Калькулятор TL431 — стабилитрон [таблицы .ods, .xls]

Утро пошло наперекосяк — я проектировал схему, которая питалась от стабилитрона TL431, а калькулятор на сайте cxem.net не работал. Пришлось вникать в даташит и выводить все формулы самостоятельно.

Получились три таблички в форматах:

LibreOffice 6.3 (.ods)

Excel 97-2003 (.xls)

На каждом листе-калькуляторе есть краткая инструкция, а здесь я расскажу о них подробно.

Стабилитрон-1 (расчёт сопротивлений по заданным напряжению и току)


TL431 не зря называют «управляемым стабилитроном». Резистор R1 гасит лишнее напряжение и задаёт нужный ток нагрузки, а делитель R2…R4 отвечает за напряжение стабилизации. Any colour you like — 2,5…36 вольт. Подстроечный резистор R3 своим нижним выводом соединён со средним и с выходом делителя, поэтому фактически он входит в состав R2 — верхнего плеча. У такого включения есть потенциальная опасность — если R2 или R3 оборвётся, то TL431 закроется, и на выходе стабилизатора появится всё входное напряжение. Нагрузке это вряд ли понравится, даже «электролиты» могут надуться от обиды. Однако эта особенность — совсем не повод отказываться от схемы. Просто надо внимательнее следить за состоянием R3, особенно если его крутят целыми днями.


Как и в случае с прошлым калькулятором делителей, каждую страницу с результатами можно распечатать. Основные формулы на картинке помогут собрать делитель для другого напряжения стабилизации, даже если уже ночь и компьютер выключен. Таблица стандартных номиналов радиодеталей подскажет, какие сопротивления лучше взять (на печать не выводится). Для космически важных применений есть ряды резисторов E96 и E192 — 1% и 0,5% точности.

Инструкция:
1. Задать входное и выходное напряжения Uвх, Uвых, ток нагрузки Iнагр, собственный ток стабилизатора Iстаб (1…2 мА).
2. Установить R3max и R3* в нули.
3. Выбрать R4 из таблицы стандартных номиналов и внести его в графу. Калькулятор выдаст расчётное значение суммы R2 и R3.
4. Задать стандартный номинал R2 — меньше, чем сумма R2+R3.
5. Указать максимальное сопротивление подстроечного резистора R3max. Итоговая сумма R2+R3max должна быть больше расчётного значения. Чем ближе R2 к сумме и чем меньше R3, тем уже будет диапазон регулировки Umin, Umax.
6. Сопротивление R1 и мощность PR1max рассчитываются по токам Iнагр, Iстаб, Iдел и максимальному напряжению на выходе Umax.
7. Мощность PVD1min рассеивается на TL431, когда к ней подключена нагрузка (штатный режим), мощность PVD1max — когда НЕ подключена. Следите, чтобы стабилизатор и R1 не перегревались, так как без нагрузки через них течёт сумма токов Iнагр, Iстаб, Iдел.
8. При сборке схемы R3* может быть постоянным. Если же техзадание требует делителя на двух резисторах R2 и R4, то R3max и R3* надо оставить на нулях.

N. B.! Относится ко всем схемам: чем выше сопротивление R2R4, тем меньше будет ток делителя Iдел. Это позволит сэкономить немного электричества при питании от батареи, но и чересчур задирать сопротивление тоже не стоит. Калькулятор использует упрощённую формулу расчёта, точности которой хватает обычному радиолюбителю:

Uвых = (1 + (R2/R4) )*2,5

Про R3 временно забываем — он ведь часть R2.

Однако если присмотреться к даташиту, то совсем правильно выходное напряжение рассчитывать так:

Uвых = (1 + (R2/R4) )*Uref + Iref*R2

Uref
— опорное напряжение TL431, которое в теории равно 2,495 В, а по факту немного меньше — 2,47…2,48 В. Оно зависит от производителя и класса точности микросхемы, от окружающей температуры и напряжения на катоде. Если вы не проектируете источник опорного напряжения с точностью до четвёртого знака — подставляйте 2,5 В.

Iref — ток, нужный для управления TL431, обычно 1…4 мкАЕсли в «правильную» формулу подставить R2 = 100 кОм, то к выходному напряжению добавятся 0,1…0,4 В. Эта ошибка может как ничего не значить, так и всё испортить — зависит от области применения схемы и требуемой точности. А вот если взять R2 = 10 кОм, то «лишнего» напряжения набежит всего 0,01…0,04 В. Поэтому R2, R3 и R4 должны лежать в диапазонах 1…100 кОм и обеспечивать ток делителя 40 и более мкА.


Я провёл серию экспериментов — задавшись напряжением стабилизации, рассчитал делитель, сделал замеры, потом увеличил резисторы в 10 раз и сделал повторные замеры. С той же уверенностью, что Сергей Королёв постановил считать грунт на Луне твёрдым, я везде определил ток Iref как 2 мкА. И теория подтвердилась практикой — чем выше номинал R2, тем дальше выходное напряжение от расчётного. Особенно хорошо это видно на экспериментах 9…12.

Кроме того, высокоомный делитель — это проблемы с измерением напряжения. Например, для пяти вольт вы взяли резисторы R2 и R4 по 220 кОм, и решили измерить напряжение с делителя. Входное сопротивление мультиметра — 10 МОм. Однако когда он оказывается параллельно подключён к R4, общее сопротивление этого участка цепи падает на 2%, до значения 215,26 кОм. Выходное напряжение при этом вырастет, и если TL431 работает эталоном для какой-нибудь измерительной цепи — может появиться ошибка. А вы только подключили вольтметр! Зато если взять резисторы по 22 кОм, то сопротивление R4 уйдёт всего на 0,2% — до 21,95 кОм.

Поэтому резисторы R2 и R4 надо выбирать в диапазоне 1…100 кОм, а при помощи подстроечного R3 точно устанавливать напряжение во время наладки. Или же вводить в схему R3*, близкий к рассчитанному.

Стабилитрон-2 (расчёт сопротивлений по заданным напряжению и току)


В этой схеме подстроечный резистор R3 своим верхним выводом соединён со средним и с выходом делителя, поэтому фактически он входит в состав R4 — нижнего плеча. Обрыв этих резисторов не так страшен — стабилитрон откроется полностью, и на выходе останется только 2,5 вольта. Всю тепловую нагрузку при этом на себя примет R1.


Поскольку регулировка делителя развёрнута, то и расчёты проводятся наоборот — по известному R2.

Инструкция:
1. Задать входное и выходное напряжения Uвх, Uвых, ток нагрузки Iнагр, собственный ток стабилизатора Iстаб (1…2 мА).
2. Установить R3max и R3* в нули.
3. Выбрать R2 из таблицы стандартных номиналов и внести его в графу. Калькулятор выдаст расчётное значение суммы R3 и R4.
4. Задать стандартный номинал R4 — меньше, чем сумма R3+R4.
5. Указать максимальное сопротивление подстроечного резистора R3max. Итоговая сумма R4+R3max должна быть больше расчётного значения. Чем ближе R4 к сумме и чем меньше R3, тем уже будет диапазон регулировки Umin, Umax.
6. Сопротивление R1 и мощность PR1max рассчитываются по токам Iнагр, Iстаб, Iдел и максимальному напряжению на выходе Umax.
7. Мощность PVD1min рассеивается на TL431, когда к ней подключена нагрузка (штатный режим), мощность PVD1max — когда НЕ подключена. Следите, чтобы стабилизатор и R1 не перегревались, так как без нагрузки через них течёт сумма токов Iнагр, Iстаб, Iдел.
8. При сборке схемы R3* может быть постоянным. Если же техзадание требует делителя на двух резисторах R2 и R4, то R3max и R3* надо оставить на нулях.

Стабилитрон-3 (подбор сопротивлений для заданного напряжения)


Подстроечный резистор R3 включён по схеме потенциометра, поэтому его можно представить как резисторы R3.1 и R3.2, последовательно соединённые с R2 и R4. На этом и строится подбор всех сопротивлений в этом калькуляторе. Да-да, именно подбор, а не расчёт, и в этом главный минус такой схемы — надо потратить больше времени, чтобы получить результат.

Инструкция:
1. Задать входное и выходное напряжения Uвх, Uвых, ток нагрузки Iнагр, собственный ток стабилизатора Iстаб (1…2 мА).
2. Установить R3max и R3.1 в нули. R3.2 обнулится автоматически.
3. Подобрать такие R2 и R4, чтобы рассчитанное Uвых было близким к нужному. Используйте таблицу стандартных номиналов резисторов.
4. Для точной регулировки укажите максимальное сопротивление подстроечного резистора R3max.
5. Калькулятор выдаст диапазон регулировки (Umin, Umax) и текущее значение Uвых. Последнее можно менять, увеличив сопротивление R2.1.
6. Сопротивление R1 и мощность PR1max рассчитываются по токам Iнагр, Iстаб, Iдел и максимальному напряжению на выходе Umax.
7. Мощность PVD1min рассеивается на TL431, когда к ней подключена нагрузка (штатный режим), мощность PVD1max — когда НЕ подключена. Следите, чтобы стабилизатор и R1 не перегревались, так как без нагрузки через них течёт сумма токов Iнагр, Iстаб, Iдел.
8. При сборке схемы R3.1 и R3.2 можно заменить постоянными.

Как и раньше, делитель на двух резисторах можно рассчитать, указав значения R2 и R4 при R3max и R3.1 = 0.

Запись опубликована в рубрике Электроника с метками . Добавьте в закладки постоянную ссылку.

1 отзыв на “Калькулятор TL431 — стабилитрон [таблицы .ods, .xls]

  1. Дмитрий:

    Каждая статья как докторская диссертация, БРАВО!!!

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход /  Изменить )

Google photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google. Выход /  Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход /  Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход /  Изменить )

Connecting to %s