref Отклонение входного опорного тока в зависимости от температуры мкА
Ik = 10 мА, R1 = 10 кОм, R2 = ∞
Tmin ≤ Tamb ≤ Tmax 0.8 2.5 0.8 1.2
Imin Минимальный катодный ток для управления VKA = Vref  0.5 1 0.5 0.6 мА
 Ioff Катодный ток в закрытом состоянии  2.6  1000  2.6  1000  нА
Tmin ≤ Tamb ≤ Tmax 3000 3000
|ZKA| Полное динамическое сопротивление (2) VKA = Vref, ΔIk = от 1 до 100 мА f ≤ 1 кГц  0.22  0.5  0.22 0.5 Ом
  1. См. пункт 3.1
  2. Полное динамическое сопротивление рассчитывается по формуле: |ZKA| =ΔVKA/ΔIk

3.1 Отклонение входного опорного напряжения в диапазоне температур

ΔVref определяется как разница между максимальным и минимальным значениями, полученными на всем диапазоне температур.

Рис. 6 Отклонение входного опорного напряжения на всем диапазоне температурРис. 7 Тестовая цепь для VKA = VrefРис. 8 Тестовая цепь для режима управленияРис. 9 Тестовая цепь для IoffРис. 10 Цепь для проверки запаса по фазе и усиления по напряжениюРис. 11 Цепь для проверки времени срабатывания

Рис. 12 Зависимость опорного напряжения от температуры

Рис. 13 Зависимость опорного напряжения от катодного тока

Рис. 14 Зависимость опорного напряжения от катодного тока в приближенном масштабе

Рис. 15 Опорный ток от температуры

Рис. 16 Катодный ток в закрытом состоянии от температуры

Рис. 17 Зависимость отношения изменения Vref к VKA от температуры

Рис. 18 Статическое полное сопротивление от температуры

Рис. 19 Минимальный рабочий ток от температуры

Рис. 20 Усиление и фаза от температуры

Рис. 21 Стабильность при разных емкостях нагрузки

Рис. 22 Максимальная рассеиваемая мощность

Рис. 23 Импульсная характеристика для Ik = 1 мА

4 Применение

Рис. 24 Схема включения для компаратора с опорным напряжением

Параметры Значения
Диапазон входного напряжения от 0 В до 5 В
Входное сопротивление 10 кОм
Напряжение питания 24 В
Катодный  (Ik) 5 mA
Уровень выходного напряжения ~2 В – VSUP
Логический вход VIH/VIL VL

Рис. 25 Схема включения для параллельного стабилизатора

Параметры Значения
Отклонение опорного напряжения 1.0 %
Напряжение питания 24 В
Катодный ток (Ik) 5 мА
Уровень выходного напряжения 2.5 В — 36 В
Нагрузочная емкость 100 нФ
Резисторы обратной связи (R1 & R2) 10 kΩ

Рис. 26 Схема мощного стабилизатора напряжения

  1. Сопротивление R должно обеспечивать ток  ≥1 mA для TL431 при минимуме V(BATT).

Рис. 27 Схема управления трехвыводного стабилизатора с фиксированным выходомРис. 28 Схема мощного параллельного стабилизатораРис. 29 Схема с зашитой от перенапряженийРис. 30 Высокоточный стабилизатор 5 В, 1.5 А на LM317Рис. 31 Эффективный, высокоточный стабилизатор на 5 В

  1. Резистор Rb должен обеспечивать катодный ток для TL431 ≥1 мА.

Рис 32 ШИМ конвертер с опорным напряжением на TL431Рис. 33 Схема устройства контроля напряжения

  1. R3 и R4 следует подобрать такими, чтобы обеспечить желаемую яркость свечения светодиодов и катодный ток  ≥1 мА при напряжении VI(BATT)

Рис. 34 Реле времениРис. 35 Высокоточный ограничитель токаРис. 36 Прецизионный источник постоянного тока

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Реверс-инжиниринг TL431, крайне распространенной микросхемы, о которой вы и не слышали

Кен, как и планировал, провёл реверс-инжиниринг микросхемы по фотографиям, сделанным BarsMonster. Барс в статье упомянул своё общение с Кеном, но этой переводимой статьи тогда еще не было.

Фото кристалла интересной, но малоизвестной, микросхемы TL431, используемой в блоках питания, даёт возможность разобраться в том, как аналоговые схемы реализуются в кремнии. Несмотря на то, что схема на фото выглядит как какой-то лабиринт, сама микросхема относительно проста, и может быть исследована без большого труда. В своей статье я попытаюсь объяснить каким образом транзисторы, резисторы и другие радиодетали запакованы в кремний для выполнения своих функций.

Фото кристалла TL431. Оригинал Zeptobars.


TL431 является «программируемым прецизионным источником опорного напряжения» [1] и обычно используется в импульсных источниках питания для реализации обратной связи в случае, когда выходное напряжение слишком велико или, наоборот, мало. Используя участок цепи, называемый бандгапом (источник опорного напряжения, величина которого определяется шириной запрещённой зоны), TL431 предоставляет стабильный источник опорного напряжения в широком температурном диапазоне. На блок-схеме TL431 видны 2.5-вольтовый источник опорного сигнала и компаратор, но, глядя на фото кристалла, можно заметить, что внутреннее устройство микросхемы отличается от чертежа.

Блок-схема TL431, взятая из даташита.


У TL431 длинная история: он был выпущен еще в 1978 [2] году и с тех пор побывал во множестве устройств. Он помогал стабилизировать напряжение в блоке питания для Apple II, а сейчас используется в большинстве ATX блоков питания [3] и даже в зарядных устройствах для iPhone и прочих девайсов. И MagSafe-коннекторы, и адаптеры для ноутбуков, и микрокомпьютеры, LED драйверы, блоки питания для аудиотехники, видеоприставки, телевизоры [4]. Во всей этой электронике присутствует TL431.

Фотографии ниже показывают TL431 внутри шести различных БП. TL431 выпускается самых разных форм и размеров. Два наиболее популярных форм-фактора показаны ниже. [5] Возможно, причина того, что TL431 не привлекает особого внимания, заключается в том, что он больше похож на обычный транзистор чем на микросхему.

Шесть примеров схем БП, использующих TL431. Верхний ряд: дешёвый 5-вольтовый БП, дешёвое ЗУ для телефона, ЗУ для Apple iPhone (на фото можно еще заметить GB9-вариацию). Нижний ряд: MagSafe адаптер, ЗУ KMS USB, Dell ATX БП (на переднем плане — оптопары)

Как же радиоэлектронные компоненты выглядят в кремнии?

TL431 очень простая микросхема, и вполне возможно понять её логику на кремниевом уровне пристальным изучением фото. Я покажу, каким же образом транзисторы, резисторы, перемычки и конденсаторы реализованы. А затем уже проведу полный реверс-инжиниринг данной микросхемы.

Реализация транзисторов различных типов

Микросхема использует как n-p-n, так и p-n-p биполярные транзисторы (в отличие от микросхем навроде 6502, в которых использовались MOSFET). Если вы изучали электронику в школе или в университете, вы возможно видели схему n-p-n транзистора (вроде той, что ниже), на которой показаны коллектор (обозначен как C), база (B) и эмиттер (E). Транзистор изображен в виде своеобразного бутерброда с P-слоем между двумя N-слоями, такое расположение слоёв характеризует транзистор как n-p-n. Однако, выясняется, что в микросхеме нет совершенно ничего схожего с этой схемой. Даже база находится не в центре!

Символьное обозначение и структура n-p-n транзистора.

На фотографии ниже можно рассмотреть один из транзисторов TL431. Цветовые различия в розовых и фиолетовых регионах вызваны разным легированием кремния, для формирования N и P областей. Светло-желтые области — металлический слой микросхемы, располагающийся поверх кремниевого. Такие области нужны для обеспечения возможности подключения проводников к коллектору, эмиттеру и базе.

В нижней части фотографии нарисовано поперечное сечение, примерно изображающее как конструируется транзистор. [6] Можно заметить, что на нём куда больше деталей, чем в n-p-n бутерброде из книг, Однако, если внимательно присмотреться, то в поперечном сечении под эмиттером (E) можно найти то самое n-p-n, которое формирует транзистор. Проводник эмиттера соединяется с N+ кремнием. Под ним располагается P-слой, подключенный к контакту базы. Еще ниже — слой N+, соединенный с коллектором (не напрямую). [7] Транзистор заключен в P+ кольцо для изоляции от соседних компонентов. Так как большинство транзисторов в TL431 принадлежат к n-p-n типу, то, после того как разобрались в первый раз, их очень просто находить на фотографии и определять нужные контакты.

n-p-n транзистор из фотографии кристалла TL431, и его структура в кремнии.

Выходной n-p-n транзистор намного больше остальных, так как ему необходимо выдерживать полную нагрузку по току. Большинство транзисторов работает с микроамперами, а этот выходной транзистор поддерживает ток до 100 миллиампер. Для работы с такими токами он и сделан более крупным (занимает 6% всего кристалла), и имеет широкие металлические коннекторы на эмиттере и коллекторе.

Топология выходного транзистора сильно отличается от других n-p-n транзисторов. Он создаётся, так сказать, боком, планарная структура вместо глубинной, и база располагается между эмиттером и коллектором. Металл слева подсоединён к десяти эмиттерам (синеватый кремний N-типа), каждый из которых окружен розовым P-слоем, который является базой (средний проводник). Коллектор (правая часть) имеет только один большой контакт. Проводники эмиттера и базы образуют вложенную «гребёнку». Обратите внимание, что металл коллектора становится шире сверху вниз для того, чтобы поддерживать большие токи на нижней части транзистора.


Транзисторы p-n-p типа имеют совершенно другое строение. Они состоят из округлого эмиттера (P), окруженного кольцом базы (N), которую, в свою очередь, обступает коллектор (P). Таким образом, получается горизонтальный бутерброд, вместо обычной вертикальной структуры n-p-n транзисторов. [8]

Схема снизу показывает один из таких p-n-p транзисторов, а поперечное сечение изображает кремниевую структуру. Стоит отметить то, что хотя металлический контакт для базы находится в углу транзистора, он электрически соединен через N и N+ области с активным кольцом, пролегающим между коллектором и эмиттером.

Структура p-n-p транзистора.

Реализация резисторов в микросхеме

Резисторы являются ключевым компонентом почти в любой аналоговой схеме. Они реализованы как длинная полоса легированного кремния. (Похоже, что в этой микросхеме использовался кремний P-типа). Различные сопротивления достигаются использованием различной площади материала — сопротивление пропорционально площади.

Снизу заметно три резистора — их формируют три длинных горизонтальных полоски кремния. Желтоватые металлические проводники проходят через них. Места соединения металлического слоя и резистора выглядят как квадраты. Расположение этих контактов и задаёт длину резистора и, соответственно, его сопротивление. К примеру, сопротивление нижнего резистора немного больше остальных потому, что контакты расположены на большем расстоянии. Верхние два резистора объединены в пару металлическим слоем сверху слева.

Резисторы.

Резисторы в микросхемах имеют очень плохой допуск — сопротивление может различаться на 20% между микросхемами из-за вариаций в производственном процессе. Очевидно, что это серьезная проблема для таких точных микросхем, как TL431. Поэтому TL431 спроектирован таким образом, что важной характеристикой является не конкретное сопротивление, а отношение сопротивлений. Конкретные значения сопротивлений не сильно важны, если сопротивления меняются в одной пропорции. Вторым методом уменьшения зависимости от эффекта изменчивости является сама топология микросхемы. Резисторы располагаются на параллельных дорожках одинаковой ширины для снижения эффекта от любой асимметрии в сопротивлении кремния. Кроме того, они размещены рядом друг с другом для минимизации отклонений в свойствах кремния между разными частями микросхемы. Помимо всего этого, в следующей главе я расскажу о том, как перед корпусированием кристалла можно настроить сопротивления для регулирования производительности микросхемы.

Кремниевые перемычки для настройки сопротивлений

Вот чего я не ожидал в TL431, так это перемычек для подстройки сопротивлений. Во время производства микросхем эти перемычки могут быть удалены для того, чтобы отрегулировать сопротивления и повысить точность микросхемы. На некоторых более дорогих микросхемах есть сопротивления, которые могут быть удалены лазером, просто выжигающим часть резистора перед корпусированием. Точность настройки таким методом куда выше чем у перемычек.

Цепь с перемычкой показана на фото снизу. Она содержит параллельных два резистора (на фото они выглядят как один элемент) и перемычку. В обычном состоянии, эта перемычка шунтирует резисторы. При изготовлении микросхемы, её характеристики могут быть замерены, и если требуется большее сопротивление, то два щупа подсоединяются к площадкам и подаётся высокий ток. Этот процесс сжигает перемычку, добавляя немного сопротивления цепи. Таким образом, сопротивление всей схемы может быть немного подкорректировано для улучшения характеристик микросхемы.

Перемычка для настройки сопротивления

Конденсаторы

TL431 содержит всего два внутренних конденсатора, но они выполнены в двух совершенно разных манерах.

Первый конденсатор (под текстом «TLR431A») сформирован обратносмещенным диодом (красноватые и фиолетовые полосы). У инверсного слоя в диоде есть ёмкостное сопротивление, которое может быть использовано для формирования конденсатора (подробнее). Главное ограничение такого типа конденсаторов в том, что ёмкостное сопротивление разнится в зависимости от напряжения, потому что меняется ширина инверсного слоя.

Конденсатор, образованный p-n переходом. Вендорная строка написана с помощью металла, нанесенного поверх кремния.

Второй конденсатор сконструирован совершенно другим методом, и больше похож на обычный конденсатор с двумя пластинами. Даже не на что поглядеть — он состоит из большой металлической пластины с подложкой из N+ кремния в качестве второй пластины. Для того чтобы уместиться рядом с другими частями цепи, он имеет неправильную форму. Данный конденсатор занимает около 14% площади кристалла, иллюстрируя то, что конденсаторы в микросхемах очень неэффективно используют пространство. В даташите упоминается, что оба конденсатора по 20 пикоФарад, но я не знаю насколько этому можно верить.

Конденсатор.

Реверс-инжиниринг TL431

Промаркированный кристалл TL431.

На схеме сверху выделены и поименованы элементы на кристалле, и затем перенесены на чертеж снизу. После всех разъяснений ранее, я думаю, структура любого элемента должна быть ясна. Три пина микросхемы подсоединены к площадкам «ref», «anode» и «cathode». Микросхема имеет один уровень металлизации (светло-желтый) для соединения компонентов. На чертеже сопротивление задаётся относительно неизвестного R. Наверное, 100 Ом вполне подходит, но я не знаю точного значения. Самым большим сюрпризом было то, что характеристики элементов сильно отличились от тех, что были опубликованы ранее в других схемах. Данные характеристики фундаментально сказываются на том, как в целом работает стабилитрон с напряжением запрещённой зоны. [9]

Чертеж TL431

Как работает микросхема?

Работа TL431 извне выглядит довольно незатейливо — если на контакт «ref» подаётся напряжение выше 2.5 вольт, то выходной транзистор проводит ток между катодом и анодом. В блоке питания это увеличивает ток, идущий к управляющей микросхеме (косвенно), и влечёт за собой уменьшение мощности БП, после чего происходит спад напряжения до нормального уровня. Таким образом, БП используют TL431 для того, чтобы стабильно держать необходимое выходное напряжение.

Наиболее интересная часть микросхемы это источник опорного напряжения, равного ширине запрещённой зоны. [10]. Ключевые элементы видны на фото кристалла: область эмиттера транзистора Q5 в 8 раз больше чем у Q4, поэтому два транзистора по-разному реагируют на температуру. Выходные сигналы с транзисторов объединяются через резисторы R2, R3, R4 в нужной пропорции для компенсации температурных эффектов, и формируют стабильный опорный сигнал. [11] [12]

Напряжения из стабилизированного по температуре бандгапа посылаются в компаратор, входом которого являются Q6 и Q1, а Q8 и Q9 управляют им. Наконец, выход компаратара проходит через Q10 для управления выходным транзистором Q11.

«Открываем» микросхему низко-технологичным методом

Получение фотографии кристалла микросхемы обычно требует её растворения в опасных кислотах, и фотографирование самого кристалла с помощью дорогого металлографического микроскопа. (Zeptobars описывал этот процесс здесь). Мне было интересно что получится, если я просто разломаю TL431 зажимными щипцами и взгляну на него в дешёвый микроскоп. В процессе я переломил кристалл пополам, но всё равно получил интересные результаты. На изображении виден большой медный анод внутри корпуса, который еще работает и как радиатор. Рядом с ним кристалл (по крайней мере, большая его часть), который был установлен на аноде внутри белого круга. Заметили, насколько сам кристалл меньше своего корпуса?

Корпус TL431, внутренний анод и большая часть от кристалла.

Используя простой микроскоп, я получил фото снизу. Несмотря на то, что, очевидно, я не получил такого же качественного снимка как у Zeptobars, структура микросхемы видна значительно лучше чем я ожидал. Данный эксперимент показывает, что вы можете проводить снятие корпуса микросхем и фотографирование кристалла даже не касаясь разных опасных кислот. Сравнивая свой снимок дешевого TL431, заказанного на eBay, с TL431, сфотографированного Zeptobars, вижу их идентичность. Так как его микросхема не совпадает с опубликованными чертежами, то я гадаю, не прекратили ли они в определенный момент производство того странного варианта микросхемы. Но думаю, что это предположение неверно.

Кусок кристалла, сфотографированный через микроскоп.

Заключение

На самом ли деле TL431 наиболее распространенная микросхема о которой не слышали люди? Нет надежного способа проверить, но я думаю что это хороший кандидат. Похоже, никто не публиковал данные, в которых другая микросхема была бы произведена в больших количествах. Некоторые источники утверждают что таймер 555 является наиболее распространенной микросхемой с миллиардными тиражами каждый год (не очень мне верится в такое большое число). Но TL431 точно располагается достаточно высоко в списке по распространенности. Вы, скорее всего, имеете TL431 в каком-то устройстве на расстоянии вытянутой руки прямо сейчас (ЗУ для телефона, адаптер питания для ноутбука, блок питания PC или монитора). Разница между 555 или 741 и TL431 в том, что эти микросхемы настолько широко известны, что уже стали чуть ли не частью поп-культуры — книги, майки и даже кружки. Но если вы не работаете с блоками питания, достаточно высоки шансы, что вы никогда и не слышали о TL431. Таким образом, я отдаю свой голос TL431 в такой странной номинации. Если у вас есть какие-то другие варианты микросхем, которые незаслуженно обошли вниманием, оставляйте комментарии.

Признательности

Снимки кристалла сделаны Zeptobars (за исключением моего). Чертёж и анализ основываются на работе Cristophe Basso [12] Кроме того, я значительно улучшил свой анализ с помощью дискуссий с Михаилом из Zeptobars и Visual 6502 group, в частности B. Engl.

Заметки и ссылки

1. Из-за того, что у TL431 не самая обычная функция, стандартного названия для элемента такого рода не существует. Разные даташиты дают такие имена: «регулируемый шунтирующий стабилизатор», «программируемый прецизионный источник опорного напряжения», «программируемый шунтирующий источник опорного напряжения», «программируемый стабилитрон». ↑

2. Я раскопал истоки возникновения TL431 в Voltage Regulator Handbook, опубликованным Texas Instruments в 1977 году. Предшественником этой микросхемы был TL430, выпущенный как регулируемый шунтирующий стабилизатор в 1976. TL431 был создан в том же 1976 как обновление для TL430 с улучшенной точностью и стабильностью, и поэтому был назван как регулируемый прецизионный шунтирующий стабилизатор. В 1977 его анонсировали как один из будущих продуктов TI, а выпустили в продажу уже в 1978. Другим анонсом являлся TL432, который должен был бы называться «Компоновочный блок из таймера/стабилизатора/компаратора» и состоять из источника опорного напряжения, компаратора и транзисторного усилителя, согласно предварительному даташиту. Но на момент выпуска TL432, план по предоставлению «компоновочных блоков» был забыт. TL432 превратился в аналог TL431 с другими расположением контактов для более удобной разводки плат (даташит). ↑

3. Современные ATX блоки питания (пример раз, пример два) зачастую содержат по три TL431. Один для обратной связи при резервном питании, второй для обратной связи в основной схеме питания, а третий берётся в качестве линейного регулятора для 3.3В выходного напряжения. ↑

4. Интересно взглянуть на импульсные БП, которые не используют TL431. Более ранние модели использовали опорный стабилитрон в качестве источника опорного напряжения. Например, такое практиковалось в первых экземплярах блоков питания для Apple II (Astec AA11040), но вскорости в них сделали замену стабилитрона на TL431 — Astec AA11040, ревизия B. В Commodore CBM-II, модель B, применялось необычное решение — TL430 вместо TL431. Оригинальный блок питания для IBM PC использовал опорный стабилитрон (вместе с кучей операционных усилителей). Позднее БП для PC часто использовали ШИМ-контроллер TL494, который уже содержал источник опорного напряжения для вторичной цепи. Другие БП могли содержать SG6105, уже включающий в себя два TL431.
В зарядных устройствах для телефонов обычно применяют TL431. Редко можно встретить дешёвую подделку этого элемента: проще взять опорный стабилитрон вместо него и сэкономить пару центов. Другим исключением могут являться такие зарядные устройства, как для iPad’a. В них реализована стабилизация в первичной цепи и не требуется совсем никакой обратной связи от выходного напряжения. В своей статье про блоки питания я описал это подробнее. ↑

5. TL431 доступен в большем числе вариантов корпуса чем я думал. На двух фотографиях TL431 выполнен в «транзисторном» корпусе с тремя ножками (TO-92). На остальных фотографиях показан SMD-вариант в SOT23-3. TL431 также может быть в 4-контактном, 5-контактном, 6-контактном и 8-контактном SMD-корпусе (SOT-89, SOT23-5, SOT323-6, SO-8 или MSOP-8). Кроме того, его можно встретить в более крупном варианте TO-252 или даже в виде 8-контактного микросхемы (DIP-8). (картинки). ↑

6. Более детальную информацию о том, как устроен в кремнии биполярный транзистор, можно найти много где. Semiconductor Technology даёт неплохой обзор об устройстве n-p-n транзистора. Презентация Basic Integrated Circuit Processing очень детально описывает производство микросхем. Даже схемы с википедии очень интересны. ↑

7. Возможно, вы гадаете, почему это идёт терминологическое разделение на коллектор и эмиттер, если в нашей простой схеме транзистора они абсолютно симметричны? Ведь оба подключаются к N-слою, чему там различаться? Но как можете видеть на фото кристалла, коллектор и эмиттер не только сильно отличаются по размеру, но и легирование проходит по-разному. Если поменять коллектор и эмиттер местами, по у транзистора будет очень слабый коэффициент передачи. ↑

8. p-n-p транзисторы в TL431 имеют круговую структуру, которая их очень сильно отличает от n-p-n. Эта круговая структура проиллюстрирована в книге Designing Analog Chips от Hans Camenzind, автора таймера 555. Если вы хотите узнать больше о том, как работают аналоговые микросхемы, то я рекомендую эту книгу, в которой детально разъясняется этот вопрос с минимумом математики. Бесплатный PDF или бумажная версия.
Кроме того, о структуре p-n-p транзисторов можно почитать в «Principles of Semiconductor». А книга «Analysis and Design of Analog Integrated Circuits» рассказывает о детальных моделях биполярных транзисторов и о том, как они имплементируются в микросхемах. ↑

9. Транзисторы и резисторы на кристалле, который я исследовал, имеют совершенно другие характеристики по сравнению с теми, что публиковались ранее. Эти характеристики фундаментально задают работу стабилитрона с напряжением запрещённой зоны. Конкретно говоря, на предыдущих схемах R2 и R3 были в отношении 1 к 3, а у Q5 зона эмиттера была в два раза больше чем у Q4. Глядя на фото кристалла, я вижу что R2 и R3 имеют одинаковое сопротивление, а Q5 имеет зону эмиттера в 8 раз большую по сравнению с Q4. Исходя из таких отношений между характеристиками, мы получим другое ΔVbe. Для того чтобы компенсировать разницу между фактическими характеристиками и вычисленными, в прошлых схемах R1 и R4 так же были сделаны иными чем на кристалле. Я разъясню этот момент более подробно дальше в статье, но просто отмечу: Vref = 2*Vbe + (2*R1+R2)/R4 * ΔVbe должно быть около 2.5 вольт. Обратите внимание, важно не конкретное сопротивление резисторов, а именно их отношения. Как я писал ранее, это помогает нейтрализовать плохой допуск резисторов в микросхеме. На кристалле Q8 сформирован из двух параллельных транзисторов. Но я не могу понять, что стоит за этим странным решением. Я ожидал, что Q8 и Q9 будут идентичны, чтобы построить сбалансированный компаратор. Моя основная теория заключается в том, что это сделано для настройки опорного напряжения, чтобы оно достигало 2.5В. B. Engl предположил, что это могло помогать устройству лучше работать при низком напряжении. ↑

10. Я не буду здесь углубляться в детали реализации стабилитрона с напряжением запрещённой зоны, разве упомяну что пусть его название и звучит как имя какого-то безумного квантового устройства, но, на самом деле, это просто пара транзисторов. Чтобы разобраться в том, как работает данный стабилитрон, можете поглядеть статью «How to make a bandgap voltage reference in one easy lesson» за авторством Paul Brokaw, изобретателя одноименного стабилитрона опорного напряжения. Кроме того есть еще такая презентация. ↑

11. В известном смысле, цепь бандгапа в TL431 работает в противоположном направлении, по сравнению с обычным бандгапом, который подводит к эмиттеру правильные напряжения, чтобы получить на выходе необходимое значение. TL431 же берёт опорное напряжение в качестве входного, а эмиттеры использует как входные сигналы для компаратора. Другими словами, в противоположность блок-схеме, внутри TL431 входной «ref» сигнал не сравнивается ни с каким стабильным опорным напряжением. Вместо этого, вход «ref» генерирует два сигнала для компаратара, которые совпадают если входное напряжение 2.5 вольта. ↑

12. Существует много статей о TL431, но они все с уклоном в матан и ожидают от читателя каких-либо начальных знаний по теории автоматического управления, графикам Боде, и так далее. «The TL431 in Switch-Mode Power Supplies loops» — классическая статья от Christophe Basso и Petr Kadanka. Она объясняет работу TL431 в цепи компенсации обратной связи в действующих блоках питания. Книжка содержит детальные чертежи и описания внутреннего устройства элемента. Еще есть интересные статьи на powerelectronics.com. В статье «Designing with the TL431» от Ray Ridley, для Switching Power Magazine, содержится подробное объяснение того, как использовать TL431 в цепях обратной связи для БП и так же объясняется работа компенсатора. Можно обратить внимание на презентацию «The TL431 in the Control of Switching Power Supplies» от ON Semiconductor. Конечно же, даташит тоже содержит чертежи внутреннего устройства микросхемы. Странно, но сопротивления на этих чертежах отличаются от тех, что я получил, исследуя фото кристалла. ↑

TL431 — Ссылки с программируемой точностью

% PDF-1.4
%
1 0 obj
>
эндобдж
6 0 obj

/ Заголовок (TL431 — Ссылки с программируемой точностью)
>>
эндобдж
2 0 obj
>
эндобдж
3 0 obj
>
эндобдж
4 0 obj
>
поток
application / pdf

  • ON Semiconductor
  • TL431 — эталонные номера с программируемой точностью
  • Интегральные схемы TL431A, B трехконтактные.
    программируемые диоды шунтирующего регулятора. Эти монолитные микросхемы напряжения
    эталоны работают как стабилитрон с низким температурным коэффициентом, который
    программируется от Vref до 36 В с двумя внешними резисторами.Эти
    устройства имеют широкий диапазон рабочего тока от 1,0 мА до 100 мА
    с типичным динамическим сопротивлением 0,22. Характеристики
    эти ссылки делают их отличной заменой стабилитронов в
    многие приложения, такие как цифровые вольтметры, источники питания и операционные
    Схема усилителя.
  • 2021-04-06T11: 43: 49-07: 00BroadVision, Inc.2021-04-06T12: 21: 27-07: 002021-04-06T12: 21: 27-07: 00Acrobat Distiller 21.0 (Windows) uuid: 259e4d67- 46e3-4756-aa77-6c0e1311259buuid: 3325d955-84cc-4828-ad83-cb025cef2485

    конечный поток
    эндобдж
    5 0 obj
    >
    эндобдж
    7 0 объект
    >
    эндобдж
    8 0 объект
    >
    эндобдж
    9 0 объект
    >
    эндобдж
    10 0 obj
    >
    эндобдж
    11 0 объект
    >
    эндобдж
    12 0 объект
    >
    эндобдж
    13 0 объект
    >
    эндобдж
    14 0 объект
    >
    эндобдж
    15 0 объект
    >
    эндобдж
    16 0 объект
    >
    эндобдж
    17 0 объект
    >
    эндобдж
    18 0 объект
    >
    эндобдж
    19 0 объект
    >
    эндобдж
    20 0 объект
    >
    эндобдж
    21 0 объект
    >
    эндобдж
    22 0 объект
    >
    эндобдж
    23 0 объект
    >
    эндобдж
    24 0 объект
    >
    эндобдж
    25 0 объект
    >
    эндобдж
    26 0 объект
    >
    эндобдж
    27 0 объект
    >
    эндобдж
    28 0 объект
    >
    эндобдж
    29 0 объект
    >
    эндобдж
    30 0 объект
    >
    эндобдж
    31 0 объект
    >
    эндобдж
    32 0 объект
    >
    эндобдж
    33 0 объект
    >
    эндобдж
    34 0 объект
    >
    эндобдж
    35 0 объект
    >
    эндобдж
    36 0 объект
    >
    эндобдж
    37 0 объект
    >
    эндобдж
    38 0 объект
    >
    поток
    HW [o ܸ8, ZDEI «{> dAe, ixn3nb @ $ (D
    > go /) l \ c`v «GAD $% $) IU> DQ»].L۸w {[kNpc $ ŀrJ0e, & 2V_ 6H (̇’hnwevTk`
    EUVio
    -lCXMSMT [mYpvUoB7feV7] b = [0xz $ / y} SW \ = PNVq \ $ y ݴ + O-ipIS3] WY 蠭 X @ (|
    Икс
    , f1
    & OqN ++ ZC \ AϷ ڴ] NM ծ m $ (‘J 46IE𸑢 # x, c! * 3 = Svlc: ̕[email protected]*.l$Uftb) t ݌ࣉ ҮFNJ A (_5v.0 + .Wzg +] 9v @ pO > /g.yEV> BCfEƴO) 0qPn4z; 8raNbG

    Шунтирующий регулятор TL431: вывод, техническое описание, схемы [видео]

    TL431 — шунтирующий регулятор. В этом блоге описывается распиновка регулятора TL431 , таблица данных, аналог, функции и другая информация о том, как использовать и где использовать это устройство.

    В этом видео представлены схемы источника питания шунтирующего регулятора TL431


    Каталог


    TL431 Распиновка


    TL431 Параметры

    Начальная точность (макс.) (%)

    0,5, 1, 2

    Iout / Iz (макс.) (МА)

    100

    Iz для регулирования (мин) (мкА)

    400

    Диапазон рабочих температур (C)

    от -40 до 85, от -40 до 125, от 0 до 70

    Рейтинг

    Каталог

    Опорное напряжение

    Регулируемый

    Температурный коэффициент (макс.) (Ppm / градус C)

    92

    ВО (В)

    2.495

    Регулировка VO (макс.) (В)

    36

    Регулировка VO (мин.) (В)

    2.495


    Цепь TL431

    • Прецизионный сильноточный регулятор серии
    • Управление выходом трехконтактного фиксированного регулятора
    • Сильноточный шунтирующий регулятор

    TL431 Характеристики

    • Программируемый стабилитрон
    • Выходное напряжение: 2.От 5 В до 36 В
    • Выходной ток: от 1 мА до 100 мА (ток стока)
    • Допуск выходного напряжения: ± 4%
    • Выходное сопротивление: 0,22 Ом
    • Доступен в корпусе To-92 (3-контактный) и PDIP, SOIC (8-контактный)

    TL431 Приложение

    • Импульсный режим Источники питания
    • Изолированные цепи питания
    • Компараторы напряжения
    • Цепи регулирования тока

    TL431 Пакет


    TL431 Advantage

    Калькулятор TL431

    Устройство TL431 представляет собой регулируемый шунтирующий регулятор с тремя выводами с заданной температурной стабильностью в применимых автомобильных, коммерческих и военных диапазонах температур.Для выходного напряжения можно установить любое значение от Vref (приблизительно 2,5 В) до 36 В с помощью двух внешних резисторов. Устройство имеет типичное выходное сопротивление 0,2 Ом. Схема активного выхода обеспечивает очень резкую характеристику включения, что делает эти устройства отличной заменой стабилитронам во многих приложениях, таких как встроенное регулирование, регулируемые источники питания и импульсные источники питания. TL431 предлагается в трех классах с начальными допусками (при 25 ° C) 0,5%, 1% и 2% для классов B, A и стандартного соответственно.Кроме того, низкий дрейф выходного сигнала в зависимости от температуры обеспечивает хорошую стабильность во всем температурном диапазоне.


    Функциональная блок-схема TL431

    Vref является внутренней ссылка 2.5V источник, подключенный к обратному входу операционного усилителя. Из характеристик операционного усилителя видно, что только когда напряжение на выводе REF (вывод того же направления) выше, чем Vref (2,5 В), ток будет течь в транзисторе. Когда неинвертирующее входное напряжение меньше 2.5 В, триод находится в отключенном состоянии (в идеальном состоянии), и ток через триод изменится с 1 мА до 100 мА при небольшом изменении напряжения на клеммах REF.

    Конечно, эта диаграмма ни в коем случае не является реальной внутренней структурой TL431 , но ее можно использовать для анализа и понимания схемы.


    TL431 Документы


    TL431 Производитель

    Texas Instruments Inc.(TI) — американская технологическая компания, которая разрабатывает и производит полупроводники и различные интегральные схемы, которые она продает разработчикам и производителям электроники по всему миру. Штаб-квартира находится в Далласе, штат Техас, США. TI входит в десятку ведущих мировых производителей полупроводников по объему продаж. Texas Instruments специализируется на разработке аналоговых микросхем и встроенных процессоров, на которые приходится более 80% их доходов. TI также производит технологию цифровой обработки света (DLP) TI и продукты образовательной техники, включая калькуляторы, микроконтроллеры и многоядерные процессоры.На сегодняшний день у TI более 43 000 патентов по всему миру.


    Лист данных на компоненты

    TL431 Лист данных


    FAQ

    • Какая польза от TL431?

    TL431 является «программируемым прецизионным эталоном» и обычно используется в импульсных источниках питания, где он обеспечивает обратную связь, указывающую, является ли выходное напряжение слишком высоким или слишком низким. С помощью специальной схемы называется запрещенной зоной, то TL431 обеспечивает ссылку стабильного напряжения в широком диапазоне температур.

    • Что такое транзистор TL431 T?

    TL431 — это диод-стабилизатор , выходное напряжение которого можно программировать, изменяя номиналы подключенных к нему резисторов. Он действует почти как стабилитрон, за исключением того, что номинальное напряжение этой ИС является программируемым. Она обычно используются для обеспечения отрицательных или положительных источников опорного напряжения.

    • Как работает шунтирующий регулятор?

    Шунтирующий регулятор или шунтирующий регулятор напряжения — это форма регулятора напряжения, в которой регулирующий элемент шунтирует ток на землю.Шунтирующий регулятор работает, поддерживая постоянное напряжение на своих выводах, и он принимает избыточный ток для поддержания напряжения на нагрузке.

    % PDF-1.3
    %
    1 0 obj
    > поток

    конечный поток
    эндобдж
    2 0 obj
    >
    эндобдж
    4 0 obj
    > поток
    hZKoGWyiMb

    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 устройство TL431 называется программируемым шунтирующим стабилизатором, простым языком его можно понимать как 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 задание) до 36 В.
    • Низкое динамическое выходное сопротивление, около 0,2 Ом.
    • Допустимая нагрузка по току потребителя до 100 мА
    • В отличие от обычных стабилитронов, генерация шума незначительна.
    • 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 указанное выше устройство TL431 можно использовать в качестве типичного шунтирующего регулятора.

    На приведенном выше рисунке показано, как с помощью всего лишь пары резисторов TL431 можно подключить как шунтирующий стабилизатор для генерации выходных сигналов между 2.От 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 приведенные выше конфигурации могут быть использованы в любом месте, где могут потребоваться установка напряжения точности и ссылки, он широко используется в схемах SMPS в настоящее время для формирования точного опорного напряжения для подключенного опто ответвителя, который в Turn побуждает входной МОП-транзистор SMPS отрегулировать выходное напряжение точно до желаемых уровней.

    Для получения дополнительной информации посетите https://www.fairchildsemi.com/ds/TL/TL431A.pdf

    О Swagatam

    Я инженер-электронщик (dipIETE), любитель, изобретатель, разработчик схем / печатных плат, производитель . Я также являюсь основателем веб-сайта: https://www.homemade-circuits.com/, где я люблю делиться своими инновационными идеями и руководствами по схемам.
    Если у вас есть запрос, связанный со схемой, вы можете взаимодействовать с ним через комментарии, я буду очень рад помочь!

    % PDF-1.1
    %
    1 0 obj
    [/ CalRGB
    >
    ]
    эндобдж
    2 0 obj
    >
    эндобдж
    3 0 obj
    >
    эндобдж
    4 0 obj
    >
    эндобдж
    5 0 obj
    >
    поток
    0 0 0 0 0 0 d1
    конечный поток
    эндобдж
    6 0 obj
    >
    поток
    332 0 59 -179 271 216 d1
    59 -179 кв.м.
    197-167 273-101 273 4 в
    273 216 л
    59 216 л
    59 7 л
    157 7 л
    157-48 127-76 59-86 в
    59 -179 л
    ж
    конечный поток
    эндобдж
    7 0 объект
    >
    поток
    666 0 98-4 470 705 d1
    263 0 месяцев
    471 0 л
    471 701 л
    309 701 л
    292 595 232 556 102 554 c
    102 408 л
    263 408 л
    263 0 л
    ж
    конечный поток
    эндобдж
    8 0 объект
    >
    поток
    666 0 33-20 619 721 d1
    33 248 кв.м.
    33 234 л
    33 79 145-20 323-20 в
    517-20 628 73 628 223 в
    628 304 596 355 532 380 c
    583 408 610 454 610 517 в
    610 637 507 721 339 721 c
    166 721 54 627 51 485 в
    242 485 л
    245 537 276 562 334 562 c
    385 562 413 539 413 497 c
    413 449 375 425 299 425 в
    285 425 л
    285 304 л
    302 304 л
    381 304 418 283 418 227 в
    418 174 386 145 329 145 в
    263 145 230 179 228 248 c
    33 248 л
    ж
    конечный поток
    эндобдж
    9 0 объект
    >
    поток
    666 0 25 0 630 701 d1
    352 0 месяцев
    555 0 л
    555 146 л
    639 146 л
    639 305 л
    555 305 л
    555 701 л
    357 701 л
    25 316 л
    25 146 л
    352 146 л
    352 0 л
    час
    186 305 кв.м.
    357 510 л
    357 305 л
    186 305 л
    ж
    конечный поток
    эндобдж
    10 0 obj
    >
    поток
    776 0-3 0 737 719 d1
    -3 0 мес.
    236 0 л
    266 95 л
    508 95 л
    536 0 л
    778 0 л
    511 719 л
    264 719 л
    -3 0 л
    час
    310 246 кв.м.
    387 495 л
    463 246 л
    310 246 л
    ж
    конечный поток
    эндобдж
    11 0 объект
    >
    поток
    777 0 70 0 716 719 d1
    70 0 мес.
    396 0 л
    486 0560 0 625 32 в
    694 66 732 130 732 216 c
    732 302 696 356 617 384 c
    676 415 706 464 706 529 c
    706 612 665 671 590 698 c
    534 718 462 719 372 719 в
    347 719 л
    70 719 л
    70 0 л
    час
    299 432 кв.м.
    299 556 л
    365 556 л
    451 556 486 551 486 494 в
    486 446 457 432 397 432 в
    299 432 л
    час
    299 168 кв.м.
    299 301 л
    407 301 л
    477 301 509 285 509 235 в
    509 185 479 168 409 168 в
    299 168 л
    ж
    конечный поток
    эндобдж
    12 0 объект
    >
    поток
    667 0 71 0 616 719 d1
    71 0 месяцев
    640 0 л
    640 191 л
    312 191 л
    312 719 л
    71 719 л
    71 0 л
    ж
    конечный поток
    эндобдж
    13 0 объект
    >
    поток
    722 0 67 0 699 719 d1
    67 0 мес.
    293 0 л
    293220 л
    428 220 л
    604 220 699 309 699 469 c
    699 560 667 626 602 671 c
    544 710 465 719 356 719 в
    67 719 л
    67 0 л
    час
    293 396 кв.м.
    293 543 л
    365 543 л
    444 543 483 535 483 469 в
    483 406 445 396 365 396 в
    293 396 л
    ж
    конечный поток
    эндобдж
    14 0 объект
    >
    поток
    776 0 69 0 739 719 d1
    69 0 месяцев
    301 0 л
    301 248 л
    400 248 л
    473 248 500 222 500 147 в
    500 75 л
    500 62 504 37 513 0 в
    750 0 л
    750 27 л
    730 29 730 43 729 74 в
    725 174 л
    722 272 687 317 606 334 в
    686 368 724 424 724 512 в
    724 666 628 719 419 719 в
    69 719 л
    69 0 л
    час
    301 410 кв.м.
    301 545 л
    402 545 л
    473 545 506 535 506 477 в
    506 423 475 410 408 410 в
    301 410 л
    ж
    конечный поток
    эндобдж
    15 0 объект
    >
    поток
    722 0 34-20 677 738 d1
    34 224 кв.м.
    49 71 164-20 360-20 в
    572-20 686 71 686 227 в
    686 301 657 353 593 395 в
    546 426 474 440 384 463 в
    313 481 276 488 276 526 c
    276 559 300 575 350 575 c
    406 575 437 555 444 512 c
    666 512 л
    653 657 542 738 354 738 c
    159 738 48 648 48 509 в
    48 438 75 383 132 343 в
    162 322 228 300 329 274 c
    415 252 458 248 458 203 в
    458 172 427 151 370 151 в
    306 151 275 171 262 224 c
    34 224 л
    ж
    конечный поток
    эндобдж
    16 0 объект
    >
    поток
    724 0 13 0 654 719 d1
    239 0 месяцев
    491 0 л
    491 530 л
    712 530 л
    712 719 л
    13 719 л
    13 530 л
    239 530 л
    239 0 л
    ж
    конечный поток
    эндобдж
    17 0 объект
    >
    поток
    667 0 40-19 627 550 d1
    421 0 месяцев
    626 0 л
    626 15 л
    612 25 604 41 604 60 в
    604 356 л
    604 427 592 467 538 505 c
    503 529 432 550 338 550 c
    158 550 65 488 63 369 c
    262 369 л
    266 405 288 422 331 422 c
    380 422 405 409 405 378 c
    405 329 362 334 263 321 в
    111 301 40 268 40 150 в
    40 43 105-19 222-19 в
    297-19 356 3 409 51 в
    421 0 л
    час
    403 237 кв.м.
    404 228 404 219 404 210 c
    404 140 375 108 306 108 c
    268 108 248 126 248 156 в
    248 207 308 200 40 32 37 c
    ж
    конечный поток
    эндобдж
    18 0 объект
    >
    поток
    667 0 56-19 637 719 d1
    56 0 мес.
    241 0 л
    241 65 л
    286 8 342-19 412-19 в
    544-19 637 90 637 263 в
    637 436 545 546 409 546 c
    351 546 301 522 259 475 в
    259 719 л
    56 719 л
    56 0 л
    час
    257 260 кв.м.
    257 343 285 383 343 383 в
    401 383 428 343 428 260 c
    428 181 395 137 343 137 c
    291 137 257 181 257 260 c
    ж
    конечный поток
    эндобдж
    19 0 объект
    >
    поток
    668 0 30-19 623 550 d1
    421 207 кв.м.
    416 155 387 128 337 128 c
    274 128 248 172 248 266 в
    248 359 275 403 339 403 в
    389 403 415 379 419 329 в
    635 329 л
    630 462 517 550 340 550 c
    147550 30 442 30 266 в
    30 92 147-19 342-19 в
    517-19 628 68 637 207 в
    421 207 л
    ж
    конечный поток
    эндобдж
    20 0 объект
    >
    поток
    666 0 29-19 636 550 d1
    417 157 кв.м.
    407 129 379 113 338 113 c
    277 113 242 151 240 219 c
    636 219 л
    636 232 л
    636 432 522 550 334 550 c
    145 550 29 439 29 261 c
    29 92 142-19 326-19 в
    490-19590 42 619 157 в
    417 157 л
    час
    240 325 м
    243 388 277 424 332 424 в
    392 424 424 391 428 325 c
    240 325 л
    ж
    конечный поток
    эндобдж
    21 0 объект
    >
    поток
    390 0 11 0 377 737 d1
    78 0 месяцев
    292 0 л
    292 411 л
    383 411 л
    383 531 л
    292 531 л
    292 537 291 542 291 547 c
    291 591 310 605 361 605 c
    368 605 375 604 383 604 в
    383 737 л
    263 737 л
    137 737 78 683 78 564 c
    78 531 л
    11 531 л
    11 411 л
    78 411 л
    78 0 л
    ж
    конечный поток
    эндобдж
    22 0 объект
    >
    поток
    668 0 32-214 612 545 д1
    66-57 кв.м.
    80-155 169 -214 318 -214 в
    530-214 611 -144 611 41 в
    611 531 л
    427 531 л
    427 462 л
    386 519 330 545 255 545 в
    122545 32 439 32 264 c
    32 101 124-5 265-5 в
    327-5 376 12 411 47 в
    411 18 л
    411-63 402-93 333-93 в
    296-93 277-83 272-57 в
    66-57 л
    час
    239 269 кв.м.
    239 349 266 389 322 389 в
    378 389 410 346 410 268 в
    410 184 384 143 322 143 в
    265 143 239 185 239 269 в
    ж
    конечный поток
    эндобдж
    23 0 объект
    >
    поток
    335 0 61 0 272 737 d1
    61 0 месяцев
    272 0 л
    272 531 л
    61 531 л
    61 0 л
    час
    61 585 кв.м.
    272 585 л
    272 737 л
    61 737 л
    61 585 л
    ж
    конечный поток
    эндобдж
    24 0 объект
    >
    поток
    335 0 61 0 272 719 d1
    61 0 месяцев
    272 0 л
    272 719 л
    61 719 л
    61 0 л
    ж
    конечный поток
    эндобдж
    25 0 объект
    >
    поток
    999 0 56 0 949 546 d1
    56 0 мес.
    258 0 л
    258 285 л
    258 347 283 379 329 379 в
    381 379 401 348 401 277 c
    401 0 л
    603 0 л
    603 282 л
    603 348 625 379 676 379 c
    726 379 745 349 745 284 c
    745 0 л
    948 0 л
    948 362 л
    948 478 878 546 756 546 в
    680 546 622 516 573 453 в
    534 517 487 545 418 545 в
    345 545 289 516 243 453 в
    243 531 л
    56 531 л
    56 0 л
    ж
    конечный поток
    эндобдж
    26 0 объект
    >
    поток
    667 0 56 0 616 545 d1
    56 0 мес.
    262 0 л
    262 274 л
    262 346 287 381 339 381 c
    396 381 409 348 409 275 в
    409 0 л
    615 0 л
    615 276 л
    615 368 613 432 572 481 c
    538 523 488 545 425 545 в
    350 545 291 515 243 453 c
    243 531 л
    56 531 л
    56 0 л
    ж
    конечный поток
    эндобдж
    27 0 объект
    >
    поток
    667 0 29-19 629 550 d1
    29 266 кв.м.
    29 90 144-19 334-19 в
    523-19 638 90 638 266 в
    638 442 523 550 334 550 c
    144 550 29 442 29 266 c
    час
    245 266 кв.м.
    245360 269 403 334 403 в
    399 403 423 360 423 266 c
    423 172 399 128 334 128 c
    269 ​​128 245 172 245 266 в
    ж
    конечный поток
    эндобдж
    28 0 объект
    >
    поток
    444 0 56 0 425 545 d1
    56 0 мес.
    263 0 л
    263 218 л
    263 300 300 337 383 337 в
    396 337 409 336 425 334 в
    425 545 л
    406 545 л
    323 545 273 512 246 434 в
    246 531 л
    56 531 л
    56 0 л
    ж
    конечный поток
    эндобдж
    29 0 объект
    >
    поток
    609 0 31-19 580 550 d1
    31 167 кв.м.
    40 43 129-19 300-19 в
    485-19 580 44 580 165 в
    580 280 507 309 350 345 c
    285360250360250 398 c
    250 421 269 435 306 435 c
    344 435 370 414 373 383 в
    562 383 л
    549 493 463 550 304 550 c
    133 550 45 488 45 375 в
    45 263 120 234 284 199 c
    342 186 372 182 372 144 c
    372 116 348 100 303 100 в
    258 100 235 122 235 167 в
    31 167 л
    ж
    конечный поток
    эндобдж
    31 0 объект
    >
    поток
    pP @ iAP @ 0
    А & е3! N5q
    «[‘Ʉi6
    ㉠n H $ RJ
    GtJ6JGY, c3k «{` LFRT-Vp * J%] gob ֿ cqbj
    б% @ 2Q8S1 @ T Tϵ ט EAp`1o ׉ Mx.R-H ۗ z | AT% Ab # 8X0Ȁg7 ؿ aE% CV`!

    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.
    С помощью специальной схемы называется запрещенной зоной, то TL431 обеспечивает ссылку стабильного напряжения в широком диапазоне температур.
    Блок-схема TL431 ниже, показывает, что он имеет ссылку на 2,5 вольт и компаратор [1], но, глядя на штампованных показывает, что внутренне она довольно 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

    Чип использует транзисторы с двойным переходом NPN и PNP (в отличие от микросхем, подобных 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 чертеж в разрезе, примерно показывающий, как устроен транзистор.[6] В книгах есть гораздо больше, 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 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, — это ее расположение.
    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 формирования 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 штампа 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 эти конденсаторы имеют емкость 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 зонном опорное напряжение работы. [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. Наиболее интересной частью чипа является температурной компенсацией зонного опорного напряжения. [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 поступают 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 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

    Действительно ли TL431 — самая популярная микросхема, о которой люди не слышали? Невозможно узнать наверняка, но я думаю, что это хороший кандидат.
    Похоже, 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»,
    «Ссылка программируемый шунт напряжение»,
    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.
    Другой будущий продукт, который TI объявил в 1977 году был TL432, который должен был быть «Таймер / регулятор / Компаратор кирпичиков», содержащий опорное напряжение, компаратор и бустер транзистор в одном пакете.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.Ранее импульсные источники питания обычно используется диод Зенера в качестве опорного напряжения.
    Наиболее ранние источники питания Apple II используется диод Зенера в качестве опорного напряжения (Astec AA11040), но это вскоре был заменен TL431 в пересмотре 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).Позже PC блоки питания часто используется контроллер TL494 ШИМ, который содержал свой собственный источник опорного напряжения и управляется на вторичной стороне. 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-транзисторов.
    «Базовая обработка интегральных схем» — это презентация, в которой очень подробно описывается изготовление транзисторов.
    Диаграмма Википедии также полезна.

    [7]
    Вы могли задаться вопросом, 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 зонного опорного напряжения. 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 ведущая теория это регулирует опорное напряжение слегка вверх хитовой 2.5V. 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 «назад» на регулярной зонного опорного напряжения. Нормальная запрещенная схема обеспечивает необходимые эмиттерные напряжения для получения желаемого напряжения на выходе. Схема В TL431 принимает опорное напряжение в качестве входных данных, а эмиттер используется в качестве выходов на компаратор.Другими словами, в отличие от блок-схемы, есть не стабильное опорное напряжение внутри TL431, который по сравнению с входом реф. Вместо этого вход ref генерирует два сигнала для компаратора, которые совпадают, когда на входе 2,5 вольта.

    [12]
    Есть много статей о TL431, 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 доступны 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 видно на кристалле.

    Разработка, анализ и оценка точной модели TL431

    Линейные регуляторы

    Я использовал схему таблицы данных, чтобы создать модель для TL431. Это очень похоже на подход Хельмута Зенневальда и кажется простым способом разработки модели, в то время как схема доступна и не очень сложна.Однако схема — это только отправная точка. Существует большая разница между дизайном на уровне платы с дискретными компонентами и дизайном микросхемы. При проектировании с дискретными компонентами разработчик уровней плат старается избегать влияния не очень стабильных параметров (или параметров с большим возможным отклонением) на параметры платы. Обычно это достигается за счет широкого использования пассивных компонентов и выбора решений, которые не сильно зависят от параметров полупроводников (например, варианты BJT betta , Vbe / Ic и т. Д.). С другой стороны, разработчики микросхем ограничены в выборе пассивных компонентов, но могут изменять параметры процесса и геометрию устройства для создания полупроводниковых устройств с желаемыми параметрами. Это означает, что для схемы микросхемы потребуется очень точное представление компонентов, используемых для достижения желаемой производительности. Если вы попытаетесь использовать какой-нибудь универсальный транзистор для чипа, вы можете получить не очень точную модель для этой детали.

    Предлагаемая модель представлена ​​на следующей схеме.

    Схема модели TL431ED

    Для получения желаемого уровня точности модели необходимо было настроить параметры транзисторов. Мне неизвестны параметры транзисторов, используемых в этой конструкции микросхемы. Я эмпирически скорректировал некоторые параметры модели, чтобы добиться наилучшего соответствия модели и производительности чипа. Основные параметры транзистора, влияющие на работу модели, указаны в заявлении .MODEL. В дополнение к этому, необходимо было контролировать распределение тока между транзисторами Q2 и Q3 (и некоторыми другими).Эта настройка сильно влияет на точность измерения постоянного тока. В общем, на ток через транзистор сильно влияет параметр модели Is (транспортный ток насыщения). Вы можете использовать отдельный оператор .MODEL для каждого транзистора, для которого требуется значение транспортного тока насыщения, отличное от значения по умолчанию (Is = 1e-16). Или вы можете использовать параметр « area » для масштабирования токов устройства. Было удобнее использовать параметр «площадь» с тем же оператором .MODEL для транзистора.

    Значения некоторых других компонентов были скорректированы для лучшего соответствия техническим характеристикам.

    TL431 Модель была создана в виде иерархического блока TL431ED.asc для использования вместе со схематическим символом TL431ED.asy .

    Вы также можете использовать версию подсхемы этой модели TL431ED.sub вместе с символом TL431.asy . Подсхема TL431ED может быть легко интегрирована в любое программное обеспечение для моделирования, совместимое со SPICE.

    Прикрепленный файл TL431.zip содержит все необходимые файлы модели LTSPICE для TL431 вместе со схемами испытательного стенда, которые используются для проверки и сравнения производительности недавно созданных и других моделей.

    Результаты испытательного стенда

    будут обсуждаться в следующем разделе .

    Комментарии

    .

    Previous PostNextNext Post

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *