Napěťová regulace provádí napěťový regulátor TL431C. Obvod udržuje mezi A a K takové napětí, aby na vývodu R bylo napětí 2,5V. V regulační smyčce ovládá výkonový tranzistor. Výstupní napětí se nastavuje potenciometrem R1. Na T1 vzniká velká výkonová ztráta. Tranzistor se zahřívá a proto se musí upevnit na velký hliníkový chladič, popřípadě chladit ještě ventilátorem.
Jsou dvě zapojení: s MOSFETEM a s Darlingtonovým tranzistorem. Použil jsem zapojení s MOSFETEM. Místo IRF530 je možno použít jiný typ tranzistoru s kanálem N, např. IFR540, BUZ10 nebo podobný. Výstupní proud může být > 10A, záleží na použitěném tranzistoru a jeho ztrátovém výkonu.
Rezistory R1 a R2 se nastavuje výstupní napětí od 2,5V do 30V. Vzorec pro výpočet napětí: Uz = Uref * (1 + R1/R2). Uref = 2,5V. Vstupní napětí musí být minimálně o 5,2V > výstupní napětí. Při zapojení proudové ochrany ještě o úbytek napětí na R6. Kondenzátor C1 brání kmitání regulátoru. Kapacita C1 může být 100n - 330n. Tranzistor T2 a součástky kolem tvoří proudovou ochranu. Průchodem proudu vzniká na R6 úbytek napětí. Když je na R6 napětí > 0,65V, tak sepne T2 a přivede zem na řídící elektrodu T1. Tím se zmenší napětí na řídící elektrodě a tranzistor se přivře. Zdroj konstantního napětí se změní na zdroj konstantního proudu.
Potenciometrem R7 se nastavuje proudová ochrana od 1,5A do 5A. Změnou R6 na jinou velikost lze upravit požadovaný proud. R6 musí být na větší výkon, který se vypočítá podle vzorce P = I²*R. Příklad podle schéma zapojení: P = 25*0,44 = 11W. Při proudu 5A je ztrátový výkon na R6 11W. Je potřeba použít rezistor minimálně na 20W, nebo zapojit dva do série - 2 x 0,22 Ohm na 10W.
Kdo nepotřebuje proudovou ochranu, nezapojí T2, C3, R5, R6, R7 a R8. Komu stačí jen pevně nastavená ochrana, nezapojí R7 a R8. R5 se připojí do bodu x. Dioda D1 a pojistka F chrání výkonový tranzistor. Regulátor se může použít k nabíjení akumulátorů. Při použití Darlingtonova tranzistoru (NPN) se na plošném spoji místo R4 zapojí drátová propojka.
Je možné použít další tranzistory; např. místo potenciometru R7 jsem na plošném spoji použil trimr. Je na něm jedna drátová propojka označená modře. Konstrukce je z roku 1998. Používal jsem ji jako nabíječku olověných akumulátorů. Měl jsem nastavený nabíjecí proud na 5A.
Měl bys vědět, že při návrhu elektronických obvodů často potřebujete nízkopříkonový regulátor napětí nebo referenční zdroj napětí. Regulované zdroje často vycházejí z Čipu TL431, který nabízí stabilní zdroj napětí s nízkou spotřebou a lze regulovat od 2,5 V do 36 V.
TL431: co to je a jak funguje
TL431 je mikroobvod vyvinutý v 70. letech 20. století a bývá označován jako „regulovaný regulátor“. Sestava mikrospínačů a vnitřní struktura ukazují, že TL431 se nejvíce podobá komparátoru. Na invertující výstup je přivedeno referenční napětí Vref 2,5 V, které je stabilizované, takže výstup bude také stabilní. Neinvertující výstup je vyveden ven. Pokud je napětí na stejnosměrném vstupu menší než 2,5 V, výstup komparátoru je zero; tranzistor je uzavřen a neprotéká jím žádný proud. Pokud napětí překročí 2,5 V, výstup diferenciálního zesilovače se stane kladným, tranzistor se otevře a začne jím protékat proud, omezený vnějším odporem. Dioda slouží jako ochrana proti zpětnému proudu a zajišťuje bezpečný provoz.
Výstup referenčního napětí nesmí zůstat nikde nepřipojený a vyžaduje proud alespoň 4 µA. TL431 lze použít v několika režime: jako komparátor, jako paralelní stabilizátor a jako zdroj proudu v kombinaci s rezistory. Pro některé aplikace je důležité, že vzor Ustab = 2,495 * (1 + R2/R1) vyjadřuje stabilizační napětí v zapojení z rezistorů R1 a R2. Vnitřní odpor se tímto zapojením zvětší.
Příklady schémat a jejich využití
Jednou z variant TL431 je běžný komparátor, který lze použít k prahovým relé, hladinovým relé nebo světelným relé. Jeho referenční zdroj napětí je vestavěný a není nastavitelný, takže proud a úbytek napětí na senzoru jsou regulované. Když napětí na senzoru klesne na 2,5 V, výstupní tranzistor se otevře a LED dioda rozsvítí. Naopak pro spouštění zátěže lze použít relé či spínací tranzistor s nízkou spotřebou energie. Odpor R1 nastavuje odezvu komparátoru a R2 omezuje proud procházející LED diodou.
Nejjednodušší schéma je paralelní stabilizátor - zdroj referenčního napětí 2,5 V. Potřebujeme jen zátěžový rezistor, který omezí proud procházející výstupním tranzistorem. Důležité: kondenzátor by neměl být paralelně u výstupu, aby nedošlo k parazitním oscilacím. TL431 je tak lépe využit s rezistory R1 a R2 ve zpětnovazebním obvodu. Po zapnutí napájení stabilizuje napětí a výstup se ustálí po mikroskopických časech.
Při výpočtech je třeba vzít v úvahu, že zátěžová kapacita AVR je možné zvětšit klasickým způsobem, např. doplněním dalšího bipolárního tranzistoru do zapojení. Tranzistor musí být zapojen do obvodu zpětné vazby. Tímto zařazením se obvod změní na paralelní regulátor, který vyžaduje, aby vstupní napětí převyšovalo výstupní napětí. Efektivnost nesmí překročit poměr Uin/Uout; pro nižší ztráty se doporučuje použít tranzistor s nížším úbytkem napětí.
TL431 lze použít i k regulaci proudu: kolektorový proud je Istab = Vref/R1. Pokud je obvod spínán, vzniká proudový omezovač Io = Vref/(R1 + Ika). Předřadný odpor je třeba dimenzovat podle podmínek Rb = Uin (Io/hfe + Ika), kde hfe je zesílení tranzistoru. Toto lze ověřit multimetrem s odpovídající funkcí.
Analogie TL431 a praktické varianty
TL431 je velmi populární čip, vyráběný mnoha výrobci. Tlumočení a varianty zahrnují KA431AZ, KIA431, HA17431VP, IR9431 a další. Russian KR142EN19A a PWM regulátor SG6105 jsou zmíněny jako alternativy s podobnými vlastnostmi. TL431 se dá tedy najít v široké škále pouzder a balení, včetně SOT pro povrchovou montáž.
Testování TL431 vyžaduje obvod, jelikož interní struktura není vhodná pro jednorázový tester. Pro test stačí nastavitelný zdroj a několik rezistorů a LED dioda. Důležité je, aby napájecí napětí nepřekročilo 36 V a aby hodnoty rezistorů nepřekračovaly safe proud. Pokud je součástka vadná, LED dioda blikat a napětí na katodě by se mělo výrazně změnit.
TL431 je díky své jednoduchosti a nízké spotřebě často součástí nabíječů akumulátorů, stejně jako dalších zdrojů referenčního napětí. Z tohoto důvodu se v praxi používá pro nabíjení olověných baterií a jako reference v různých regulátorech napětí a proudu.