TL431

TL431 функционально эквивалентна идеальному npn-биполярному транзистору-ключу со стабильным порогом переключения 2,495 В и без выраженного гистерезиса. «База», «коллектор» и «эмиттер» этого «транзистора» традиционно называются reference (R или REF), cathode (C) и anode (A). Положительное управляющее напряжение V_REF подаётся между входом reference и анодом; выходной ток I_CA течёт от катода к аноду.

На функциональном уровне TL431 содержит разомкнутый операционный усилитель, сравнивающий входное управляющее напряжение с опорным напряжением 2,495 В. Однако это лишь абстракция: обе функции неразрывно связаны во входном каскаде TL431. Физического источника 2,495 В нет: реальное внутреннее опорное напряжение формируется широтной схемой Видлара на 1,2 В (транзисторы T3, T4, T5), управляемой входными эмиттерными повторителями T1, T6. Это обеспечивает корректную работу даже при снижении напряжения катод-анод ниже 2,495 В — вплоть до 2,0 В. Дифференциальный усилитель построен на двух источниках тока (T8, T9); положительная разность их токов поступает на базу T10. Выходной транзистор с открытым коллектором T11 способен коммутировать токи до 100 мА и защищён от переполюсовки обратным диодом^[3]. Схема не содержит защиты от перегрузки по току или перегрева^[3].

Когда V_REF значительно ниже порога 2,495 В (точка A на характеристике), выходной транзистор закрыт. Остаточный ток катод-анод I_CA, питающий входной каскад, составляет 100—200 мкА^[5]. При приближении V_REF к порогу I_CA возрастает до 300—500 мкА, но транзистор остаётся закрытым^[5]. При достижении порога (точка B) транзистор начинает открываться, и I_CA растёт с крутизной около 30 мА/В^[5]. При превышении порога примерно на 3 мВ и достижении I_CA 500—600 мкА (точка C) крутизна резко возрастает до 1,0-1,4 А/В^[5]. В этой области TL431 работает в нормальном режиме высокой крутизны и может быть аппроксимирована как дифференциальный преобразователь напряжение-ток.^[5] Ток растёт до тех пор, пока отрицательная обратная связь между катодом и управляющим входом не стабилизирует V_REF выше порога. Эта точка (V_ref) и есть опорное напряжение всего стабилизатора^[4][2]. Альтернативно, TL431 может работать без обратной связи как компаратор напряжения, либо с положительной обратной связью как триггер Шмитта; в таких режимах I_CA ограничивается только нагрузкой и источником питания.

Ток входа reference I_REF не зависит от I_CA и составляет около 2 мкА. Сеть, питающая вход reference, должна обеспечивать не менее 4 мкА; работа с «висящим» входом REF запрещена, но не приводит к повреждению TL431. Микросхема выдерживает обрыв любого вывода, короткое замыкание на землю любого вывода или между любыми двумя выводами, если напряжения между ними не превышают допустимых.^[6]

Номинальное опорное напряжение V_REF=2,495 В, указываемое в технической документации, измеряется в зенер-режиме при температуре окружающей среды +25 °C и I_CA=10 мА. Пороговое напряжение и граница между режимами низкой и высокой крутизны не нормируются и не тестируются^[5]. Реальное V_REF в конкретном применении может быть выше или ниже 2,495 В в зависимости от четырёх факторов:

• Индивидуальное начальное отклонение конкретного экземпляра. Для разных сортов TL431 отклонение при нормальных условиях составляет ±0,5 %, ±1 % или ±2 %.
• Температура. Температурная зависимость опорного напряжения имеет форму «горба», центрированного на +25 °C, где V_REF=2,495 В; выше и ниже этой точки V_REF плавно уменьшается на несколько милливольт. Однако у отдельных экземпляров «горб» может смещаться, а в худших случаях превращаться в монотонно возрастающую или убывающую кривую^[7][8].
• Из-за конечного выходного сопротивления изменения напряжения V_CA влияют на I_CA и, косвенно, на V_REF, как и в транзисторах или триодах. Для фиксированного I_CA увеличение V_CA на 1 В компенсируется снижением V_REF примерно на 1,4 мВ (максимум 2,7 мВ)^[9]. Отношение μ = 1 В / 1,4 мВ ≈ 300—1000, или ≈ 50-60 дБ — теоретический максимум коэффициента усиления по напряжению на постоянном токе и низких частотах^[10].
• Из-за конечной крутизны увеличение I_CA вызывает рост V_REF с коэффициентом 0,5-1 мВ/мА.

Разомкнутая частотная характеристика TL431 хорошо аппроксимируется как фильтр нижних частот первого порядка. Доминирующий полюс формируется сравнительно большой ёмкостью в выходном каскаде.^[10] Эквивалентная модель содержит идеальный преобразователь напряжение-ток 1 А/В, зашунтированный конденсатором 70 нФ^[10]. Для типовой нагрузки катода 230 Ом это соответствует частоте среза 10 кГц и частоте единичного усиления 2 МГц^[10][11]. Из-за вторичных эффектов реальная частота единичного усиления составляет лишь 1 МГц; на практике разница между 1 и 2 МГц несущественна^[11].

Скорость нарастания I_CA, V_CA и время установления V_REF не нормируются. По данным Texas Instruments, переходный процесс при включении длится около 2 мкс: сначала V_CA быстро достигает ≈2 В, затем фиксируется на этом уровне примерно на 1 мкс, а зарядка внутренних ёмкостей до установившихся значений занимает ещё 0,5-1 мкс^[12].

Ёмкостные нагрузки катода (C_L) могут вызывать неустойчивость и самовозбуждение^[13]. Согласно графикам в оригинальном даташите, TL431 абсолютно устойчива при C_L менее 1 нФ или более 10 мкФ^[14][15]. В диапазоне 1 нФ-10 мкФ вероятность возбуждения зависит от сочетания C_L, I_CA и V_CA^[14][15]. Наихудший случай — при малых I_CA и V_CA. Напротив, при больших I_CA и V_CA (близких к максимальной рассеиваемой мощности) TL431 абсолютно устойчива.^[15] Однако даже стабилизатор, рассчитанный на большие I_CA и V_CA, может возбудиться при включении, когда V_CA ещё не достиг установившегося уровня.^[14]

В приложении 2014 года Texas Instruments признала, что их графики устойчивости чрезмерно оптимистичны^[15]. Они описывают «типовой» экземпляр при нулевом запасе по фазе; на практике рекомендуется проектировать схемы с запасом не менее 30 градусов.^[15] Обычно для подавления самовозбуждения достаточно включить последовательный резистор между катодом и ёмкостной нагрузкой, увеличив ЭПС последней. Такой резистор вводит низкочастотный нуль, компенсируя фазовый сдвиг, вызванный ёмкостью нагрузки. Минимальные значения резисторов — от 1 Ом (при большой C_L) до 1 кОм (при малой C_L и большом V_CA).^[16]

Самая простая схема стабилизатора на TL431 получается при соединении управляющего входа с катодом. Получается двухвыводная схема с стабилитроноподобной вольт-амперной характеристикой, стабильным порогом V_REF≈2,5 В и низкочастотным сопротивлением около 0,2 Ом. Сопротивление начинает расти при частотах выше 100 кГц и достигает 10 Ом при 10 МГц^[9].

Для стабилизации напряжений выше 2,5 В требуется внешний делитель напряжения. С резисторами делителя R2 и R1 напряжение катода и выходное сопротивление увеличиваются в ${\displaystyle 1+{\tfrac {R2}{R1}}}$ раз^[17]. Максимальное поддерживаемое стабилизированное напряжение не должно превышать 36 В; максимальное напряжение катод-анод ограничено 37 В^[18]. Исторически TL431 разрабатывалась именно для этого применения и рекламировалась как «крайне привлекательная замена дорогим температурно-компенсированным стабилитронам»^[19].

Добавление эмиттерного повторителя превращает шунтирующий стабилизатор в последовательный. КПД такого решения невысок, так как одиночные npn-транзисторы или пары Дарлингтона требуют значительного падения напряжения коллектор-эмиттер^[20]. Одиночный pnp-транзистор может работать в режиме насыщения с падением ≈0,25 В, но требует большого базового тока^[21]. Составной pnp-транзистор требует меньшего тока управления, но падение напряжения составляет не менее 1 В^[21]. Мощный n-канальный МОП-транзистор обеспечивает наилучшее сочетание низкого управляющего тока, очень малого падения напряжения и устойчивости^[21]. Однако для малопоточного режима требуется дополнительный источник высокого напряжения (ΔU) для управления затвором^[21]. ΔU не нужен при использовании МОП-транзистора с обеднённым каналом.

Замкнутые схемы стабилизаторов на TL431 всегда проектируются для работы в режиме высокой крутизны, с I_CA не менее 1 мА (точка D на характеристике).^[4][1] Для лучшей устойчивости оптимальный I_CA выбирается около 5 мА, хотя это снижает общий КПД^[22][4].

В XXI веке TL431 с нагрузкой в виде оптрона (LED) стала де-факто отраслевым стандартом для стабилизации импульсных источников питания (ИИП)^[1][2]. Резистивный делитель напряжения, управляющий входом TL431, и катод светодиода обычно подключаются к выходу стабилизатора; фототранзистор оптрона — к управляющему входу ШИМ-контроллера^[4][25]. Резистор R3 (около 1 кОм), шунтирующий светодиод, поддерживает I_CA выше порога 1 мА^[4][25]. В типовом блоке питания ноутбука средний I_CA составляет около 1,5 мА (0,5 мА через светодиод и 1 мА через шунт, данные 2012 года)^[4].

Проектирование надёжных, эффективных и устойчивых ИИП с TL431 — распространённая, но сложная задача.^[26] В простейшей конфигурации частотная компенсация обеспечивается интегрирующей цепью C1R4^[26]. Кроме явной компенсационной цепи, на частотную характеристику петли управления влияют выходной фильтрующий конденсатор, сама TL431 и паразитная ёмкость фототранзистора^[27]. TL431 управляется не одной, а двумя петлями: основной («медленной»), подключённой к выходному конденсатору через делитель, и вспомогательной («быстрой»), соединённой с выходной шиной через светодиод^[28]. Микросхема, нагруженная низкоомным светодиодом, работает как источник тока; нежелательные пульсации напряжения проходят с выхода на катод почти без ослабления^[28]. Эта «быстрая» петля доминирует на средних частотах (10 кГц-1 МГц)^[29], и обычно разрывается развязкой светодиода от выходного конденсатора с помощью стабилитрона^[30] или фильтра нижних частот^[29].

Простейшая схема компаратора на TL431 требует одного внешнего резистора для ограничения I_CA на уровне около 5 мА. Работа при меньших токах нежелательна из-за увеличения времени выключения. Задержка включения зависит в основном от разности между входным и пороговым напряжением (overdrive); большее превышение ускоряет включение. Оптимальная скорость переходного процесса достигается при 10 % (≈250 мВ) превышении и сопротивлении источника не более 10 кОм.

Включённое состояние соответствует V_CA около 2 В, что совместимо с ТТЛ и CMOS логикой при питании 5 В. Для низковольтной CMOS (например, 3,3 В или 1,8 В) требуется уровневый преобразователь с резистивным делителем, либо замена TL431 на низковольтный аналог, например TLV431.

Компараторы и инверторы на TL431 легко каскадируются по правилам релейной логики. Например, двухкаскадный оконный монитор включается (переходит из высокого в низкое состояние), когда

${\displaystyle U_{REF}(1+R3/R4)<U_{IN}<U_{REF}(1+R1/R2)}$,

при условии, что ${\displaystyle R1/R2}$ больше ${\displaystyle R3/R4}$ и разница между порогами достаточно велика.

Неустойчивая по природе TL431 может работать как генератор напряжения, управляемый напряжением (VCO) на частотах от нескольких кГц до 1,5 МГц^[31]. Диапазон частот и закон управления сильно зависят от конкретного производителя.^[31] Микросхемы разных фирм обычно несовместимы.^[31]

Пара TL431 может заменить транзисторы в симметричном астабильном мультивибраторе на частотах от менее 1 Гц до примерно 50 кГц^[32]. Это также неофициальный и потенциально опасный режим, при котором периодические токи заряда конденсатора проходят через защитные диоды входного каскада (T2 на схеме).^[32]

Микросхемы, выпускаемые разными производителями под обозначениями TL431, KA431, TS431 и др., могут существенно отличаться от оригинала Texas Instruments. Иногда различия проявляются только в неофициальных режимах, иногда явно указываются в документации. Например, TL431 от Vishay имеет аномально высокий (около 75 дБ) коэффициент усиления по постоянному току, который начинает снижаться уже с 100 Гц; выше 10 кГц усиление возвращается к стандартному и достигает единицы при 1 МГц^[10]. Контроллер SG6105 для ИИП содержит два независимых стабилизатора, маркированных как TL431, но их максимальные I_CA и V_CA составляют лишь 16 В и 30 мА соответственно; производитель не гарантирует их точность.^[33]

Устаревшая TL430 была «уродливой сестрой» TL431, выпускалась только в выводном корпусе и имела V_REF 2,75 В. Её опорное напряжение не было термокомпенсированным и отличалось меньшей точностью; выходной каскад не имел защитного диода^[34][35]. Поверхностно-монтируемая TL432 электрически идентична TL431, но имеет другую распиновку.

В 2015 году Texas Instruments анонсировала ATL431 — усовершенствованный вариант TL431 для высокоэффективных импульсных стабилизаторов^[36] с V_REF 2,5 В вместо 2,495 В. Рекомендуемый минимальный рабочий ток — всего 35 мкА (у стандартной TL431 — 1 мА); максимальные I_CA и V_CA такие же (100 мА и 36 В)^[37]. Частота единичного усиления снижена до 250 кГц для подавления высокочастотных пульсаций. ATL431 имеет иную область неустойчивости^[37]. При низких напряжениях и токах она абсолютно устойчива с любой практически применимой ёмкостной нагрузкой, если используются качественные низкоимпедансные конденсаторы^[38][39]. Минимальное рекомендуемое значение последовательного резистора — 250 Ом (у стандартной TL431 — 1 Ом)^[40].

Кроме TL431 и её производных, по состоянию на 2015 год широкое распространение получили только два других шунтирующих стабилизатора^[41]. Оба имеют схожие функции и области применения, но различаются внутренней схемой, опорным напряжением, максимальными токами и напряжениями:^[41]

• Биполярный LMV431 от Texas Instruments с V_REF 1,24 В, способен стабилизировать напряжения до 30 В при токах 80 мкА-30 мА^[42][43];
• Низковольтный CMOS NCP100 от ON Semiconductor с V_REF 0,7 В, способен стабилизировать напряжения до 6 В при токах 100 мкА-20 мА^[44][45].