Введение

Понадобился мне тут недорогой источник опорного напряжения. Полистав каталоги, я остановил свой выбор на микросхеме TL431 за 20 рублей. Сейчас расскажу, что это за букашка и как ее использовать.

TL431

TL431 - это так называемый программируемый стабилитрон. Применяется в качестве источника опорного напряжения и источника питания для малопотребляющих схем. Выпускается несколькими производителями и в разных корпусах, мне досталась от Texas Instruments в корпусе SOT23.

Технические характеристики:

- выходное напряжение от 2.5 до 36 В
- рабочий ток от 1 до 100 мА
- выходное сопротивление 0.2 Ом
- точность 0.5%, 1% и 2%

Имеет три вывода. Два как у стандартного стабилитрона - анод и катод. И вывод опорного напряжения, который подключается к катоду или средней точке делителя напряжения. На зарубежных схемах обозначается так:

Минимальная схема включения требует один резистор и позволяет получать опорное напряжение 2.5 В. 

Резистор в этой схеме рассчитывается по следующей формуле:

где Ist - ток TL431, а Il - ток нагрузки. Входной ток опорного вывода не учитывается, так как он ~2 мкА.

В полной схеме включения к TL431 добавляются еще два резистора, но в этом случае можно получить произвольное выходное напряжение. 

Номиналы резисторов делителя напряжения и выходное напряжение TL431 связаны следующим соотношением:

,где Uref = 2.5 В, Iref = 2 мкА. Это типовые значения и они имеют определенный разброс (смотрите даташит).

Если задаться значением одного из резисторов и выходным напряжением, то можно рассчитать значение второго резистора. 

А зная выходное напряжение и входной ток, можно рассчитать номинал резистора R1:

,где Iin - входной ток схемы, который складывается из рабочего тока TL431, тока делителя напряжения и тока нагрузки.

Если TL431 используется для получения опорного напряжения, то резисторы R2 и R3 нужно брать с точностью 1% из ряда E96.

Расчет стабилизатора напряжения на TL431

Начальные данные

Входное напряжение Uin = 9 В
Требуемое выходное напряжение Uout = 5 В
Ток нагрузки Il = 10 мА

Данные из даташита:

Ist = 1..100 мА
Iref = 2 мкА
Uref = 2.495 В

Расчет

Задаемся значением резистора R2. Максимальное значение этого резистора ограничено током Iref = 2 мкА. Если брать номинал резистора R2 равным единицам/десяткам кОм, то это подойдет. Пусть R2 = 10 кОм.

Так как TL431 используется в качестве источника питания, высокая точность здесь не нужна и членом Iref*R2 можно пренебречь.

Округленное значение R3 будет равно 10 кОм. 

Чтобы рассчитать R1 нужно прикинуть входной ток схемы. Он складывается из тока TL431, тока нагрузки и тока делителя напряжения.

Ток делителя напряжения равен Uout/(R1+R2) = 5/20000 = 250 мкА. 

Ток TL431 может быть от 1 до 100 мА. Если взять ток Ist > 2 мА, то током делителя можно пренебречь. 

Тогда входной ток будет равен Iin = Ist + Il = 2 + 10 = 12 мА. 

А номинал R1 = (Uin - Uout)/Iin = (9 - 5)/0.012 = 333 Ом. Округляем до 300.

Мощнность, рассеиваемая на резисторе R1, равна (9 - 5)*0.012 = 0.05 Вт. На остальных резисторах она будет еще меньше. 

R1 = 300 Ом 
R2 = 10 кОм
R3 = 10 кОм

Примерно так, без учета нюансов. 

Емкость нагрузки

Если будете использовать TL431 и повесите на выходе конденсатор, то микросхема может "загудеть". Вместо уменьшения выходного шума, на катоде появится периодический пилообразный сигнал в несколько милливольт. 

Емкость нагрузки, при которой TL431 ведет себя стабильно, зависит от тока катода и выходного напряжения. Возможные значения емкости показаны на картинке из даташита. Стабильные области - это те, что за пределами графиков.

Datasheet 

tl431.pdf