TL431的稳压原理和用法,仿真验证

news2024/11/27 3:49:04

   概述

   TL431是三端可调节并联稳压器,可以通过两个外部电阻器将输出电压设置为介于VREF(约为2.5V)和36V之间的任意值。其输出阻抗典型值均为0.2欧姆,此类器件的有源输出电路具有非常明显的导通特性,因此非常适合用于替代许多应用中的齐纳二极管,例如板载稳压器、可调节电源和开关电源,也可以用作参考电压等。

参看TI的TL431数据手册一起学习其原理以及其用途。

封装类型以及引脚符号

  

ANODE是阳极(A),CATHODE是阴极(K),REF是参考端(R)

431系列基准稳压源的符号如图所示,电路符号很像是一个稳压二极管,但是多了一个参考端R。

内部等效电路图

   如图是TL431简化的内部功能框图,可以帮助我们了解其工作原理。

   如果电源正极连接阴极K端,电源负极连接阳极A端。431的参考端连接运放的同相输入端,反相输入端与一个2.5V的参考电压源相连。当参考端电压>2.5V时,运放输出高电平,三极管基极电压为高,三极管导通,即相当于阴极和阳极导通,阴极K端的电压会被拉低,所以需要在电源正极和阴极K之间需要加上限流电阻;当参考端电压<2.5V时,运放输出低电平,三极管基极电压为低,三极管截止,并联二极管也截止,此时VKA=电源电压。

VKA = Vref 的测试电路(2.5V稳压电路测试)

电路如图,在输入端接可调电压源,限流电阻R取1K,将431的K端和R端接在一起,测试输出端电压VKA。

需要注意的是,431导通的时候,VKA之间的电压会被拉低,即431只有拉低电压的能力,没有升压能力,要做到稳压,电压源VIN必须要>2.5V。

电路状态

当VKA>2.5V时候,431导通,K端口被拉低,VKA<2.5V,431会立刻截止,K端和A端断开,参考端电压K电压又升高>2.5V,431再次导通,导通截止状态较快地发生切换,使得VKA稳定在2.5V

测试结果

当VIN为12V的时候,输出电压VKA=2.49V,降低或者增大VIN,VKA均不变。

需要注意的是VIN的大小要使IKA在1-100mA之间,即1mA<(Vin-2.5)/R<100mA,保证调节Vin使得2.5V<Vin<102.5V即可,如参数手册

可调稳压电路测试

针对 VKA > Vref 的测试电路

测试电路如上,输入端接电压源,限流电阻R取500,R1为330电阻,R2为可调变阻器,在输出端测试VKA电压。

电路分析

电源上电后,TL431未导通,IREF=0,电阻分压VREF=VIN/(R+R1+R2)*R2=6.56V,VREF>2.5V,431导通,VKA电压降低,此时R1,R2分压降低,则VREF电压降低,当小于2.5V的时候,431截止,VKA电压上升,则VRE经分压后大于2.5V,431导通,如此重复,则参考端的电压稳定在2.5V。

上面的等效框图可以看出,参考端是和运放的同相输入端相连的,而运放的反相输入端和2.5V的参考电压源相连,由理想运放的“虚断”原则,可知即IREF=0,且VREF=2.5V

V_{KA}=\frac{V_{REF}}{R2}*(R1+R2)=3.3V

通过芯片手册可知,参考端还存在电流IREF,IREF最大为4uA,

所以最终输出电压会偏低

   需要注意的是,在具有足够电压余量(>=2.5V)和阴极电流(IKA)的情况下,TL431会强行将基准引脚的电压控制在2.5V。但是基准引脚不能悬空,因为它需要IREF(>=4uA)。因为基准引脚会被驱动到NPN中,而NPN需要有基极电流才能正常工作。

测试结果  

当R取500,R2为330电阻,R3为1K时,输出电压VKA=3.32V,调节电源电压Vin的值,输出稳压值保持不变,始终为3.32V。

调节R2,减小R3的阻值,VKA增大,且调节电源电压Vin的值,输出稳压值保持不变,符合上述分析

除了并联稳压器应用,TL431还可以用作串联稳压器,并联扩流稳压电路,比较器,恒流源,以及开关电源的误差放大器等应用。

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