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TL431

El circuito integrado (CI) TL431 es un regulador de voltaje de derivación preciso y ajustable de tres terminales . Mediante un divisor de voltaje externo , el TL431 puede regula...

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El circuito integrado (CI) TL431 es un regulador de voltaje de derivación preciso y ajustable de tres terminales . Mediante un divisor de voltaje externo , el TL431 puede regular voltajes de 2,495 a 36 V , con corrientes de hasta 100 mA . La desviación inicial típica del voltaje de referencia respecto al nivel nominal de 2,495 V se mide en milivoltios, mientras que la desviación máxima en el peor de los casos se mide en decenas de milivoltios. El circuito puede controlar directamente transistores de potencia; las combinaciones del TL431 con transistores MOS de potencia se utilizan en reguladores lineales de alta eficiencia y muy baja caída de tensión. El TL431 es el circuito amplificador de error estándar de la industria para fuentes de alimentación conmutadas con acoplamiento optoelectrónico de las redes de entrada y salida. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]   

Texas Instruments presentó 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 tamaño y disposición del chip , características de precisión y velocidad, corrientes mínimas de operación, áreas de operación seguras y referencia de voltaje específica.

Construcción y operación

Esquema a nivel de transistor. Voltajes de CC especificados para regulación en estado estacionario a V CA =7 V [ 4 ]

El TL431 es funcionalmente equivalente a un interruptor de 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 del cátodo al ánodo. [ 5 ] 

A nivel funcional, el TL431 contiene un amplificador operacional de lazo abierto que compara la tensión de control de entrada con una referencia de tensión de 2,495  V. [ 5 ] Sin embargo, esto es solo una abstracción : ambas funciones están inextricablemente vinculadas dentro de la etapa de entrada del TL431. No hay una fuente física de 2,495 V: la referencia interna real la proporciona una banda prohibida de Widlar de 1,2 V (transistores T3, T4, T5), controlada por los seguidores de emisor de entrada T1, T6. [ 6 ] Esto permite un funcionamiento correcto incluso cuando la tensión cátodo-ánodo cae por debajo de 2,495 V, hasta un mínimo de alrededor de 2,0 V. El amplificador diferencial está formado por 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 hundir corrientes de hasta 100 mA y está protegido contra la inversión de polaridad con un diodo inverso. [ 4 ] [ 5 ] El circuito no proporciona protección contra corriente excesiva ni sobrecalentamiento. [ 4 ] [ 5 ]   

Relación corriente-voltaje

Curva corriente-tensión para pequeñas tensiones de error. [ 7 ] La zona verde es el área de alta transconductancia recomendada, que se extiende hacia arriba hasta la corriente nominal máxima. Es posible operar en la zona amarilla, pero no se recomienda. [ 8 ] [ 7 ] [ 2 ]

Cuando V REF está a salvo por debajo del  umbral de 2,495 V (punto  A en la curva corriente-tensión), el transistor de salida está apagado. La corriente residual cátodo-ánodo I CA , que alimenta el circuito frontal, se mantiene dentro de 100 y 200  μA. [ 9 ] Cuando V REF se acerca al umbral, 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 (encenderse) y I CA comienza a aumentar a una tasa 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 corriente de voltaje diferencial a 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 operar 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, alrededor de 2  μA. La red que alimenta la entrada de referencia debe ser capaz de suministrar al menos el doble de esta cantidad (4  μA o más); está prohibido operar con la entrada REF suspendida, pero esto no dañará directamente el TL431. [ 10 ] Sobrevivirá a un circuito abierto en cualquier pin, un cortocircuito a tierra en cualquier pin o un cortocircuito entre cualquier par de pines, siempre que los voltajes a través de los pines permanezcan dentro de los límites de seguridad. [ 11 ]

Precisión

Voltaje de referencia frente a temperatura del aire libre en condiciones de prueba. Centro de diseño (gráfico central) y desviación en el peor de los casos de ±2% (gráficos superior e inferior) [ 12 ]

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) y I CA = 10 mA. [ 13 ] La tensión 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 real puede ser mayor o menor que 2,495 V, dependiendo de cuatro factores:   

  • Desviación inicial individual de un chip específico. Para diferentes grados del TL431, la desviación en condiciones normales está dentro de ±0,5%, ±1% o ±2%; [ 14 ]
  • Temperatura . La gráfica térmica de un voltaje de referencia de banda prohibida tiene forma de joroba. Por diseño, la joroba está centrada en +25 ° C (77 °F) , donde V REF = 2,495 V; por encima y por debajo de +25 °C (77 °F) , V REF disminuye suavemente en unos pocos milivoltios. Sin embargo, si un circuito integrado específico se desvía sustancialmente de la norma, la joroba se desplaza a temperaturas más bajas o más altas; en los peores casos atípicos , degenera en una curva monótona ascendente o descendente. [ 15 ] [ 12 ]     
  • Debido a la impedancia de salida finita , los cambios en el voltaje V CA afectan a I CA e, indirectamente, a V REF , al igual que en los transistores o triodos. Para un I CA fijo dado , un  aumento de 1 V en V CA debe compensarse con una disminución de ≈1,4 mV (máximo en el peor de los casos de 2,7 mV) [ 13 ] en V REF . La relación μ = 1  V / 1,4  mV ≈ 300–1000, o ≈ 50–60  dB es la ganancia de voltaje máxima teórica en lazo abierto en CC y bajas frecuencias; [ 16 ]
  • Debido a la transconductancia finita , un aumento en I CA provoca un aumento en V REF a una tasa de 0,5–1  mV/mA. [ 17 ]

Velocidad y estabilidad

La respuesta en frecuencia de lazo abierto de un TL431 se puede aproximar de forma fiable como un filtro 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 ideal de voltaje a corriente de 1 A/V, en paralelo 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 lazo abierto de 10 kHz y una frecuencia de ganancia unitaria de 2 MHz. [ 16 ] [ 18 ] Debido a varios efectos de segundo orden, la frecuencia real de ganancia unitaria es solo 1 MHz; en la práctica, la diferencia entre 1 y 2 MHz es insignificante. [ 18 ]     

No se especifican las velocidades de variación de I CA , V CA ni el tiempo de estabilización de V REF . Según Texas Instruments, el transitorio de encendido dura aproximadamente 2 μs. Inicialmente, V CA aumenta rápidamente hasta ≈2  V y luego se estabiliza en este nivel durante aproximadamente 1  μs. La carga de las capacitancias internas a voltajes de estado estacionario requiere entre 0,5 y 1 μs adicionales. [ 19 ]

Las cargas de cátodo capacitivo (C L ) pueden causar inestabilidad y oscilación. [ 20 ] Según los gráficos de límites de estabilidad en la hoja de datos original, el 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–10  μF, la probabilidad de oscilación depende de la combinación de C L , I CA y V CA . [ 21 ] [ 22 ] El peor escenario ocurre con valores bajos de I CA y V CA . Por el contrario, las combinaciones de valores altos de I CA y V CA , cuando el TL431 opera cerca de su clasificación de disipación máxima, son absolutamente estables. [ 22 ] Sin embargo, incluso un regulador diseñado para valores altos de I CA y V CA puede oscilar al encenderse, cuando V CA aún no ha alcanzado un nivel de estado estacionario. [ 21 ]

En una nota de aplicación de 2014 , Texas Instruments admitió que sus gráficos de límites de estabilidad son excesivamente optimistas. [ 22 ] Describen una muestra de CI "típica" con margen de fase cero ; en la práctica, los diseños robustos deberían 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 no deseado causado únicamente por la capacitancia de carga. Los valores mínimos de las resistencias en serie se encuentran entre 1  Ω (C L alta ) y 1  kΩ (C L baja , V CA alta ). [ 23 ]

Aplicaciones

Reguladores lineales

Configuraciones básicas de reguladores lineales. El cuarto circuito requiere una tensión de alimentación positiva adicional, ΔU, para un funcionamiento con baja caída de tensión. La resistencia en serie RA desacopla el TL431 de la capacitancia de puerta .

Modo Zener fijo

El circuito regulador TL431 más simple se construye cortocircuitando la entrada de control al cátodo. La red resultante de dos terminales tiene una característica corriente-tensión tipo Zener , con una tensión umbral estable V REF ≈2,5 V y una impedancia de baja frecuencia de alrededor de 0,2 Ω. [ 24 ] La impedancia comienza a aumentar alrededor de 100 kHz y alcanza 10 Ω alrededor de 10 MHz. [ 24 ]     

Modo Zener variable

La regulación de voltajes superiores a 2,5  V requiere un divisor de voltaje externo . Con las resistencias divisorias R2 y R1, el voltaje del cátodo y la impedancia de salida aumentan.1+R2R1{\displaystyle 1+{\tfrac {R2}{R1}}}veces. [ 25 ] La tensión máxima sostenida y regulada no puede exceder los 36  V; la tensión máxima cátodo-ánodo está limitada a 37  V. [ 26 ] Históricamente, el TL431 fue diseñado y fabricado teniendo en cuenta esta aplicación, y se publicitó como un "reemplazo extremadamente atractivo para los diodos Zener de alto costo y con compensación de temperatura". [ 27 ]

Transistor de paso adicional

Agregar 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 los pares Darlington requieren una caída de voltaje colector-emisor bastante alta. [ 28 ] Un transistor de tipo pnp de emisor común individual puede operar correctamente en modo de saturación, con  una caída de voltaje de solo ≈0,25 V, pero también con corrientes de base impracticablemente altas. [ 29 ] Un transistor de tipo pnp compuesto no necesita tanta corriente de conducción, pero requiere al menos una  caída de voltaje de 1 V. [ 29 ] Un dispositivo MOSFET de potencia de canal N permite la mejor combinación de baja corriente de conducción, voltaje de caída muy bajo y estabilidad. [ 29 ] Sin embargo, la operación de MOSFET de baja caída requiere una fuente de voltaje adicional de lado alto (ΔU en el esquema) para controlar la puerta . [ 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 operar en modo de alta transconductancia, con I CA no menor a 1  mA (punto D en la curva corriente-tensión). [ 8 ] [ 7 ] [ 2 ] Para una mejor estabilidad del lazo de control, el I CA óptimo debe ajustarse a alrededor de 5  mA, aunque esto puede comprometer la eficiencia general. [ 30 ] [ 7 ]

Fuentes de alimentación conmutadas

Uso típico del TL431 en SMPS. La resistencia en paralelo R3 mantiene la corriente mínima del TL431, la resistencia en serie R4 es parte de la red de compensación de frecuencia (C1R4) [ 31 ] [ 32 ]

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 fuentes de alimentación conmutadas reguladas (SMPS). [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Un divisor de voltaje resistivo que controla 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), en paralelo con el LED, ayuda a mantener I CA por encima del umbral de 1 mA. [ 33 ] En una fuente de alimentación/cargador típica suministrada con una computadora portátil , el I CA promedio se establece en alrededor de 1,5 mA, incluyendo una corriente de LED de 0,5 mA y una corriente de derivación de 1 mA (datos de 2012). [ 7 ]     

El diseño de una SMPS robusta, eficiente y estable con un 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 en 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 por no uno, sino dos bucles de control: el bucle principal, "carril lento", conectado a un condensador de salida con un divisor de voltaje, y un bucle secundario "carril rápido", conectado al riel de salida con un LED. [ 36 ] El CI, cargado con la muy baja impedancia del LED, funciona como una fuente de corriente ; la ondulación de voltaje indeseable pasa del riel de salida al cátodo casi sin impedimentos. [ 36 ] Este "carril rápido" domina en frecuencias de banda media (aprox. 10  kHz–1  MHz), [ 37 ] y generalmente se rompe desacoplando el LED del condensador de salida con un diodo Zener [ 38 ] o un filtro de paso bajo . [ 37 ]

Comparadores de voltaje

Comparador básico de umbral fijo y sus derivados: relé de retardo de tiempo simple y monitor de ventana en cascada. Para garantizar transitorios de apagado rápidos, la resistencia de carga RL debe proporcionar una corriente en estado activo de al menos 5 mA [ 39 ].

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 transitorios de apagado más largos. [ 39 ] El retardo de encendido depende principalmente de la diferencia entre la tensión de entrada y la tensión umbral (tensión de sobreexcitación); una sobreexcitación mayor acelera el proceso de encendido. [ 39 ] La velocidad transitoria óptima se alcanza con una sobreexcitación del 10 % (≈250  mV) y una impedancia de fuente de 10  kΩ o menos. [ 39 ]

El voltaje V CA en estado activo cae a alrededor de 2  V, que es un nivel lógico 'bajo' demasiado alto para todas las compuertas lógicas CMOS de compuerta metálica excepto las de 15 V , y requiere 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 fácilmente en cascada 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

URmiF(1+R3/R4)<UInorte<URmiF(1+R1/R2){\displaystyle U_{REF}(1+R3/R4)<U_{IN}<U_{REF}(1+R1/R2)}, [ 42 ]

siempre queR1/R2{\displaystyle R1/R2}es más grande queR3/R4{\displaystyle R3/R4}para que la diferencia entre dos tensiones de disparo sea suficientemente amplia. [ 42 ]

Modos no documentados

El TL431, inherentemente inestable, puede funcionar como un oscilador controlado por voltaje para frecuencias que van desde unos pocos kHz hasta 1,5  MHz. [ 43 ] El rango de frecuencia y la ley de control de dicho oscilador dependen en gran medida del fabricante específico del TL431. [ 43 ] Los chips fabricados por diferentes fabricantes generalmente no son intercambiables. [ 43 ]

Un par de TL431 pueden reemplazar a los transistores en un multivibrador astable simétrico para frecuencias que van desde menos de 1  Hz hasta alrededor de 50  kHz. [ 44 ] Este es, de nuevo, un modo no documentado y potencialmente inseguro, con corrientes de carga periódicas del condensador que fluyen a través de los diodos de protección de la etapa de entrada (T2 en el esquema). [ 44 ]

Variantes, clones y derivados

TL431 de STMicroelectronics y KA431 de ON Semiconductor , ambos en encapsulados TO-92 de orificio pasante.
Chips TL431 de tres fabricantes diferentes; el chip original de TI está a la izquierda. El área brillante más grande en cada chip es el condensador de compensación; la gran estructura en forma de peine cercana es el transistor de salida. Se utilizan almohadillas de contacto "redundantes" para probar y ajustar gradualmente V REF antes del encapsulado del circuito integrado [ 45 ].

Los circuitos integrados comercializados por diversos fabricantes como TL431, o con designaciones similares como KA431 o TS431, pueden diferir sustancialmente del original de Texas Instruments. A veces, la diferencia solo se revela mediante pruebas en modos no documentados; otras veces, se declara públicamente en las hojas de datos. Por ejemplo, el Vishay TL431 tiene una ganancia de voltaje de CC anormalmente alta (aprox. 75  dB), que comienza a disminuir a 100  Hz; a frecuencias superiores a 10  kHz, la ganancia vuelve al valor estándar y alcanza la unidad a la  frecuencia estándar de 1 MHz. [ 16 ] El controlador SMPS SG6105 contiene dos reguladores independientes marcados como TL431, pero sus valores máximos de I CA y V CA son solo 16  V y 30  mA, respectivamente; el fabricante no prueba la precisión de estos reguladores. [ 46 ]

El obsoleto TL430 era una versión menos atractiva del TL431, fabricado por Texas Instruments únicamente en encapsulado de orificio pasante y con una 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. [ 47 ] [ 48 ] El TL432 de montaje superficial es eléctricamente idéntico al TL431, pero tiene 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 [ 49 ] que tiene un V REF de 2,5  V en lugar de 2,495  V. La corriente mínima de funcionamiento recomendada es de solo 35  μA (TL431 estándar: 1 mA); el I CA  máximo y V CA son los mismos que los estándar (100 mA y 36 V). [ 50 ] La frecuencia de ganancia unitaria se reduce a 250 kHz para atenuar las ondulaciones de alta frecuencia para que no se retroalimenten al controlador. El ATL431 tiene un área de inestabilidad muy diferente. [ 50 ] A bajos voltajes y corrientes es absolutamente estable con cualquier carga capacitiva práctica, siempre que los condensadores sean de un tipo de baja impedancia y alta calidad. [ 51 ] [ 52 ] El valor mínimo recomendado de la resistencia de desacoplamiento en serie es de 250 Ω (TL431 estándar: 1 Ω). [ 53 ]     

Aparte del TL431 y sus descendientes, a partir de 2015, solo dos circuitos integrados reguladores de derivación se utilizaban ampliamente en la industria. [ 54 ] Ambos tipos tienen funcionalidades y aplicaciones similares, pero circuitos internos diferentes, diferentes niveles de referencia, corrientes y voltajes máximos: [ 54 ]

Referencias

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Bibliografía

Libros y revistas

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