Добрый день, уважаемые радиолюбители.

Продолжая разговор о конструкциях для начинающих, сегодня мы поговорим с вами о пятой конструкции – индикаторе напряжения на TL431.

Схема электрическая принципиальная предлагаемого индикатора представлена в подборке фото на левом рисунке. На правом рисунке представлена структурная схема внутреннего устройства микросхемы TL431. Для начала рассмотрим упрощённо принцип работы самой микросхемы [2].

Итак, TL431 – это ни что иное как прецизионный (высокоточный) регулируемый источник напряжения (иногда её называют «регулируемым стабилитроном»). В своём составе микросхема содержит операционный усилитель; источник опорного напряжения на 2.5 Вольта (подключённый к инвертирующему входу операционного усилителя) и выходной каскад на транзисторе. Вход R, подключённый к неинвертирующему входу операционного усилителя позволяет управлять работой микросхемы.

Работает это следующим образом: пока напряжение, подаваемое на вход R (неинвертирующий вход операционного усилителя) меньше, чем напряжение опорного источника питания транзистор выходного каскада закрыт – в цепи катод-анод микросхемы ток не протекает. Как только напряжение на входе R превысит напряжение встроенного опорного источника напряжения выходной транзистор откроется и в цепи катод-анод микросхемы начнёт протекать ток.

Достаточно часто напряжение на вход R подают с делителя напряжения. Это позволяет настроить порог срабатывания микросхемы в широком диапазоне напряжений (практически от напряжения встроенного опорного источника напряжения и до 36 Вольт согласно технической документации). Именно это свойство микросхемы и используется в описываемом индикаторе.

Основу схемы индикатора составляет резистивный мост, состоящий из резисторов R4, R5, R6 и внутреннего сопротивления микросхемы DA1. В одну из диагоналей моста включены светодиоды HL1 и HL2. А ко-второй диагонали поста подключается источник питания.
Делитель напряжения, состоящий из резисторов R1-R3, задаёт порог срабатывания микросхемы DA1.

После подачи питания в зависимости от начальных условий произойдет одно из трех:

1. Если напряжение на входе R микросхемы DA1 меньше, чем напряжение встроенного источника опорного напряжения (т.е. меньше 2.5 Вольт), то через микросхему DA1 ток не протекает – её сопротивление велико. Не выполняется условие баланса моста. В диагонали моста R4, HL2, R6 протекает ток – светодиод HL2 светится. Светодиод HL1 погашен.


2. Если напряжение на входе R микросхемы DA1 больше, чем напряжение встроенного источника опорного напряжения (т.е. больше 2.5 Вольт), то через микросхему DA1 протекает ток – её сопротивление низко. Не выполняется условие баланса моста. Ток будет протекать в диагонали R5, HL1, DA1 – светодиод HL1 светится. Светодиод HL2 погашен.


3. Если напряжение на входе R микросхемы равно напряжению встроенного опорного источника напряжения (т.е. равно 2.5 Вольтам). Это самый интересный случай.

Для TL431 в реальности существует зависимость между величиной тока катод-анод и напряжением между катодом и анодом. Данная зависимость показана в подборке рисунков ниже — на левом рисунке для области больших токов, а на правом – на начальном участке в области малых токов.

Хорошо видно, что при изменении напряжения между катодом и анодом величина протекающего тока в области больших токов изменяется далеко не мгновенно, а в области небольших токов – плавно. Это приводит к тому, что в реальной схеме мгновенного переключения между описанными выше состояниями 1 и 2 не происходит. Между ними существует некоторая область неопределённости, где оба светодиода (HL1 и HL2) погашены.

Во-первых, возможна ситуация, когда произведение сопротивлений R4 и R6 равно произведению сопротивлений R5 и внутреннего сопротивления DA1. В этом случае выполняется условие баланса моста и ток в диагоналях моста не протекает. Мост уравновешен. Светодиоды HL1 и HL2 погашены.

Во-вторых, существование данной зависимости приводит к тому, что светодиоды при переключении загораются (тухнут) не мгновенно, а плавно. Что также расширяет зону неопределённости.

Обе этих особенности работы схемы необходимо учитывать при её использовании [2, 3, 4].

Конденсаторы С1, С2 – дополнительный фильтр напряжения питания индикатора напряжения.

Резистор R1 устанавливает порог срабатывания индикатора.

В подборке фото ниже представлен собранный экземпляр индикатора при проведении испытаний.

А в следующей подборке представлена изготовленная печатная плата.

А в этой подборке рисунков представлен сборочный чертёж печатного узла описываемого индикатора (на первом рисунке – с проводящим рисунком, на втором и третьем рисунках указано только расположение компонентов схемы).

Тут следует отметить, что компоненты устанавливаются с обратной стороны от проводящего рисунка. При этом сборочный чертеж выполнен так, если бы мы смотрели на печатный узел как раз со стороны проводящего рисунка. Это необходимо учитывать при установке микросхемы, а также полярных конденсаторов и диодов. В файле TL431-1-1.zip представлен сборочный чертеж печатного узла в формате Sprint Layout 6, а также схема электрическая принципиальная в формате SPlan для возможности самостоятельного изготовления устройства.

После сборки индикатора был проведён контрольный запуск, показанный на видео ниже [1].

По представленному видео хорошо видно, что индикатор работает исправно.

А на этом на сегодня всё. С уважением, Андрей.

Список использованной литературы:

1. Индикатор напряжения на TL431

2. TL431. Техническое описание

3. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах/ Пер. с англ.: Б. Н. Бронина, И. И. Короткевич, А. И. Коротова и др. — Изд. 4-е, переработанное и дополненное. — М.: Мир, 1993

4. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство / Перевод с нем. под ред. д-ра техн. наук А. Г. Алексенко. — М.: Мир, 1982. — 512 с.