6.2.2 Регулируемые источники опорного напряжения высокой

точности

Регулируемые источники опорного напряжения (РИОН),выполненные в виде интегральных микросхем и известные под названием TL431, предоставляют разработчику преимущества по сравнению с аналогичными устройствами на основе стабилитронов:

• ТНК микросхемы значительно меньше, чем ТНК стабилитрона;

• выходное (опорное) напряжение можно изменять в широких пределах, используя только два резистора внешнего делителя; рабочий ток микросхемы допустимо изменять с кратностью 100;

• комплексное выходное сопротивление на низких частотах в десятки или сотни раз меньше динамического сопротивления стабилитрона;

• допуск выходного (опорного) напряжения значительно более узкий, чем при использовании стабилитрона.

Обозначение РИОН показан на рис. 42, а структурная схема – на рис. 44. Микросхема имеет три вывода: силовые анод (А) и катод (К), а также управляющий вывод, обозначенный как R (reference). Смысл упрощенной структурной схемы на рис. 43 заключатся в том, чтобы показать близость напряжения на управляющем выводе эталонному источнику напряжения 2,5 В, подключенному к инверсному входу ОУ. Схема на рис. 43 показывает также, что ток, проходящий через вывод R, должен быть очень мал, что соответствует правилу работы ОУ. Используя микросхему РИОН на выходе преобразователя, можно избавиться от трудоемкой и нетехнологичной операции настройки блока на требуемое напряжение. Необходимо только, чтобы резисторы, подключаемые к выводу R, имели допуск, соответствующий требуемой точности установки напряжения на выходе.

Для микросхем серии TL431 диапазон изменения катодного тока составляет от 1 до 100 мА и при расчете элементов схемы необходимо, чтобы ток катода оставался в этих пределах. Максимальный ток, входящий в вывод R, не превышает нескольких микроампер во всем диапазоне рабочих температур. Напряжение U_ref на управляющем выводе R составляет 2,495 В при токе катода I_к=10 мА, U_Ка=U_ref и Т=25^оС. Технологический разброс напряжения U_ref зависит от типа микросхемы и составляет %.

Покажем одно из возможных применений микросхемы на примере схемы, приведенной на рис. 44. Подключение делителя R1, R2 приводит к тому, что напряжение на катоде (U_Ка) становится больше U_ref. Выясним, чему равно и от каких параметров зависит напряжение U_Ка. Учитывая, что через управляющий вывод проходит ток I_ref, можно от исходной схемы перейти к схеме замещения на рис. 45, в которой ток катода I_к не показан.

Ток в сопротивлении R1 на схеме рис. 45 равен:

(6.2.2.1)

Ток в сопротивлении R2:

(6.2.2.2)

Рисунок 42 Обозначение РИОН на Рисунок 43 Структурная

принципиальных электрических схемах. схема РИОН.

Рисунок 44 Подключение микросхемы Рисунок 45 Схема замещения

микросхемы РИОН без участия

тока катода .

Напряжение на выводе R можно выразить, учитывая (6.2.2.1) и (6.2.2.2):

Из последнего соотношения выразим напряжение на катоде:

(6.2.2.3)

Из соотношения (6.2.2.3) можно сделать следующие выводы:

• напряжение U_ка в схеме рис. 45 всегда превышает U_ref, если R10;

• напряжение U_ка определяется напряжением на выводе R и не зависит от входного напряжения U_вх.

Напряжение U_ка в схеме рис. 45 можно, следовательно, использовать как выходное напряжение параллельного стабилизатора.

Оценим влияние первого слагаемого в правой части (6.2.2.3), обусловленного прохождением тока I_ref, на значение выходного напряжения стабилизатора. Ток через делитель R1, R2 (схема рис. 45) во много раз превышает ток I_ref, а значения сопротивлений резисторов R1 и R2 обычно килоомы. Пусть R1=5,1 кОм, R2=1кОм. Если типовое значение I_ref составляет, например, 1,8 мкА, то мВ. При этом вторая составляющая в правой части (6.2.2.3), определяющая напряжение U_ка= U_вых, равна:

В.

Таким образом, вклад слагаемого I_ref R1 в правой части (6.2.2.3) в данном случае составил менее 0,1%. В результате технологического разброса параметров микросхемы, если максимальное значение тока I_ref составит 4 мкА, влияние слагаемого I_refR1 на уровень напряжения U_вых возрастет не более чем на 0,2%.

Рассотрим влияние нагрузки на работу параллельного стабилизатора (рис. 45). Пусть входное напряжение (U_вх) изменяется в диапазоне 20…30 В. Тогда при отсутствии нагрузки ток катода будет максимальным и при U_вх=30 В равен:

(6.2.2.4)

В выражении (6.2.2.4) не учитывается ток I_ref, который намного меньше тока через делитель R1, R2.

Взяв из справочных данных на микросхему TL431 значение тока I_{k max}(I_{k max}=100 мА) и задав максимальное значение тока катода в рассматриваемом примере равным 0,9I_{k max}, из (6.2.2.4) определим требуемое значение сопротивления резистора R3. Сопротивления R1 и R2 известны (5,1 и 1 кОм):

(6.2.2.5)

В последнюю формулу подставляем значение U_вых = 0,0108 + 15,22 = 15,23 В. В результате получим:

Ом.

Минимально допустимое значение тока I_{k min} (из справочных данных) составля­ет 1 мА. Приняв, что в данном примере минимальное значение тока катода соста­вит 1,1I_{k min}, определим наименьшее сопротивление нагрузки, допустимое в данном случае, учитывая, что U_вх=U_{вх min}:

(6.2.2.6)

В результате расчета получим R_min = 0,58 кОм. Следовательно, максимальный ток, отдаваемый стабилизатором в нагрузку при заданных условиях работы, составит:

мА. (6.2.2.7)

Рассмотрим еще два примера применения РИОН, часто встречающихся при проектировании различных преобразователей. На рис. 46 показано использова­ние микросхемы на выходе преобразователя в качестве усилителя ошибки. Точно подобранные сопротивления резисторов R1 и R2 при соответствующих их допусках позволяют обеспечить точность установки выходного напряжения 1...2% без ка­кой-либо регулировки. Комплексное сопротивление Z_к — аналог сопротивления обратной связи в обычном ОУ. Изменение тока коллектора транзистора Л воздей­ствует на ШИМ схемы управления преобразователем, восстанавливая изменившийся уровень напряжения на выходе I_вых.

На рис. 47 показано использование РИОН в качестве усилителя ошибки на вторичной стороне преобразователя, гальванически не связанной с первичной, где

Рисунок 46 — Использование микросхемы РИОН в качестве усилителя ошибки на выходе преобразователя.

Рисунок 47 — Использование микросхемы РИОН в качестве усилителя ошибки на вторичной стороне преобразователя.

находятся источник входного напряжения, силовые ключи и ШИМ-контроллер. Общие точки первичной и вторичной сторон показаны знаками ┴ и соответ­ственно. Передача сигнала на первичную сторону выполняется оптрономDA1, светодиод которого включается последовательно с резистором R3 в цепь катода мик­росхемы РИОН. Резистор R3 ограничивает мощность, рассеиваемую в микросхеме.

Покажем еще один интересный пример применения микросхемы РИОН в пре­образователях.