針對恒壓供電傳感器、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，根據(jù)常用單端穩(wěn)壓芯片TL431內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理和主要特點，本文提出了一種TL431的線性精密穩(wěn)壓電源的設(shè)計方案，下面將介紹該方案的設(shè)計過程與結(jié)果。 　　1.引言 　　TL431是一個有良好熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)精密電壓基準集成芯片，具有體積小、價格低廉、性能優(yōu)良等特點：它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設(shè)置到從參考電壓(2.5V)到36V范圍內(nèi)的任何值，典型動態(tài)阻抗僅為0.2Ω，電壓參考誤差為±0.4%,負載電流能力從1.0mA到100mA,溫度漂移低，輸出噪聲電壓低等?；谝陨咸攸c，不僅可以用于恒流源電路、電壓比較器電路、電壓監(jiān)視器電路、過壓保護電路等電路中、還廣泛應(yīng)用于線性穩(wěn)壓電源、開關(guān)穩(wěn)壓電源等直流穩(wěn)壓電源電路中。 　　2.TL431的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能 　　2.1TL431的符號 　　該器件的符號如圖1，三個引腳分別為：陰極(CATHODE)、陽極(ANODE)和參考端(REF)，參考電壓為2.5V。 　　TL431符號 　　2.2TL431的內(nèi)部電路圖 　　由內(nèi)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(gòu)成輸入極，V3、V4、V5構(gòu)成穩(wěn)壓基準，V7和V8組成的鏡像恒流源與V6、V9構(gòu)成差分放大器作中間級，V10、V11形成復(fù)合管，構(gòu)成輸出，其它一些電阻、電容、二級管分別起偏置、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。 　　TL431的內(nèi)部電路圖 　　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(guān)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(dǎo)通。因為R端控制電壓誤差為±1%，所以參考端能精確地控制TL431的導(dǎo)通與截止。 　　TL431等效功能示意圖 　　3.并聯(lián)穩(wěn)壓電路設(shè)計 　　3.1基本并聯(lián)穩(wěn)壓電路原理 　　TL431內(nèi)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范圍的分流，控制輸出電壓。如圖4所示的電路，當R1和R2的阻值確定時，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(dǎo)致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(wěn)定，此時VO=(1 R1/R2)Vref.選擇不同的R1和R2的值可以得到從2.5V到36V范圍內(nèi)的任意電壓輸出，特別地，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)，最適合用于數(shù)字電壓表和模數(shù)轉(zhuǎn)換器或其它電路中作基準電壓源。 　　基本并聯(lián)穩(wěn)壓電路 　　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，R1和R2要選擇精度為1%的同類電阻，才能保證基準電源的長期穩(wěn)定性。 　　3.2 并聯(lián)擴流穩(wěn)壓電路 　　在多種應(yīng)用電路中，實際上是將圖5為在圖4的基礎(chǔ)上將電路稍加改進，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(jù)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(yīng)增加其功率。 　　TL431并聯(lián)擴流穩(wěn)壓電路 　　并聯(lián)穩(wěn)壓電路適用于各種傳感器、變送器、和儀表各種A/D轉(zhuǎn)換器中，圖6就是在電偶變送器中的應(yīng)用。 　　TL431基準穩(wěn)壓電路在電偶電路中的應(yīng)用 　　4.串聯(lián)擴流穩(wěn)壓電路 　　TL431除了可使用在并聯(lián)穩(wěn)壓電路中，圖4和圖5中的限流電阻R的功耗就要隨著輸入電壓的不同而功率發(fā)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。 　　TL431高精度大電流串聯(lián)穩(wěn)壓電路 　　采用串聯(lián)行的接法，如圖7，解決了上述問題。將流經(jīng)限流電阻R電流的分流一部分，用兩個NPN的三極管V1和V2，通過NPN NPN的同極性接法夠成NPN型達林頓管，放大倍數(shù)是V1和V2的放大倍數(shù)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。 　　實際應(yīng)用中，為差動變壓器式位移傳感器LVDT穩(wěn)壓電源時，當負載電流為50mA時，流經(jīng)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(xiàn)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=2.5KΩ，R2=3.5KΩ，R=3KΩ，負載電流50mA，TL431選用SOT-89封裝，型號為TL431QPK,寬電壓供電的情況下僅變化1mV。如果在并聯(lián)電路中使用，替代圖5中所示電路，效果更好。 　　圖6所示電路具有良好的熱穩(wěn)定性。由于TL431的溫度漂移低，0℃~40℃為6mV，-40℃~85℃和-40℃~125℃為14mV，所以輸出電壓的溫度特性要比普通恒壓源好的多，如果R1和R2選用溫度漂移系數(shù)低的電阻，恒壓電路的整體溫度漂移也很小，在應(yīng)用中無需附加溫度補償電路。實際應(yīng)用中，R1=2.5KΩ，R2=3.5KΩ，從型號TL431QPK,SOT-89封裝50個芯片中隨機抽取3支，用圖6所示電路作為差動變壓器式位移傳感器的穩(wěn)壓電路，溫區(qū)范圍-40℃~125℃，溫漂測量如表2所示，僅有幾個到十幾毫伏，均符合所給指標。 　　可見串聯(lián)電路提高了穩(wěn)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(yè)級的傳感器穩(wěn)壓基準，而且可以為寬溫區(qū)低溫漂的軍品級的產(chǎn)品精密穩(wěn)壓電源基準，是一款實用的精密線性穩(wěn)壓電路。 　　5.結(jié)語 　　本文總結(jié)了基于TL431的線性精密穩(wěn)壓電源的設(shè)計過程，后經(jīng)過大量實驗和長期應(yīng)用證明了本方案所設(shè)計的基于TL431的可調(diào)式精密穩(wěn)壓電源實現(xiàn)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。 (mbbeetchina)