Tl431 регулируемый стабилизатор тока

TL431 схема включения, TL431 цоколевка

TL431 одна из самых массово выпускаемых интегральных микросхем, с начала своего выпуска в 1978 году TL431 устанавливалась в большинство блоков питания компьютеров, ноутбуков, телевизоров, видео-аудио техники и другой бытовой электроники.
TL431 является прецизионным программируемым источником опорного напряжения. Такая популярность обусловлена низкой стоимостью, высокой точностью и универсальностью.

Принцип работы TL431 легко понять по структурной схеме: если напряжение на входе источника ниже опорного напряжения Vref, то и на выходе операционного усилителя низкое напряжение соответственно транзистор закрыт и ток от катода к аноду не протекает (точнее он не превышает 1 мА). Если входное напряжение станет превышать Vref, то операционный усилитель откроет транзистор и от катода к аноду начнет протекать ток.

Самый простейший тип стабилизатора – параметрический, можно легко построить на TL431: для задания напряжения стабилизации понадобятся два резистора R1 и R2, напряжение на которое будет ‘запрограммирована’ TL431 можно определить по формуле:
Uвых=Vref( 1 + R1/R2 ).
Получается чем больше соотношение R1 к R2, тем больше выходное напряжение. Микросхема фактически стабилизирует напряжение на своем входе на уровне 2,5 В. Задавшись значением сопротивления R2 и требуемое выходное напряжение, рассчитать R1 можно по формуле:
R1=R2( Uвых/Vref – 1 ).
В данной схеме R3 рассчитывается точно также, как если бы использовался обычный стабилитрон, т.е. зависит от выходного напряжения, диапазона входного напряжения и диапазона токов нагрузки. Но есть и существенное отличие: в этой схеме на выход не стоит устанавливать конденсатор, так как этот конденсатор может вызвать генерацию паразитных колебаний. В схеме с обычным стабилитроном таких проблем не возникает.

TL431 цоколевка

TL431 выпускается в большом количестве разных корпусов, от древних TO-92 до современных SOT-23.

Также у TL431 имеется отечественный аналог: КР142ЕН19А.

Основные технические характеристики TL431:

• напряжение анод-катод: 2,5…36 вольт;
• ток анод-катод: 1…100 мА (если нужна стабильная работа, то не стоит допускать ток менее 5мА);

Точность опорного источника напряжения TL431 зависит от 6-той буквы в обозначении:

• без буквы — 2%;
• буква A — 1%;
• буква B — 0,5%.

Видно, что TL431 может работать в широком диапазоне напряжений, но вот токовые способности не так велики всего 100 мА, да и мощность рассеиваемая такими корпусами не превышает сотен мили Ватт. Для получения более серьезных токов интегральный стабилитрон стоит использовать как источник опорного напряжения, регулирующую функцию доверив мощным транзисторам.

компенсационный стабилизатор напряжения

Принцип компенсационного стабилизатора на TL431 такой же как и на обычном стабилитроне: разность напряжений между входом и выходом компенсирует мощный биполярный транзистор. Но точность стабилизации получается выше, за счет того что обратная связь берется с выхода стабилизатора. Резистор R1 нужно рассчитывать на минимальный ток 5 мА, R2 и R3 рассчитываются, также как для параметрического стабилизатора.

Чтобы стабилизировать токи на уровне единиц и десятков Ампер одним транзистором в компенсационном стабилизаторе не обойтись, нужен промежуточный усилительный каскад. Оба транзистора работают по схеме с эмиттерного повторителя, т.е. происходит усиление тока, а напряжение не усиливается.
На рисунке представлена реальная схема компенсационного стабилизатора на TL431, в ней появились новые компоненты: резистор R2 ограничивающий ток базы VT1 (например 330 Ом), резистор R3 – компенсирующий обратный ток коллектора VT2 (что особенно актуально при нагреве VT2) (например 4,7 кОм) и конденсатор C1 – повышающий устойчивость работы стабилизатора на высоких частотах (например 0,01 мкФ).

Стабилизатор тока на TL431

Следующая схема представляет собой термостабильный стабилизатор тока. Резистор R2 является своеобразным шунтом на котором с помощью обратной связи поддерживается напряжения 2,5 В. Таким образом если пренебречь током базы по сравнению с током коллектора, то получим ток на нагрузке Iн=2,5/R2. Если значение подставлять в Омах, то ток будет в Амперах, если подставлять в кило Омах, то ток будет в мили Амперах.

Реле времени

TL431 нашел свое применение не только как источник опорного напряжения, а и во многих других применениях. Например благодаря тому что входной ток TL431 составляет 2-4мкА, то на основе этой микросхемы можно построить реле времени: при размыкании контакта S1 C1 начинает медленно заряжаться через R1, а когда напряжение на входе TL431 достигнет 2,5 В выходной транзистор DA1 откроется и через светодиод оптопары PC817 начнет протекать ток, соответственно откроется и фототранзистор и замкнет внешнюю цепь.
В этой схеме резистор R2 ограничивает ток через оптрон и стабилизатор (например 680 Ом), R3 нужен чтобы предупредить зажигание светодиода от тока собственных нужд TL431 (например 2 кОм).

Простое зарядное устройство для литиевого аккумулятора.

Главное отличие зарядного устройства от блока питания – четкое ограничение зарядного тока. Следующая схема имеет два режима ограничения:

• по току;
• по напряжению;

Пока напряжение на выходе меньше 4,2 В ограничивается выходной ток, при достижении напряжением величины 4,2 В начинает ограничиватся напряжение и ток заряда снижается.
На следующей схеме ограничение тока осуществляют транзисторы VT1, VT2 и резисторы R1-R3. Резистор R1 выполняет функцию шунта, когда напряжение на нем превышает 0,6 В (порог открывания VT1), транзистор VT1 открывается и закрывает транзистор VT2. Из-за этого падает напряжение на базе VT3 он начинает закрываться и следовательно снижается выходное напряжение, а это ведет к снижению выходного тока. Таким образом работает обратная связь по току и его стабилизация. Когда напряжение подбирается к уровню 4,2 В в работу начинает вступать DA1 и ограничивать напряжение на выходе зарядного устройства.

А теперь список номиналов компонентов схемы:

• DA1 – TL431C;
• R1 – 2,2 Ом;
• R2 – 470 Ом;
• R3 – 100 кОм;
• R4 – 15 кОм;
• R5 – 22 кОм;
• R6 – 680 Ом (нужен для подстройки выходного напряжения);
• VT1, VT2 – BC857B;
• VT3 – BCP68-25;
• VT4 – BSS138.

32 thoughts on “ TL431 схема включения, TL431 цоколевка ”

К1242ЕР1АП производства «Интеграл» Минск

Я бы не называл малоточность TL431 ее недостатком, это ведь не стабилизатор, как таковой, а источник опорного напряжения для него. Применяя различную периферию можно решать различные задачи по мощности, точности, надежности и т.д. Вот, внешние цепи могут быть любыми, а управляются одним и тем же устройством — TL431. Что и делает ее такой распространенной и востребованной.
Понравилась схема зарядки, где необходима регулировка и по току и по напряжению, применены и биполярный и униполярный транзисторы — каждый в своем режиме.

Да, конденсатор между анодом и катодом этого «стабилитрона» ставить не следует ни в коем случае. Я так столкнулся с самовозбуждением схемы стабилизатора напряжения, когда по неопытности решил, что с конденсатором на выходе источника опорного напряжения на TL431 схема будет работать стабильнее. Поставил конденсатор на 10 нФ, и схема «завелась», выдавая на выходе «кашу» из импульсов вместо постоянного напряжения. Что неудивительно, для операционного усилителя входящего в состав TL431 такой параметр как максимальная емкость нагрузки нужно учитывать как и для всякого другого ОУ.

Уже писал выше, что использовать источник прецизионного опорного напряжения в виде стабилизатора странно. Еще более странно, какой стабильности можно добиться емкостью в десяток нан. Стабильности задаваемого напряжения, шунтируя и устраивая паразитную ОС? Или выходного? Конечно возбудится.

1. Root31.03.2016 в 06:47

А что там было о источнике опорного в виде стабилизатора? Опорное в стабилизаторе применялось в своем прямом назначении, в качестве опорного, с которым сравнивалось выходное

Думаю в русско язычной литературе вход опорное напряжение надо было назвать- напряжением порога или срабатывания. Интересно производитель пробовал U опр подавать на инвертирующий вход операционного усилителя может и не было само возбуждения.

1. Дмитрий08.11.2016 в 08:21

Транзистор подключенный к выходу ОУ инвертирует сигнал.

Делал в свое время самодельный лабораторный блок питания с регулировкой напряжения и ограничения по току. Очень понравилась работа МС TL431 как регулятора тока. Практически исполнил регулировку от 0 до 10А, хотя она, действительно мало точная, но как управляющее звено очень даже то, что нужно.

1. Сергей29.02.2020 в 23:43

Класс. Спасибо. Попробую этот вариант

Насчет использования TL431 не только как источника опорного напряжения… Если использовать в задающей цепи терморезистор, то можно, к примеру, прикрепив его на радиатор, регулировать вращение охлаждающего (этот радиатор) кулера. Очень удобно для блоков питания, работающих на динамическую нагрузку и лабораторных. Если же использовать фотоэлементы, то можно, к примеру регулировать подсветку, в зависимости от окружающего освещения. Очень удобно для уличных фонариков на солнечных батареях: светит солнце — заряжаются, село — начинают светить, чем темнее на улице, тем ярче.

1. Вит17.03.2018 в 13:04

Здравствуйте, не могли бы скинуть схему на терморезисторе для кулера, спасибо

1. D13c01.06.2019 в 20:39

А где же цокаллёвка

А можно ли заменить на схеме мощного стабилизатора напряжения дискретные транзисторы сборкой Дарлингтона, например TIP142?

1. admin Автор записи 07.09.2017 в 11:44

1. Игорь12.03.2019 в 14:39

Есть TL432 у нее другая распиновка.

управляющий электрод и катод надо поменять местами

Судя по «напряжение анод-катод: 2,5…36 вольт» Vref=2,5В? А то заострили внимание почему-то только на точности.

а как быстро сгорит vt2 в схеме зарядника, если контакты батареи случайно замкнутся? Или предполагается что R3 в 100к должен спасти ситуацию за счёт не очень высокой беты vt2? При 15 вольтах и средней бете, на нём будет рассеваться не менее 60 ма, это при максимальном токе в 100ма… По уму, последовательно с коллектором, или эмиттером vt2 должен стоять резистор ом в 350 и R3 уменьшен килоом до 5-10..

Нихрена не понял.. хоть бы параметры деталей указали.. так бы хоть чуть было понятнее что где и скоко.. А так хз.. какой транзистор, какой резистор и т.д.

на SOT-23-3 перепутаны местами катод и управляющий вывод.

1. oleg27.10.2019 в 12:14

на TO22/TO226 тоже маркировка не верная катод и управляющий наоборот.

А как ограничивается ток тл431 после окончания процесса зарядки?, через транзистор вт2, тл431 коротит на минус?!

Есть TL431 и TL432 распиновки зеркальные.

Мне одному кажется, что автор этой статьи упустил самое главное — спецификацию на эту микросхему?

1. Михаил30.12.2019 в 19:06

это практическое применение, а спецификация есть в гугле)

Никогда не заморачивался сtl431 .Собирал схемы все работали.А сейчас мне надо в ИБП повысить с19 в до 24в.Все в гугле рекомендуют по плюсу .Тепер спасибо этой статье все получилось.

Автор молодец! Спасибо! Схема на стабилизацию напряжения работает на 100%.С точностью 0,02 вольта. При перепадах переменного напряжения в сети 40 вольт.

Здравствуйте, я правильно понимаю, что К142ЕН19 является отечественным аналогом? А можно как-то умощнить эту интегральную микросхему? Хотя бы даже Ваш пример на составных транзисторах подойдет?

Tl431 регулируемый стабилизатор тока

Регулируемые источники питания незаменимы, когда речь идёт о деятельности радиолюбительской (и не только) мастерской. Любители часто конструируют их самостоятельно, опираясь на свой опыт, или опыт коллег. Хочу предложить свой вариант несложного регулируемого источника питания с защитой по току и триггерным отключением при коротком замыкании выхода.

Особенностью данного источника питания является отсутствие конденсатора на его выходе, что обеспечивает отсутствие импульса тока при подсоединении нагрузки, возникающего из-за его разрядки.

Основой источника питания служит ИМС типа TL431 (КР142ЕН19), исполняющая роль регулируемого стабилизатора напряжения параллельного типа (рис. 1, 2, 3). Благодаря наличию входа обратной связи «Adj» (также его называют «Ref»), возможна установка выходного напряжения в пределах от 2,5 до 36 вольт. Напряжение стабилизации при этом зависит от того, какая его доля соотносится с напряжением внутреннего опорного источника величиной 2.495 вольта. Если напряжение на входе «Adj» несколько ниже внутреннего опорного, то регулирующий транзистор прикрывается. Выше – наоборот, регулирующий транзистор открывается сильнее.

Поскольку сама TL431 не может рассеивать достаточную мощность (она ограничена величиной 0,4 Вт, что, например, при 20 вольтах выходного напряжения означает ток не более 20 мА, иначе микросхема просто рискует выйти из строя от перегрева), для получения больших токов на выходе стабилизатора необходимо применять умощнение при помощи транзисторов. Самые простые варианты умощнения показаны на рисунке 4.

Тем не менее, для реализации выбран вариант умощнения с полевым транзистором. Всё-таки для управления им требуется гораздо меньшая мощность (на порядки), а быстродействие истокового повторителя даже с транзисторами старых типов позволяет обходиться без цепочек коррекции всей системы регулирования.

Схема получившегося источника питания представлена на рисунках 5 и 6. На рисунке 5 изображена силовая часть регулятора напряжения. Рисунок 6 содержит схему узла триггерной защиты. При отсутствии необходимости в триггерной защите, данный узел можно просто не устанавливать в источник питания.

В основу схемы регулятора напряжения положена схема умощнённого полевым транзистором стабилизатора напряжения, аналогичная рис.4б. Роль резистора R1 (на рис.4), обеспечивающего током TL431, выполняет генератор тока, собранный на транзисторах VT1 и VT2 (рис.5). Ток в коллекторе транзистора VT2 напрямую зависит от сопротивления резистора R2 и падения напряжения на переходе база-эмиттер транзистора VT1. При указанных на схеме номиналах он составляет примерно 3,8

4,2 мА и при необходимости уточняется подбором сопротивления R2 (меньше сопротивление – больше ток).

Генератор тока по сравнению с простым резистором предпочтительнее тем, что ток на его выходе очень слабо зависит от напряжения питания – это позволяет в значительной мере ослабить пульсации тока через TL431, происходящие от пульсаций напряжения питания. В итоге пульсации, всегда имеющиеся на накопительном конденсаторе выпрямителя питания (С1, С2), эффективно подавляются.

Регулирующий транзистор – VT3. Он должен быть мощным и установлен на эффективный радиатор, так как на нём в определённых режимах рассеивается значительное количество тепла. Количество тепла, выделяющееся на этом транзисторе, максимально при минимальном выходном напряжении и максимальном токе. Например, при токе 3 ампера и выходном напряжении 12 вольт, на транзисторе будет выделяться порядка 100 ватт тепла (при указанном напряжении на входе блока). Для указанного на схеме транзистора типа IRFZ44N это является предельной величиной и то при условии эффективного отвода тепла.

Для обеспечения безопасности при пользовании источником, выходной ток ограничивается на некотором фиксированном уровне. Для исполнения этой функции установлены Rш и VT4. Если рассмотреть этот узел чуть внимательнее, то легко можно увидеть, что вкупе с транзистором VT3 данные элементы также образуют схему источника тока (рис.7в), в которой ток напрямую зависит от сопротивления Rш. Для внимательных нужно отметить, что строго заданный ток течёт лишь в цепи стока полевого транзистора, а в цепи истока, к которой у нас подключена нагрузка, течёт сумма токов: ток стока и ток, задаваемый Rб. В нашем случае ток Rб задаётся транзисторами VT1 и VT2 и являет собой фиксированную величину порядка 4 мА. Это очень небольшая погрешность, которой можно пренебречь.

Для удобства пользования, чтобы была возможность оперативно изменять ток ограничения, рекомендуется Rш сделать переключаемым при помощи галетного переключателя или тумблеров.

Резистор R3 выполняет роль ограничителя тока через катод TL431 для случая, когда вдруг напряжение на выходе источника питания по какой-то причине стало выше, чем заданное потенциометром VR1 (например, при подключении заряженного конденсатора). Потому что при этом регулирующий транзистор внутри TL431 полностью открывается, обеспечивая на её катоде напряжение не выше 2 вольт и ток через переход ZD2 (а при его отсутствии – через переход Б-К VT4) течёт от клеммы «Выход+» в катод TL431. Без R3 этот ток достигал бы разрушительных величин.

ZD1 выполняет защитную функцию – защищает TL431 от возможного превышения напряжения на её катоде при переходе источника в режим ограничения тока либо обрыве предохранителя FU1. В этом режиме TL431 полностью закрывается, в результате чего напряжение на её катоде может вырасти свыше предельно допустимой величины 36 вольт.

C4 – корректирующий конденсатор. Улучшает реакцию регулятора в режиме стабилизации напряжения, которая чуть подпорчена наличием R3 и значительной ёмкости затвор-исток транзистора VT3.

Вольтметр М42300

Индикатор тока М4370

Регулировка выходного напряжения осуществляется при помощи цепочки, состоящей из VR1 и R7, R8. Такое немного необычное включение делителя напряжения призвано для решения повсеместной проблемы «шуршащих контактов» (см. рис.8), из-за которой при традиционном включении возможен заброс выходного напряжения сверх допустимого для подключенной нагрузки. При указанном включении «шуршание», наоборот, приводит к уменьшению напряжения на выходе. Это хоть и неприятно, но относительно безопасно.

Небольшим минусом такого решения является повышение примерно на 0,1 Вольт минимального выходного напряжения источника. Это связано с тем, что вход Adj не обладает бесконечно большим сопротивлением, и в него при нормальной работе течёт ток порядка 2 мкА. На сопротивлении 50 кОм этот ток вызывает падение напряжения величиной 0,1 Вольт.

VD5, VD6 и C3 образуют отдельный источник питания для генератора тока, питающего TL431. Всё дело в том, что при значительном токе на выходе блока, конденсаторы C1 и C2 достаточно быстро разряжаются между пиками полупериодов. А для того, чтобы держать VT3 открытым, необходимо напряжение на его затворе, превышающее напряжение на истоке примерно на три-три с половиной вольта. Это означает, что если бы генератор тока питался от того же выпрямителя, что и VT3, то падение напряжения на VT3 никак не могло бы быть меньше этой величины. Напряжение на конденсаторе C3 спадает не настолько быстро, как на C1 и C2, и это позволяет в промежутках между пиками полупериодов открывать VT3 намного сильнее, вплоть до насыщения.

VD7 совместно с R4 выполняют защитную для VT4 роль на случай, если вы подключите выход блока к аккумулятору, забыв включить сам блок в розетку.

VD8 и FU1 тоже предотвратят аварию при переполюсовке аккумулятора (когда его минус перепутаете с плюсом). Правда, FU1 после такого случая придётся заменить на новый.

Триггерная защита (рис.6) состоит из двух узлов: собственно триггера на двух транзисторах VT7 и VT8, и компаратора, исполненного на дифференциально включенных VT9 и VT10.

При нормальной работе источника питания, будь он в режиме стабилизации напряжения, либо в режиме ограничения тока, напряжение на его выходе находится на некотором уровне. Некоторые колебания напряжения из-за изменения сопротивления нагрузки не приводят к отключению блока. Но когда напряжение вдруг быстро чрезмерно снижается – это можно рассматривать уже как аварийную ситуацию. Уровень, снижение до которого не рассматривается как авария, формируется делителем напряжения R18 R19 и «запоминается» конденсатором C7. Поскольку вход делителя подключен к выходу источника, то напряжение на C7 составляет всегда (кроме того времени, пока переходный процесс не завершён) примерно треть от напряжения на выходе. При этом текущий через R18 R19 ток удерживает транзистор VT10 в открытом состоянии, а VT9 в, соответственно, закрытом. При аварии (коротком замыкании) напряжение на выходе блока быстро снижается (вплоть до околонулевого значения). Благодаря имеющемуся в C7 заряду ток через резистор R18 (и диоды VD10, VD11) меняет направление, из-за чего напряжение на базе VT10 становится выше, чем напряжение на базе VT9, из-за чего VT10 закрывается, а VT9 открывается. Ток коллектора открывшегося VT9 открывает VT8, который в свою очередь открывает VT7, а поскольку ток VT7 идёт также и в базу VT8, удерживая его открытым, то VT7 и VT8 самоблокируются в открытом состоянии, обеспечивая на катоде TL431 и, соответственно, затворе VT3 очень низкое напряжение (не более полутора вольт), из-за чего VT3 полностью закрывается, отключая тем самым нагрузку.

Сброс сработавшей блокировки можно произвести либо кнопкой (тумблером) SB1, либо отключением всего источника питания от сети. При этом необходимо иметь в виду, что если на момент сброса (включения в сеть) на выходе источника питания уже (ещё) присутствует короткое замыкание, то в этом случае блокировка не произойдёт потому что при таком развитии событий напряжение на выходе не было высоким, чтобы затем снизиться ниже, чем напряжение на C6. Данное свойство можно рассматривать как способ временного отключения блокировки.

VT5 и VT6 обеспечивают питание дифференциальному каскаду на транзисторах VT9, VT10. R10, VD7 и R11 защищают транзисторы VT7 и VT8 от чрезмерных токов, которые могут возникать при срабатывании защиты.

Напряжение на выходе блока индицируется типовой измерительной головкой PV с максимальным значением по шкале 30 Вольт. Индикатор PA показывает, в каком режиме работает блок. Он настраивается таким образом, чтобы при переходе в режим ограничения тока стрелка отклонялась в конец красного сектора.

Простые линейные стабилизаторы тока для светодиодов своими руками

Известно, что яркость светодиода очень сильно зависит от протекающего через него тока. В то же время ток светодиода очень круто зависит от питающего напряжения. Отсюда возникают заметные пульсации яркости даже при незначительной нестабильности питания.

Но пульсации — это не страшно, гораздо хуже то, что малейшее повышение питающего напряжения может привести к настолько сильному увеличению тока через светодиоды, что они просто выгорят.

Чтобы этого не допустить, светодиоды (особенно мощные) обычно запитывают через специальные схемы — драйверы, которые по сути своей являются стабилизаторами тока. В этой статье будут рассмотрены схемы простых стабилизаторов тока для светодиодов (на транзисторах или распространенных микросхемах).

Стабилизаторы тока на транзисторах

Для стабилизации тока через светодиоды можно применить хорошо известные решения:

На рисунке 1 представлена схема, работа которой основана на т.н. эмиттерном повторителе. Транзистор, включенный таким образом, стремится поддерживать напряжение на эмиттере в точности таким же, как и на базе (разница будет только в падении напряжения на переходе база-эмиттер). Таким образом, зафиксировав напряжение базы с помощью стабилитрона, мы получаем фиксированное напряжение на R1.

Далее, используя закон Ома, получаем ток эмиттера: I_э = U_э/R1. Ток эмиттера практически совпадает с током коллектора, а значит и с током через светодиоды.

Обычные диоды имеют очень слабую зависимость прямого напряжения от тока, поэтому возможно их применение вместо труднодоступных низковольтных стабилитронов. Вот два варианта схем для транзисторов разной проводимости, в которых стабилитроны заменены двумя обычными диодами VD1, VD2:

Ток через светодиоды задается подбором резистора R2. Резистор R1 выбирают таким образом, чтобы выйти на линейный участок ВАХ диодов (с учетом тока базы транзистора). Напряжение питания всей схемы должно быть не меньше, чем суммарное напряжение всех светодиодов плюс около 2-2.5 вольт сверху для устойчивой работы транзистора.

Например, если нужно получить ток 30 мА через 3 последовательно включенных светодиодов с прямым напряжением 3.1 В, то схему следует запитать напряжением не ниже 12 Вольт. При этом сопротивление резистора должно быть около 20 Ом, мощность рассеивания — 18 мВт. Транзистор следует подобрать с максимальным напряжением Uкэ не ниже напряжения питания, например, распространенный S9014 (n-p-n).

Сопротивление R1 будет зависеть от коэфф. усиления транзистора h_fe и ВАХ диодов. Для S9014 и диодов 1N4148 достаточно будет 10 кОм.

Применим описанный стабилизатор для совершенствования одного из светодиодных светильников, описанного в этой статье. Улучшенная схема будет выглядеть так:

Данная доработка позволяет значительно снизить пульсации тока и, следовательно, яркости светодиодов. Но главный плюс схемы заключается в нормализации режима работы светодиодов и защита их от бросков напряжения во время включения. Это приводит к существенному продлению срока службы светодиодной лампы.

Из осциллограмм видно, что добавив в схему стабилизатор тока для светодиода на транзисторе и стабилитроне, мы тут же уменьшили амплитуду пульсаций в несколько раз:

При указанных на схеме номиналах, на транзисторе рассеивается мощность чуть больше 0.5 Вт, что позволяет обойтись без радиатора. Если емкость балластного конденсатора увеличить до 1.2 мкФ, то на транзисторе будет падать

23 Вольт, а мощность составит около 1 Вт. В этом случае без радиатора не обойтись, но зато пульсации понизятся чуть ли не до нуля.

Вместо указанного на схеме транзистора 2CS4544, можно взять 2SC2482 или аналогичный с током коллектора больше 100 мА и допустимым напряжением U_кэ не менее 300 В (подойдут, например, старые советские КТ940, КТ969).

Желаемый ток, как обычно, задается резистором R*. Стабилитрон рассчитан на напряжение 5.1 В и мощность 0.5 Вт. В качестве светодиодов применены распространенные smd-светодиоды из китайской лампочки (а еще лучше взять готовую лампу и добавить в нее недостающие компоненты).

Теперь рассмотрим схему, представленную на рисунке 2. Вот она отдельно:

Токовым датчиком здесь является резистор, сопротивление которого рассчитывается по формуле 0.6/I_нагр. При увеличении тока через светодиоды, транзистор VT2 начинает открываться сильнее, что приводит к более сильному запиранию транзистора VT1. Ток уменьшается. Таким образом происходит стабилизация выходного тока.

Достоинства схемы — ее простота. К недостатку можно записать довольно большое падение напряжения (а следовательно и мощности) на транзисторе VT1. Это не критично при небольших токах (десятки и сотни миллиампер), однако дальнейшее увеличение тока через светодиоды потребует установки этого транзистора на радиатор.

Также, вместо биполярного транзистора, можно применить p-канальный MOSFET. Схема, приведенная ниже, представляет собой мощный светильник на двух 10-ваттных светодиодах и 40-ваттном IRF9510 в корпусе ТО-220 (см. характеристики):

Ток через светодиоды задается подбором резистора R1. VT1 — любой маломощный. Светодиоды — Cree XM-L T6 10W (см. спецификацию) или аналогичные.

Транзистор VT2 и светодиоды необходимо разместить на общем радиаторе, площадью не менее 900 см 2 (это если без принудительного охлаждения). Использование термопасты обязательно. Ребра радиатора должен быть толстым и массивным, чтобы максимально быстро отводить тепло. Оцинкованные профили для гипсокартона, консервные банки из-под селедки и крышки от кастрюль категорически не подходят.

Если такая мощность не нужна, можно сократить количество светодиодов до одного. Но при этом придется понизить напряжение питания на 3-3.5 вольта. Иначе потребляемая мощность останется прежней, транзистор будет греться в два раза сильнее, а светить будет в два раза хуже.

Для снижения мощности правильнее было бы оставить оба светодиода, но уменьшить ток, например, до 2А — тогда мощность упадет с 20 до 12 Вт, а срок жизни светодиодов многократно возрастет. И площадь радиатора можно будет уменьшить до 600 см 2 .

Вместо IRF9510 можно взять, например, IRF9Z34N (19А, 55В) или NDP6020P (24А, 20В). Смотрите сами, какие есть в вашем распоряжении. Если совсем ничего нет, самое время закупиться по дешевке:

Ну а самая простейшая схема стабилизатора тока для светодиодов на полевом транзисторе состоит всего лишь из одного транзистора с закороченным накоротко затвором и истоком:

Вместо КП303Е подойдет, например, BF245C или аналогичный со встроенным каналом. Принцип действия схож со схемой на рисунке 1, только в качестве эталонного напряжения используется потенциал «земли». Величина выходного тока определяется исключительно начальным током стока (берется из даташита) и практически не зависит от напряжения сток-исток U_си. Это хорошо видно из графика выходной характеристики:

На схеме на рисунке 3 в цепь истока добавлен резистор R1, задающий некоторое обратное смещение затвора и позволяющий таким образом изменить ток стока (а значит и ток нагрузки).

Пример самого простого драйвера тока для светодиода представлен ниже:

Здесь применен полевой транзистор с изолированным затвором и встроенным каналом n-типа BSS229. Точное значение выходного тока будет зависеть от характеристик конкретного экземпляра и сопротивления R1.

Это, в общем-то, все способы превратить транзистор в стабилизатор тока. Есть еще так называемое токовое зеркало, но применительно к светодиодным светильникам оно не подходит. Поэтому перейдем к микросхемам.

Стабилизаторы тока на микросхемах

Микросхемы позволяют добиться гораздо более высоких характеристик, чем транзисторы. Чаще всего для сборки стабилизатор тока для светодиодов своими руками используют прецизионные термостабильные источники опорного напряжения (TL431, LM317 и другие).

TL431

Типовая схема стабилизатора тока для светодиодов на TL431 выглядит так:

Так как микросхема ведет себя так, чтобы поддерживать на резисторе R2 фиксированное напряжение 2.5 В, то ток через этот резистор всегда будет равен 2.5/R2. А если пренебречь током базы, то можно считать, что I_Rн = I_R2. И чем выше будет коэффициент усиления транзистора h_fe, тем больше эти токи будут совпадать.

R1 рассчитывается таким образом, чтобы обеспечить минимальный рабочий ток микросхемы — 1 мА.

А вот пример практического применения TL431 в светодиодной лампе:

На транзисторе падает около 20-30 В, рассеиваемая мощность составляет менее 1.5 Вт. Кроме указанного на схеме 2SC4544 можно применить более мощный BD711 или старый советский КТ940А. Транзисторы в корпусе TO-220 не требуют установки на радиатор до мощностей 1.5-2 Вт включительно.

Резистор R3 служит для ограничения импульса зарядки конденсатора при включении питания. Ток через нагрузку задается резистором R2.

В качестве нагрузки R_н здесь выступают 90 белых чип-светодиодов 2835. Максимальная мощность при токе 60 мА составляет 0.2 Вт (24Lm), падение напряжения — 3.2 В. Также можно применить любые другие подходящие светодиоды, например, SMD5050.

Для увеличение срока службы мощность диодов специально занижена на 20% (0.16 Вт, ток 45 мА), соответственно, суммарная мощность всех светодиодов составляет — 14 Вт.

Хотя я бы рекомендовал найти светодиоды в точно таком же форм-факторе (2.8х3.5мм), но мощностью 0.5 Вт. Они и греться будут меньше и прослужат дольше.

Найти такие светодиоды, а также все необходимое для сборки схемы можно по этим ссылкам:

Разумеется, приведенную схему стабилизатора тока для светодиодов на 220 В можно пересчитать под любой необходимый ток и/или другое количество имеющихся в распоряжении светодиодов.

С учетом допустимого разброса напряжения 220 Вольт (см. ГОСТ 29322-2014), выпрямленное напряжение на конденсаторе C1 будет находиться в диапазоне от 293 до 358 В, поэтому он должен быть рассчитан на напряжение не менее 400 В.

Исходя из диапазона питающих напряжений, рассчитываются параметры остальных элементов схемы.

Например, резистор, задающий рабочий режим микросхемы DA1 должен обеспечивать ток не менее 0.5 мА при напряжении на С1 = 293 В. Максимальное количество светодиодов не должно превышать N_LED = 100 мА). Отлично подойдут упомянутые выше 1N4007.

Как видите, схемка простейшая и не содержит каких-либо доростоящих компонентов. Вот текущие цены (и они, скорее всего, будут и дальше снижаться):

Таким образом, потратив в общей сложности 1000 руб., можно собрать десяток 30-ваттных (. ) не мерцающих (. ) лампочек. А так как светодиоды работают не на полную мощность, а единственный электролит не перегревается, то эти лампы будут практически вечными.

Вместо заключения

К недостаткам приведенных в статье схем следует отнести низкий КПД за счет бесполезной траты мощности на регулирующих элементах. Впрочем, это свойственно всем линейным стабилизаторам тока.

Низкий коэффициент полезного действия неприемлем для устройств, питающихся от автономных источников тока (светильники, фонарики и т.п.). Существенного повышения КПД (90% и более) можно добиться применением импульсных стабилизаторов тока.

TL431

Есть много известных, знаковых, новаторских и одновременно простых конструкций интегральных схем, которые превзошли ожидания своих создателей, стали популярными и даже как-то повлияли на развитие электроники. Одна из них – управляемый стабилитрон tl431. Сделанная в 1978 году микросхема tl431 до сих пор широко применяется во многих профессиональных и любительских проектах.

Внешний вид TL431

Эксплуатационные характеристики tl431

Чтобы составить представление о конструкции tl431, надо изучить datasheet устройства или описание микросхемы на русском языке, которое можно найти в сети.

Часто tl431-ая система представлена в виде компаратора или конкретного транзистора с опорным напряжением 2,5 В и напряжением насыщения около 2 В. Транзистор открывается в момент достижения напряжения между анодной (Anode) и входной (Reference) клеммой 2,5 В, ток начинает протекать от анода к катоду. Если напряжение ниже величины открытия, транзистор запирается. Интерпретация схемы тл в виде такого транзистора облегчает понимание ее работы.

Упрощенное представление tl431

Фактически, это интегральная схема с расширенной внутренней структурой, состоящей из нескольких транзисторов, резисторов и конденсаторов.

В «даташите» представлены различные параметры системы, главными рабочими характеристиками являются:

1. Максимальное катодное напряжение – 36 В;
2. Источник очень стабилен, имеет температурный дрейф обычно около 3-7 мВ;
3. Входной ток (Ref) составляет 1-5 мкА;
4. Минимальное значение катодного тока рекомендуется 1 мА, максимальное –100 мА.

Преимущества tl431:

• регулируемое напряжение;
• потребляет мало энергии;
• защищает аккумулятор от глубокой разрядки;
• может использоваться, как регулируемый Z-диод и как управляемый усилитель;
• обладает только тремя контактами;
• низкая стоимость.

Цоколевка микросхемы зависит от фирмы-изготовителя и может различаться. Если радиолюбители выпаивают tl431 из какой-либо платы, то распиновка будет на ней видна.

Цоколёвка tl431 с несколькими разновидностями исполнения представлена на рисунке.

Разновидности распиновки tl431

Схема включения

Для tl431 схема включения зависит от того, для каких целей предназначается устройство. Простейшее его применение – стабилизация напряжения заданной величины.

На вход tl431 подключается делитель напряжения, выполненный с помощью пары резисторов. С учетом технических данных микросхемы можно вычислить требуемые сопротивления.

Допустим, на выходе необходимо получить 5 В. Расчеты ведутся на основании формулы:

Vout = (1 + R1/R2) x Vref.

Полная формула записывается в виде:

Vout = (1 + R1/R2) x Vref + (Iref x R1), но вторую часть уравнения можно игнорировать, так как это очень маленькое значение, хотя все будет зависеть от используемой схемы.

1. 5 В = (1 + R1/R2) х 2,5;
2. R1/R2 = 1.

Так как соотношение сопротивлений равно 1, должны использоваться два резистора с одинаковым сопротивлением.

Второй пример для выходного напряжения 2,75 В:

1. 2,75 В = (1 + R1/R2) х 2,5;
2. R1/R2 = 0,1.

Например, если один резистор взят сопротивлением 1 кОм, то другой – должен быть 10 кОм.

Схема стабилизатора напряжения

В результате опорное напряжение сохраняется на уровне 2,5 В, останавливая свой выбор на различных сопротивлениях делителя, можно создать стабилизатор заданного значения напряжения.

Важно! В случае необходимости стабилизировать напряжение 2,5 В делитель не используется, а входной вывод tl431 соединяется с катодом.

Стабилизатор тока

Микросхема tl431 находит применение и как стабилизатор тока. Здесь для расчета сопротивления при желаемом токе применяется формула:

• R2 – сопротивление,
• Io – желаемый ток.

Так как напряжение Vref = 2,5 В, то R2 = 2,5/Io. При этом через сопротивление R2 выполняется обратная связь для сохранения уровня входного напряжения Vref.

Схемы с датчиками

Во многих схемах необходимо контролировать параметры при помощи различных датчиков (фоторезисторов, терморезисторов). Общая схема получается похожей, как для делителя, за исключением замены одного из сопротивлений. На его месте устанавливается, например, терморезистор, а катод tl431 подключается к катушке реле. Значение температуры устанавливается при помощи потенциометра. Когда температура превышает предел срабатывания, соотношение сопротивлений изменяется, напряжение на контакте управления tl431 превышает уровень открывания, ток пропускается на катушку реле, имеющую замыкающие контакты в цепи нагрузки.

Схема с термодатчиком

Зарядное устройство

Для зарядных устройств важно ограничивать параметры тока и напряжения заряда во избежание повреждения аккумуляторов. Такая схема легко может быть реализована с применением интегральной микросхемы tl431 и других элементов:

1. Если выходное напряжение не достигло показателя 4,2 В, регулирование зарядного тока осуществляется посредством транзисторов и резисторов;
2. По достижении значения 4,2 В выходное напряжение ЗУ контролируется tl431, не позволяя ему повышаться дальше.

Проверка микросхемы

Радиолюбители задаются вопросом, как проверить tl431 мультиметром? Простая прозвонка микросхемы невозможна, ведь она содержит много элементов. Но есть способ, как проверить работоспособность устройства, собрав специальную схему из резисторов, кнопки и самой ТЛ-схемы. Подключение мультиметра на выход схемы теперь поможет определить исправность tl431.

Схема проверки tl431

Если нажать на кнопку, тестер покажет выходное напряжение 2,5 В, при отпущенной кнопке – 5 В.

При создании устройства предполагалось, что все микросхемы данного типа от разных производителей будут иметь цифровые символы 431, а буквенные могут отличаться, например, az431, другой аналог – KIA431. Затем стали менять и цифры. Для tl431 аналог отечественный тоже существует. Это – КР142ЕН19.

Видео