El circuito integrado TL431 (CI) es un regulador de tensión en derivación preciso ajustable de tres terminales . Con el uso de un divisor de tensión externo , un TL431 puede regular tensiones que van desde 2,495 a 36 V , a corrientes de hasta 100 mA . La desviación inicial típica de la tensión de referencia con respecto al nivel nominal de 2,495 V se mide en milivoltios, la desviación máxima en el peor de los casos se mide en decenas de milivoltios. El circuito puede controlar transistores de potencia directamente; las combinaciones del TL431 con transistores MOS de potencia se utilizan en reguladores lineales de alta eficiencia y caída de tensión muy baja. El TL431 es el circuito amplificador de error estándar de la industria de facto para fuentes de alimentación de modo conmutado con acoplamiento optoelectrónico de las redes de entrada y salida. [1] [2] [3]
Texas Instruments introdujo el TL431 en 1977. En el siglo XXI, el TL431 original sigue en producción junto con una multitud de clones y derivados (TLV431, TL432, ATL431, KA431, LM431, TS431, 142ЕН19 y otros). Estos circuitos funcionalmente similares pueden diferir considerablemente en el tamaño y la disposición de la matriz , las características de precisión y velocidad, las corrientes operativas mínimas, las áreas de operación seguras y la referencia de voltaje específica.
El TL431 es funcionalmente equivalente a un transistor bipolar npn ideal con un umbral de conmutación estable de 2,495 V y sin histéresis aparente . La "base", el "colector" y el "emisor" de este "transistor" se denominan tradicionalmente referencia (R o REF), cátodo (C) y ánodo (A). [5] La tensión de control positiva, V REF , se aplica entre la entrada de referencia y el ánodo; la corriente de salida, I CA , fluye desde el cátodo al ánodo. [5]
A nivel funcional, el TL431 contiene un amplificador operacional de bucle abierto que compara el voltaje de control de entrada con una referencia de voltaje de 2,495 V. [5] Sin embargo, esto es meramente una abstracción : ambas funciones están inextricablemente vinculadas dentro del front-end del TL431. No hay una fuente física de 2,495 V: la referencia interna real la proporciona una banda prohibida Widlar de 1,2 V (transistores T3, T4, T5), impulsada por los seguidores de emisor de entrada T1, T6. [6] Esto permite un funcionamiento correcto incluso cuando el voltaje del cátodo-ánodo cae por debajo de 2,495 V, hasta alrededor de 2,0 V como mínimo. El amplificador diferencial está hecho de dos fuentes de corriente (T8, T9); la diferencia positiva de sus corrientes se hunde en la base de T10. [6] El transistor de colector abierto de salida , T11, puede absorber corrientes de hasta 100 mA y está protegido de la inversión de polaridad con un diodo inverso. [4] [5] El circuito no proporciona protección contra corriente excesiva o sobrecalentamiento. [4] [5]
Cuando V REF está con seguridad por debajo del umbral de 2,495 V (punto A en la curva de corriente-voltaje), el transistor de salida está apagado. La corriente residual de cátodo-ánodo I CA , que alimenta el circuito frontal, se mantiene entre 100 y 200 μA. [9] Cuando V REF se acerca al umbral, la I CA aumenta a 300-500 μA, pero el transistor de salida permanece apagado. [9] Al alcanzar su umbral (punto B), el transistor de salida comienza a conducir (se enciende), y la I CA comienza a aumentar a una velocidad de alrededor de 30 mA/V. [9] Cuando V REF supera el umbral en alrededor de 3 mV, e I CA alcanza 500-600 μA (punto C), la transconductancia salta bruscamente a 1,0-1,4 A/V. [9] Por encima de este punto, el TL431 opera en su modo normal de alta transconductancia y puede aproximarse convenientemente con un modelo de convertidor de voltaje diferencial a corriente de un solo extremo . [1] [9] La corriente aumenta hasta que el bucle de retroalimentación negativa que conecta el cátodo con la entrada de control estabiliza V REF en algún punto por encima del umbral. Este punto (V ref ) es, estrictamente hablando, el voltaje de referencia del regulador completo. [7] [3] Alternativamente, el TL431 puede funcionar sin retroalimentación como un comparador de voltaje , o con retroalimentación positiva como un disparador Schmitt ; en tales aplicaciones, I CA está limitado solo por la carga del ánodo y la capacidad de la fuente de alimentación. [10]
La corriente de entrada de referencia I REF es independiente de I CA y bastante constante, en torno a 2 μA. La entrada de referencia de alimentación de red debe poder generar al menos el doble de esta cantidad (4 μA o más); el funcionamiento con la entrada REF suspendida está prohibido, pero no dañará directamente al TL431. [10] Sobrevivirá a un circuito abierto en cualquier pin, a un cortocircuito a tierra de cualquier pin o a un cortocircuito entre cualquier par de pines, siempre que los voltajes a través de los pines permanezcan dentro de los límites de seguridad. [11]
La tensión de referencia nominal, V REF = 2,495 V, indicada en una hoja de datos, se prueba en modo zener a una temperatura ambiente de +25 °C (77 °F) e I CA = 10 mA. [13] La tensión de umbral y el límite entre los modos de baja y alta transconductancia no se especifican ni se prueban. [9] La V REF real mantenida por un TL431 específico en una aplicación del mundo real puede ser mayor o menor que 2,495 V, dependiendo de cuatro factores:
La respuesta de frecuencia de bucle abierto de un TL431 se puede aproximar de manera confiable como un filtro de paso bajo de primer orden . El polo dominante lo proporciona un condensador de compensación relativamente grande en la etapa de salida. [16] [10] Un modelo equivalente contiene un convertidor de voltaje a corriente ideal de 1 A/V, derivado con un condensador de 70 nF. [16] Para una carga de cátodo típica de 230 Ω , esto se traduce en una frecuencia de corte de bucle abierto de 10 kHz y una frecuencia de ganancia unitaria de 2 MHz. [16] [18] Debido a varios efectos de segundo orden, la frecuencia de ganancia unitaria real es solo 1 MHz; en la práctica, la diferencia entre 1 y 2 MHz no es importante. [18]
No se especifican las velocidades de respuesta de I CA , V CA ni el tiempo de estabilización de V REF . Según Texas Instruments, el transitorio de encendido dura alrededor de 2 μs. Inicialmente, V CA aumenta rápidamente a ≈2 V y luego se bloquea en este nivel durante alrededor de 1 μs. La carga de las capacitancias internas a voltajes de estado estable requiere entre 0,5 y 1 μs más. [19]
Las cargas de cátodo capacitivas (C L ) pueden causar inestabilidad y oscilación. [20] Según los gráficos de límites de estabilidad publicados en la hoja de datos original, TL431 es absolutamente estable cuando C L es menor que 1 nF o mayor que 10 μF. [21] [22] Dentro del rango de 1 nF a 10 μF, la probabilidad de oscilación depende de la combinación de capacitancia, I CA y V CA . [21] [22] El peor escenario ocurre con I CA y V CA bajos . Por el contrario, las combinaciones de I CA altos y V CA altos , cuando el TL431 opera cerca de su clasificación de disipación máxima, son absolutamente estables. [22] Sin embargo, incluso un regulador diseñado para I CA altos y V CA altos puede oscilar al encenderse, cuando V CA aún no ha aumentado a un nivel de estado estable. [21]
En una nota de aplicación de 2014 , Texas Instruments admitió que sus gráficos de límites de estabilidad son irrazonablemente optimistas. [22] Describen una muestra de CI "típica" en margen de fase cero ; en la práctica, los diseños robustos deben apuntar a un margen de fase de al menos 30 grados. [22] Por lo general, insertar una resistencia en serie entre el cátodo y la capacitancia de carga, aumentando efectivamente la ESR de esta última, es suficiente para suprimir oscilaciones no deseadas. La resistencia en serie introduce un cero de baja frecuencia a una frecuencia relativamente baja, cancelando la mayor parte del desfase de fase no deseado que fue causado solo por la capacitancia de carga. Los valores mínimos de las resistencias en serie se encuentran entre 1 Ω (C L alto ) y 1 kΩ (C L bajo, V CA alto ). [23]
El circuito regulador TL431 más simple se realiza mediante un cortocircuito entre la entrada de control y el cátodo. La red de dos terminales resultante tiene una característica de corriente-voltaje similar a la de un zener , con un voltaje umbral estable V REF ≈2,5 V y una impedancia de baja frecuencia de alrededor de 0,2 Ω. [24] La impedancia comienza a crecer alrededor de los 100 kHz y alcanza los 10 Ω alrededor de los 10 MHz. [24]
La regulación de voltajes superiores a 2,5 V requiere un divisor de voltaje externo . Con las resistencias divisoras R2 y R1, el voltaje del cátodo y la impedancia de salida aumentan varias veces. [25] El voltaje máximo sostenido y regulado no puede superar los 36 V; el voltaje máximo de cátodo-ánodo está limitado a 37 V. [26] Históricamente, el TL431 se diseñó y fabricó teniendo en cuenta esta aplicación, y se publicitó como un "reemplazo extremadamente atractivo para los zeners con compensación de temperatura de alto costo". [27]
La adición de un seguidor de emisor convierte un regulador en derivación en un regulador en serie. La eficiencia es mediocre porque los transistores de tipo npn individuales o pares Darlington requieren una caída de tensión colector-emisor bastante alta. [28] Un solo transistor de tipo pnp de emisor común puede funcionar correctamente en modo de saturación, con una caída de tensión de solo ≈0,25 V, pero también con corrientes de base imprácticamente altas. [29] Un transistor de tipo pnp compuesto no necesita tanta corriente de excitación, pero requiere al menos una caída de tensión de 1 V. [29] Un dispositivo MOSFET de potencia de canal N permite la mejor combinación de baja corriente de excitación, tensión de caída muy baja y estabilidad. [29] Sin embargo, la operación MOSFET de baja caída requiere una fuente de tensión adicional del lado alto (ΔU en el esquema) para accionar la compuerta . [29] ΔU se puede obviar si se utiliza un MOSFET de modo de agotamiento.
Los circuitos reguladores de lazo cerrado que utilizan el TL431 siempre están diseñados para funcionar en modo de alta transconductancia, con I CA no menor a 1 mA (punto D en la curva de corriente-voltaje). [8] [7] [2] Para una mejor estabilidad del lazo de control, el I CA óptimo debe establecerse en alrededor de 5 mA, aunque esto puede comprometer la eficiencia general. [30] [7]
En el siglo XXI, el TL431, cargado con un diodo emisor de luz (LED) de un optoacoplador , es la solución estándar de facto de la industria para las fuentes de alimentación conmutadas reguladas (SMPS). [1] [2] [3] Un divisor de voltaje resistivo que impulsa la entrada de control del TL431 y el cátodo del LED normalmente están conectados a la salida del regulador; el fototransistor del optoacoplador está conectado a la entrada de control del controlador de modulación por ancho de pulso (PWM). [33] La resistencia R3 (alrededor de 1 kΩ), que deriva el LED, ayuda a mantener I CA por encima del umbral de 1 mA. [33] En una fuente de alimentación/cargador típico suministrado con una computadora portátil , la I CA promedio se establece en alrededor de 1,5 mA, incluida una corriente de LED de 0,5 mA y una corriente de derivación de 1 mA (datos de 2012). [7]
El diseño de una fuente de alimentación conmutada robusta, eficiente y estable con TL431 es una tarea común pero compleja. [34] En la configuración más simple posible, la compensación de frecuencia se mantiene mediante una red integradora C1R4. [34] Además de esta red de compensación explícita, la respuesta de frecuencia del bucle de control se ve afectada por el condensador de suavizado de salida , el propio TL431 y la capacitancia parásita del fototransistor. [35] El TL431 está gobernado no por uno, sino por dos bucles de control: el bucle principal, de "carril lento", conectado a un condensador de salida con un divisor de tensión, y un bucle secundario de "carril rápido" conectado al riel de salida con un LED. [36] El CI, cargado con la impedancia muy baja del LED, funciona como una fuente de corriente ; la ondulación de tensión no deseada pasa del riel de salida al cátodo casi sin impedimentos. [36] Este "carril rápido" domina en frecuencias de banda media (aproximadamente 10 kHz–1 MHz), [37] y generalmente se interrumpe desacoplando el LED del capacitor de salida con un diodo Zener [38] o un filtro de paso bajo . [37]
El circuito comparador más simple basado en TL431 requiere una sola resistencia externa para limitar I CA a alrededor de 5 mA. [39] El funcionamiento a corrientes menores no es deseable debido a los transitorios de apagado más largos. [39] El retraso de encendido depende principalmente de la diferencia entre el voltaje de entrada y el voltaje de umbral (voltaje de sobremarcha); una sobremarcha más alta acelera el proceso de encendido. [39] La velocidad transitoria óptima se alcanza con una sobremarcha del 10 % (≈250 mV) y una impedancia de fuente de 10 kΩ o menos. [39]
El voltaje CA en estado encendido cae a alrededor de 2 V, lo que es compatible con la lógica transistor-transistor (TTL) y las puertas lógicas CMOS con una fuente de alimentación de 5 V. [40] El CMOS de bajo voltaje (por ejemplo, lógica de 3,3 V o 1,8 V) requiere una conversión de nivel con un divisor de voltaje resistivo , [40] o reemplazar el TL431 con una alternativa de bajo voltaje como el TLV431. [41]
Los comparadores e inversores basados en TL431 se pueden conectar en cascada fácilmente siguiendo las reglas de la lógica de relés . Por ejemplo, un monitor de voltaje de ventana de dos etapas se encenderá (cambiando de salida de estado alto a estado bajo) cuando
siempre que sea mayor que para que la diferencia entre dos voltajes de disparo sea lo suficientemente amplia. [42]
En 2010, las revistas DIY publicaron muchos diseños de amplificadores de audio que empleaban el TL431 como dispositivo de ganancia de voltaje. [43] La mayoría fueron fracasos rotundos debido a la retroalimentación negativa excesiva y la baja ganancia. [43] La retroalimentación es necesaria para reducir la no linealidad de bucle abierto, pero, dada la ganancia de bucle abierto limitada del TL431, [44] cualquier nivel de retroalimentación práctico da como resultado una ganancia de bucle cerrado imprácticamente baja. [43] La estabilidad de estos amplificadores también deja mucho que desear. [43]
El TL431, inherentemente inestable, puede funcionar como un oscilador controlado por voltaje para frecuencias que van desde unos pocos kHz hasta 1,5 MHz. [45] El rango de frecuencia y la ley de control de dicho oscilador dependen en gran medida de la marca particular de TL431 utilizada. [45] Los chips fabricados por diferentes fabricantes normalmente no son intercambiables. [45]
Un par de TL431 pueden reemplazar transistores en un multivibrador astable simétrico para frecuencias que van desde menos de 1 Hz hasta alrededor de 50 kHz. [46] Este, nuevamente, es un modo no documentado y potencialmente inseguro, con corrientes periódicas de carga de capacitores que fluyen a través de diodos de protección de la etapa de entrada (T2 en el esquema). [46]
Los circuitos integrados comercializados por varios fabricantes como TL431, o que tienen designaciones similares como KA431 o TS431, pueden diferir sustancialmente del original de Texas Instruments. A veces, la diferencia solo se puede revelar al realizar pruebas en modos no documentados; a veces se declara públicamente en hojas de datos. Por ejemplo, el TL431 de Vishay tiene una ganancia de voltaje de CC anormalmente alta (aproximadamente 75 dB), que comienza a disminuir a 100 Hz; a frecuencias superiores a 10 kHz, la ganancia vuelve al estándar y alcanza la unidad en la frecuencia estándar de 1 MHz. [16] El controlador de fuente de alimentación conmutada SG6105 contiene dos reguladores independientes marcados como TL431, pero su I CA y V CA máximos son solo 16 V y 30 mA, respectivamente; el fabricante no prueba estos reguladores para comprobar su precisión. [48]
El obsoleto TL430 era una hermana fea [ cita requerida ] del TL431, fabricado por Texas Instruments en un encapsulado de orificio pasante solamente, y con un V REF de 2,75 V. Su referencia de banda prohibida no estaba compensada térmicamente, y era menos precisa que la del TL431; la etapa de salida no tenía diodo de protección. [49] [50] El TL432 es eléctricamente igual que el TL431, fabricado solo en encapsulados de montaje superficial, y con una distribución de pines diferente. [14]
En 2015, Texas Instruments anunció el ATL431, un derivado mejorado del TL431 para reguladores de modo conmutado de muy alta eficiencia [51] que tiene un V REF de 2,5 V en lugar de 2,495 V. La corriente de funcionamiento mínima recomendada es de solo 35 μA (TL431 estándar: 1 mA); la I CA y V CA máximas son las mismas que las estándar (100 mA y 36 V). [52] La frecuencia de ganancia unitaria se reduce a 250 kHz para atenuar las ondulaciones de alta frecuencia para que no se realimenten al controlador. El ATL431 tiene un área de inestabilidad muy diferente. [52] A voltajes y corrientes bajos es absolutamente estable con cualquier carga capacitiva práctica, siempre que los condensadores sean de un tipo de alta calidad y baja impedancia. [53] [54] El valor mínimo recomendado de la resistencia de desacoplamiento en serie es 250 Ω (estándar TL431: 1 Ω). [55]
Aparte del TL431 y sus descendientes, a partir de 2015, solo dos circuitos integrados reguladores de derivación encontraron un amplio uso en la industria. [56] Ambos tipos tienen funcionalidades y aplicaciones similares, pero diferentes circuitos internos, diferentes niveles de referencia, corrientes máximas y voltajes: [56]
{{cite book}}: |journal=ignorado ( ayuda )Los libros de texto solo describen amplificadores operacionales en compensadores… La realidad del mercado es diferente: ¡el TL431 manda!