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Präzisions-Shunt-Regler TL431Prof. Jürgen Plate |
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Präzisions-Shunt-Regler TL431Prof. Jürgen Plate |
Der Präzisions-Shunt-Regler ist ein recht vielseitig nutzbares Bauelement. Als einstellbare Spannungs-Referenz stellt er eine ideale Wahl für das Power-Management und andere Anwendungen dar.
Die Eigenschaften des TL431 sind:
- Spannung einstellbar
- Besser als jede Z-Diode
- Verbraucht wenig Strom
- Schützt Akku vor Tiefentladung
- Als einstellbare Z-Diode und als Regelverstärker nutzbar
- Nur 3 Pins
- Arbeitsbereich 2,5 bis 36 V
- Betriebstemperatur -40°C bis 125°C
- Preiswert
Der Baustein arbeitet im Prinzip wie eine einstellbare Z-Diode. Mit einem Spannungsteiler am Ref-Eingang lässt sich die Ausgangsspannung zwischen ca. 2.5 V und 36 Volt stufenlos einstellen. Der TL431 kann bei gerimgem Strombedarf direkt als Parallel-Spannngsregler eingesetzt werden, bei höheren Ausgansströmen als Spannungsreferenz in Netzteilen oder in der Messtechnik. Häufig wird er auch als Z-Diode mit Spannungswerten verwendet, die nicht handelsüblich sind. Die folgende Blockschaltung zeigt den inneren Aufbau des Bausteins.
Mit einer direkten Verbindung von Ref zu Kathode verhält sich der TL431 wie eine fast ideale Z-Diode mit Uz = 2,5 V. Abhängig vom Strom ist der TL431 mindestens um den Faktor 20 besser als eine Z-Diode. Auch bei der Temperaturabhängigkeit ist er etwa um den gleichen Faktor besser als eine Z-Diode.
Durch die Beschaltung des Referenz-Anschlusses mit zwei Widerständen kann eine beliebige Spannung eingestellt werden. Hier verhält sich der TL431 wie eine einstellbare Z-Diode. Es gilt dabei
Uz = Uref * (R1+R2)/R2
wobei Uref die Referenzspannung des TL431 von 2,5 V ist.
Dazu ein Rechenbeispiel: Uz soll 6 V betragen. Die Eingangsspannung sei 9 V. Durch die Widerstände R1 und R2 soll ein Strom von 0,1 mA fliessen. Damit kann man schon mal R2 berechnen:
R2 = Uref/0,1 [kOhm] = 2,5/0,1 [kOhm] = 25 [kOhm]
Der nächst größere handelsübliche Wert ist R2 = 27 kOhm, der für die weitere Berechnung verwendet wird. Nun kann R1 berechnet werden:
R1 + R2 = R2*Uz/Uref → R1 = R2*Uz/Uref - R2
Wenn die Zahlenwerte eingesetzt werden, ergibt sich:
R1 = 27*6/2,5 - 27 = 162/2,5 - 27 = 64,8 - 27 = 37,8 [kOhm]
Mit dem Standardwert von 39 KOhm für R1 ergibt sich eine Spannung von Uz = 6,1 V. Wenn es präziser sein muss, kann man auf 1%-Widerstände zurückgreifen oder man verwendet ein Potenziometern wie in der folgenden Schaltung mit einem längs geregelten Transistor, die auch gleich noch einen höheren Ausgangsstrom zulässt.
Der TL431 eignet sich auch hervorragend für eine Präzisions-Stromquelle bzw. -Stromsenke. Hier gilt für die Berechnung des Widerstandes Rs bei einem gewünschten Strom Io: Rs = Vref/Io. Da die Spannung Vref = 2,5 V beträgt, gilt: Rs = 2,5/Io. Der Widerstand R1 ist so zu dimensionieren, dass genügned Stron für die Basis des Transistors Ib und den TL431 zur Verfügung steht. Ib kann abgeschätzt werden als Io/β (β = Stromverstärkungsfaktor des Transistors).
Weitere Optionen des TL431 sind normale oder gespiegelte Pinanordnung im 3-poligen SOT23-Gehäuse. Entwickler können auch eine 5-polige SOT753-Gehäuseoption des TLVH431 in jeder Toleranz erhalten. TLVH431-Regulatoren können bis zu 70 mA abführen und haben einen Minimum-Kathodenstrom von 55 µA, um die Energieeffizienz zu maximieren.
Das Datenblatt zeigt etliche weitere Applikationen. Zusätzlich sollen hier einige Anwendungen zur Spannungsüberwachung gezeigt werden. Die meisten Akkus nehmen bei Tiefentladung Schaden. Die Entladeschlußspannung ist typisch für jeden Akku. Bei Bleiakkus sind es z. B. 1,75V pro Zelle. Die folgende Schaltung für 12-V-Akkus unterbricht den Strom zuverlässig bei der eingestellten Schwellenspannung. Sobald der Taster S1 betätigt wird, schaltet der P-MOSFET durch. Über den Spannungsteiler aus R2 und P1 erhält der Steuereingang des TL431 eine von der Batteriespannung abhängige Referenz. Falls der Akku noch voll genug ist, sinkt die Spannug zwischen Kathode und Anode des TL431 auf ca. 2V. Nach Loslassen des Tasters bleibt somit die Ausgangsspannung erhalten, da das Gate des P-MOSFET nun über den TL431 weiter aufgesteuert wird. Sinkt die Spannung am Schleifer des Potis unter die interne Referenzspanung des TL431 (2,5 V) sperrt der TL431, worauf das Gate des P-MOSFET über R1 gesperrt wird.
Die folgende Schaltung wandelt das Thema etwas ab. Mit einem PNP-Leistungstransistor lässt sich recht schnell ein Shunt-Regler für Das Laden eines Bleiakkus mit Solarzellen konstruieren. Je nach Akkuspannung muss R1 festgelegt werden, der die maximale Ladespannung bestimmt. Diese sollte so gewählt werden, dass der Akku zwar voll geladen wird, aber nicht anfängt, zu gasen. Das sind beim 12-V-Akku ca. 13,4 V und bei 6-V-Akku ca. 6,7 V.
Die folgende Schaltung zeigt eine Spannungsüberwachung (siehe auch Datenblatt). Über zwei TL431 werden Unter- und Überspannung detektiert und dei LED leichtet nur, wenn die Batteriespannung zwischen den beiden Limits liegt. R3 muss so dimensioniert werden, dass die LED leuchten kann und dass der Strom durch R4 in die Kathode des TL431 mindestens 1 mA beträgt. Beides hängt von der Batteriespannung ab. Für die Einstellungen der beiden TL431 gilt (Uref = 2,5 V):
Unteres Limit = Uref * (R1B+R2B)/R2B
Oberes Limit = Uref * (R1A+R2A)/R2A
Zum Schluss noch eine etwas "abartige" Anwendung: der TL431 als Multivibrator. Auf dem Chip vergleicht ein Operationsverstärker die Spannung am Reference-Eingang mit der internen Referenzspannung 2,5 V (Siehe Blockschaltung oben). Der OPV steuert einen bipolaren Transistor, der Anode und Kathode kurzschliesst. Die Spannung an der Kathode kann folglich nur zwei stabile Zustände annehmen:
Die Oszillatorfrequenz hängt von R3/R4 und C1/C2 sowie von der Betriebsspannung ab. Das Signal hat bis etwa 50 kHz eine nahezu ideale Rechteckform (besser als bei Multivibratoren mit bipolaren Transistoren). Allerdings ist die niedrige Spannung nicht ca. 0,7 V sondern 2 V. Das kann aber mittels externer Beschaltung gelöst werden.