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TL431在線性精密穩壓電源設計應用

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摘要:本文根據恒壓供電傳感器、變送器的需要,針對溫度漂移小,輸入寬電壓及大電流負載的問題,鑒于常用單端穩壓芯片TL431内部結構、工作原理和主要特點,提出了一種TL431的線性精密穩壓電源的設計方案,通過測試結果分析本方案所設計的可調式精密穩壓電源實現了大功率、寬電壓、低溫漂的功能,具有很強的使用性能。  1.引言  TL431是一個有良好熱穩定性能的三端可調精密電壓基準集成芯片,具有體積小、價格低廉、性能優良等特點:它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設置到從參考電壓(2.5V)到36V範圍内的任何值,典型動态阻抗僅為0.2Ω,電壓參考誤差為±0.4%,負載電流能力從1.0mA100mA,溫度漂移低,輸出噪聲電壓低等。基于以上特點,不僅可以用于恒流源電路、電壓比較器電路、電壓監視器電路、過壓保護電路等電路中、還廣泛應用于線性穩壓電源、開關穩壓電源等直流穩壓電源電路中,本文對TL431在線性穩壓電源中的并聯和串聯型兩種電源進行了詳細的介紹。  2.TL431的内部結構和功能  2.1 TL431的符号  該器件的符号如圖1,三個引腳分别為:陰極(CATHODE)、陽極(ANODE)和參考端(REF),參考電壓為2.5V.

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  2.2 TL431的内部電路圖  由内部電路圖圖2可以看出,它由多極放大電路、偏置電路、補償和保護電路組成,其中晶體管V1構成輸入極,V3V4V5構成穩壓基準,V7V8組成的鏡像恒流源與V6V9構成差分放大器作中間級,V10V11形成複合管,構成輸出,其它一些電阻、電容、二級管分别起偏置、補償和保護作用,在原理上它是一個單端輸入、單端輸出直流放大器。

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  然而其等效功能示意圖如圖3所示,由一個2.5V的精密基準電壓源、一個電壓比較器和一輸出開關管等組成,參考端的輸出電壓與精密基準電壓源Vref相比較,當參考端電壓超過2.5V時,TL431立即導通。因為R端控制電壓誤差為±1%,所以參考端能精确地控制TL431的導通與截止。

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  3.并聯穩壓電路設計  3.1 基本并聯穩壓電路原理  TL431内部含有一個2.5V的基準電壓,所以當在Vref端引入輸出反饋時,器件可以通過從陰極到陽極很寬範圍的分流,控制輸出電壓。如圖4所示的電路,當R1R2的阻值确定時,兩者對VO的分壓引入反饋,若增大,反饋量增大,TL431的分流也就增加,從而又導緻VO下降。顯見,這個深度的負反饋電路必然在等于基準電壓處穩定,此時VO=1+R1/R2Vref.選擇不同的R1R2的值可以得到從2.5V36V範圍内的任意電壓輸出,特别地,當R1=R2時,VO=5V.若使R1短路,R2開路,即把參考端與陰極端短接,此時則有輸出電壓VO=2.5V(參考端電壓),最适合用于數字電壓表和模數轉換器或其它電路中作基準電壓源。

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  需要注意的是,和在選擇電阻R時必須保證TL431工作的必要條件,就是通過陰極的電流要大于1mA,R1R2要選擇精度為1%的同類電阻,才能保證基準電源的長期穩定性。  3.2 并聯擴流穩壓電路  在多種應用電路中,實際上是将圖5為在圖4的基礎上将電路稍加改進,采用三極管擴流,組成大電流基準電壓源,且圖5中的晶體管可根據負載電流的大小選用不同功率的晶體管,這時限流電阻R也要相應增加其功率。

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  并聯穩壓電路适用于各種傳感器、變送器、和儀表各種A/D轉換器中,圖6就是在電偶變送器中的應用。

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  4.串聯擴流穩壓電路  TL431除了可使用在并聯穩壓電路中,圖4和圖5中的限流電阻R的功耗就要随着輸入電壓的不同而功率發生變化,需用功率大的限流電阻,否則就會因電流過大而損壞。

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  采用串聯行的接法,如圖7,解決了上述問題。将流經限流電阻R電流的分流一部分,用兩個NPN的三極管V1V2,通過NPN+NPN的同極性接法夠成NPN型達林頓管,放大倍數是V1V2的放大倍數的乘積。這樣集電極不僅分流了圖5電阻R承受的大部分電流,解決了所需大功率電阻的問題,而且因達林頓管的電流放大能力增強,使TL431帶載能力增強,不用大功率三極管就可接大電流負載。

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  實際應用中,為差動變壓器式位移傳感器LVDT穩壓電源時,當負載電流為50mA時,流經R的電流僅為1mA,流過達林頓集電極的電路為49mA,電阻R采用小功率表貼電阻就能滿足需要,實現恒壓功能。而且在寬電源輸入下,輸出變化量小。如表1,測試條件為R1=2.5KΩR2=3.5KΩR=3KΩ,負載電流50mA,TL431選用SOT-89封裝,型号為TL431QPK,寬電壓供電的情況下僅變化1mV.如果在并聯電路中使用,替代圖5中所示電路,效果更好。

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  圖6所示電路具有良好的熱穩定性。由于TL431的溫度漂移低,0~406mV,-40~85-40~12514mV,所以輸出電壓的溫度特性要比普通恒壓源好的多,如果R1R2選用溫度漂移系數低的電阻,恒壓電路的整體溫度漂移也很小,在應用中無需附加溫度補償電路。實際應用中,R1=2.5KΩR2=3.5KΩ,從型号TL431QPK,SOT-89封裝50個芯片中随機抽取3支,用圖6所示電路作為差動變壓器式位移傳感器的穩壓電路,溫區範圍-40~125,溫漂測量如表2所示,僅有幾個到十幾毫伏,均符合所給指标。

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  可見串聯電路提高了穩定精度,降低了TL431的功耗,減少了TL431因過熱而損壞的機率,上述電路不但可以作為工業級的傳感器穩壓基準,而且可以為寬溫區低溫漂的軍品級的産品精密穩壓電源基準,是一款實用的精密線性穩壓電路。  5.結語  本文根據TL431三端可調精密内部結構及特點,闡述了并聯穩壓電路和串聯穩壓電路的基本構成和性能。提出了一種TL431的線性精密穩壓電源的設計方案。 後經過大量實驗和長期應用證明本方案所設計的基于TL431的可調式精密穩壓電源實現了大功率、寬電壓、低溫漂的功能, 性價比高具有很強的使用性能。

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