تحلیل جامع و کاربرد آی‌سی TL431: رگولاتور شنت دقیق قابل برنامه‌ریزی

1. مقدمه‌ای بر TL431

آی‌سی TL431 یک قطعه نیمه‌هادی استاندارد با کاربرد بسیار گسترده و تطبیق‌پذیری بالا در طیف وسیعی از مدارهای الکترونیکی، از مدارهای مدیریت توان گرفته تا مدارهای پردازش سیگنال، محسوب می‌شود.¹ این تطبیق‌پذیری مرهون اجزای کلیدی داخلی آن، یعنی یک منبع ولتاژ مرجع دقیق و یک تقویت‌کننده عملیاتی (آپ‌امپ) است که از بلوک‌های ساختمانی بنیادین در الکترونیک آنالوگ به شمار می‌روند. TL431 در گستره وسیعی از کاربردها نظیر منابع تغذیه سوئیچینگ دقیق، منابع تغذیه خطی رگوله شده، مقایسه‌گرهای ولتاژ، مدارهای مانیتورینگ ولتاژ، مدارهای تولید تأخیر و منابع جریان ثابت مورد استفاده قرار می‌گیرد.² این گستردگی کاربرد، نشان‌دهنده اهمیت و نقش محوری این قطعه در طراحی‌های الکترونیکی معاصر است.تطبیق‌پذیری TL431 تنها به ویژگی‌های الکتریکی آن محدود نمی‌شود، بلکه از توانایی آن در جایگزینی چندین قطعه گسسته، مانند یک دیود زنر و یک تقویت‌کننده عملیاتی مجزا، در یک پکیج کوچک و مقرون‌به‌صرفه نیز نشأت می‌گیرد. این ویژگی به طراحان اجازه می‌دهد مدارهای پیچیده‌تری را با هزینه تمام‌شده کمتر و فضای اشغالی محدودتر بر روی برد مدار چاپی (PCB) پیاده‌سازی کنند. به عنوان مثال، دیتاشیت TL431 صراحتاً آن را به عنوان جایگزینی برتر برای دیودهای زنر در بسیاری از کاربردها معرفی می‌کند.¹ علاوه بر این، یکپارچه‌سازی تقویت‌کننده خطا و منبع ولتاژ مرجع در یک قطعه، منجر به ساده‌سازی فرآیند طراحی مدار، کاهش ابعاد کلی مدار و کاهش هزینه‌های مرتبط با منبع تغذیه می‌شود.³ این یکپارچه‌سازی به معنای کاهش تعداد قطعات مورد نیاز، کاهش پیچیدگی طراحی برد PCB و به طور بالقوه، افزایش قابلیت اطمینان سیستم به دلیل کاهش نقاط بالقوه خرابی است. این مزایا فراتر از صرف عملکرد الکتریکی قطعه بوده و ارزش قابل توجهی را برای طراحان سیستم به ارمغان می‌آورد.

2. TL431 چیست؟

تعریف: رگولاتور شنت دقیق قابل تنظیم

TL431 یک آی‌سی (مدار مجتمع) رگولاتور شنت دقیق، سه پایانه و قابل تنظیم است.¹ عبارت “رگولاتور شنت” بدین معناست که این قطعه قادر است ولتاژ را در یک نقطه مشخص از مدار با منحرف کردن (شنت کردن یا موازی کردن) جریان اضافی به سمت زمین (GND) یا مسیر بازگشت جریان، تنظیم و تثبیت نماید. ولتاژ خروجی این قطعه می‌تواند با استفاده از دو مقاومت خارجی، در گستره‌ای بین ولتاژ مرجع داخلی آن Vref​، که تقریباً 2.5 ولت است تا 36 ولت تنظیم شود.¹ به دلیل این قابلیت تنظیم و عملکرد مشابه، TL431 اغلب به عنوان یک “دیود زنر قابل تنظیم” یا “دیود زنر متغیر” توصیف می‌شود، اما با عملکرد، دقت و پایداری به مراتب بهتر نسبت به دیودهای زنر معمولی.⁶

ویژگی‌های کلیدی و مزایا

TL431 دارای مجموعه‌ای از ویژگی‌های برجسته است که آن را به گزینه‌ای ایده‌آل در بسیاری از کاربردها تبدیل کرده است.¹ برخی از مهم‌ترین این ویژگی‌ها در جدول ۱ خلاصه شده‌اند:

Table 1: خلاصه‌ای از ویژگی‌های برجسته TL431

ترکیب “دقت بالا” (که از تلرانس اولیه پایین و دریفت دمایی کم ناشی می‌شود) با “قابلیت تنظیم گسترده ولتاژ خروجی” و “امپدانس خروجی دینامیکی پایین”، وجه تمایز اصلی TL431 نسبت به دیودهای زنر ساده است. این ویژگی‌ها آن را برای کاربردهای نیازمند به مرجع ولتاژ دقیق و رگولاسیون ولتاژ پایدار، بسیار مناسب می‌سازند. دیودهای زنر سنتی معمولاً ولتاژ شکست ثابتی دارند و امپدانس دینامیکی آن‌ها ممکن است به خوبی TL431 نباشد.⁸ در مقابل، TL431 دارای یک ولتاژ مرجع داخلی بسیار دقیق است ¹ و از یک حلقه فیدبک منفی خارجی برای کنترل دقیق ولتاژ خروجی بهره می‌برد.⁸ این مکانیزم فیدبک، همراه با امپدانس خروجی پایین ذاتی، به TL431 اجازه می‌دهد تا ولتاژ خروجی را با دقت بیشتری در برابر تغییرات جریان بار و ولتاژ ورودی حفظ کند. بنابراین، “دقت” در TL431 تنها به ولتاژ مرجع داخلی آن محدود نمی‌شود، بلکه نتیجه معماری کلی آن به عنوان یک سیستم کنترل حلقه بسته است.

پایه‌ها و وظایف آن‌ها

TL431 یک قطعه سه پایه است. نام‌گذاری پایه‌های آن (کاتد و آند) ممکن است یادآور یک دیود باشد، اما وجود پایه سوم، “رفرنس”، نشان‌دهنده عملکرد کنترلی پیچیده‌تر و متمایز آن است. پیکربندی و وظایف این پایه‌ها در جدول ۲ شرح داده شده است.¹

Table 2: پیکربندی پایه‌های TL431 و وظایف آن‌ها

لازم به ذکر است که TL432 نیز عملکردی مشابه TL431 دارد اما ترتیب پایه‌های آن در برخی پکیج‌ها متفاوت است.¹

3. نحوه عملکرد TL431 به زبان ساده

نگاهی به درون: مرجع ولتاژ و تقویت‌کننده داخلی

در قلب ساختار داخلی TL431، دو جزء اصلی و حیاتی قرار دارد: یک منبع ولتاژ مرجع داخلی بسیار دقیق با ولتاژی حدود 2.495V و یک تقویت‌کننده عملیاتی (آپ‌امپ) با بهره (Gain) بسیار بالا.¹ پایه REF آی‌سی به یکی از ورودی‌های این آپ‌امپ داخلی متصل می‌شود و ولتاژ مرجع داخلی 2.5V به ورودی دیگر آن اعمال می‌گردد.¹ این ساختار، اساس عملکرد مقایسه‌ای و تنظیمی TL431 را تشکیل می‌دهد.

اصول کاری: مقایسه و تنظیم جریان

آپ‌امپ داخلی به طور مداوم ولتاژ موجود در پایه REF را با ولتاژ مرجع داخلی 2.5V مقایسه می‌کند.¹ عملکرد TL431 بر اساس نتیجه این مقایسه و به شرح زیر است:

1. اگر ولتاژ پایه REF کمتر از 2.5V باشد: آپ‌امپ داخلی، خروجی خود را به گونه‌ای تغییر می‌دهد که ترانزیستور خروجی (که بین پایه‌های کاتد و آند قرار دارد) جریان کمتری را هدایت کند یا تقریباً خاموش شود. در این حالت، جریان عبوری از کاتد به آند (جریان سینک) حداقل خواهد بود.
2. اگر ولتاژ پایه REF بیشتر از 2.5V باشد: آپ‌امپ داخلی، خروجی خود را به گونه‌ای تغییر می‌دهد که ترانزیستور خروجی جریان بیشتری را از کاتد به آند هدایت کند.
3. در یک مدار حلقه بسته (مانند رگولاتور شنت): ولتاژ خروجی مدار (که بر روی کاتد ظاهر می‌شود) از طریق یک تقسیم‌کننده مقاومتی به پایه REF فیدبک داده می‌شود. TL431 با تنظیم دقیق میزان جریانی که از کاتد به آند “سینک” می‌کند (می‌کشد)، تلاش می‌کند تا ولتاژ در پایه REF را دقیقاً برابر با ولتاژ مرجع داخلی 2.5V نگه دارد.¹

به بیان دیگر، TL431 اساساً یک سیستم کنترل حلقه بسته کوچک و دقیق است. ولتاژ مرجع داخلی 2.5V نقش “نقطه تنظیم” (Setpoint) را ایفا می‌کند. پایه REF به عنوان “ورودی فیدبک” عمل کرده و ولتاژی متناسب با خروجی را به سیستم بازخورد می‌دهد. جریان کاتد نیز “خروجی کنترلی” سیستم است که برای رسیدن به نقطه تنظیم، توسط آپ‌امپ داخلی تنظیم می‌شود. این سیستم به طور مداوم تلاش می‌کند تا “خطا” (اختلاف بین ولتاژ پایه REF و ولتاژ مرجع داخلی) را به صفر برساند. این رفتار “مانند دیود زنر” که در آن ولتاژ خروجی تنظیم می‌شود، دقیقاً به این دلیل است که حلقه فیدبک، ولتاژ پایه REF را مجبور می‌کند تا با مرجع داخلی 2.5V برابر شود.¹ بنابراین، عملکرد TL431 فراتر از یک مقایسه ساده است؛ بلکه یک فرآیند تنظیم فعال و پویا برای حفظ ولتاژ خروجی مورد نظر است.

4. پارامترهای کلیدی برای راه‌اندازی

برای استفاده صحیح و بهینه از TL431، آشنایی با پارامترهای الکتریکی کلیدی آن ضروری است. این پارامترها در دیتاشیت قطعه، تحت عناوین “Recommended Operating Conditions” و “Electrical Characteristics” یافت می‌شوند.¹

شرایط عملیاتی توصیه شده

این شرایط، محدوده‌هایی را تعریف می‌کنند که در آن‌ها قطعه به طور قابل اطمینان و مطابق با مشخصات خود عمل می‌کند ¹:

• ولتاژ کاتد VKA​: این ولتاژ می‌تواند در گستره‌ای از Vref​ (حدود 2.5V) تا 36V تنظیم شود. این محدوده وسیع، کاربرد TL431 را در طیف گسترده‌ای از سطوح ولتاژ، از مدارهای منطقی ولتاژ پایین تا سیستم‌های با ولتاژ بالاتر، امکان‌پذیر می‌سازد.
• جریان پیوسته کاتد IKA​: این جریان باید در محدوده 1mA تا 100mA باشد. TL431 برای عملکرد صحیح و حفظ رگولاسیون، به حداقل جریان کاتد 1mA (که به آن IKA(min)​ یا Imin​ نیز گفته می‌شود) نیاز دارد. از سوی دیگر، تجاوز جریان کاتد از 100mA می‌تواند منجر به آسیب دائمی به قطعه یا اختلال در عملکرد آن شود.

مشخصات الکتریکی مهم

این مشخصات جزئیات دقیق‌تری از عملکرد الکتریکی قطعه را ارائه می‌دهند ¹:

• ولتاژ مرجع (Vref​) (در شرایط تست IKA​=10mA و VKA​=Vref​): مقدار معمول این ولتاژ 2.495V است. با این حال، بسته به گرید قطعه، این مقدار می‌تواند دارای تلرانسی باشد. به عنوان مثال، برای گرید استاندارد C، این ولتاژ در محدوده 2440mV تا 2550mV قرار دارد. این ولتاژ، نقطه اتکای اصلی برای تمامی محاسبات مربوط به تنظیم ولتاژ خروجی است.
• حداقل جریان کاتد برای رگولاسیون (Imin​ یا IKA(min)​) (در شرایط تست VKA​=Vref​): مقدار معمول این جریان 0.4mA است (و حداکثر 1mA برای گرید C). همانطور که پیشتر اشاره شد، مدار باید به گونه‌ای طراحی شود که جریان عبوری از کاتد TL431 همواره از این مقدار حداقل بیشتر باشد تا رگولاسیون ولتاژ به درستی حفظ شود.
• جریان ورودی پایه مرجع (Iref​) (در شرایط تست IKA​=10mA, R1=10kΩ, R2=∞): مقدار معمول این جریان 2μA است (و حداکثر 4μA برای گرید C). اگرچه این جریان بسیار کوچک است، اما هنگام انتخاب مقادیر مقاومت‌های تقسیم ولتاژ (R1 و R2)، به ویژه اگر از مقاومت‌های با اهم بالا استفاده شود، باید مورد توجه قرار گیرد. زیرا این جریان می‌تواند باعث ایجاد یک افت ولتاژ اضافی بر روی مقاومت R1 شده و در نتیجه منجر به بروز خطا در ولتاژ تنظیم شده خروجی گردد.¹

پارامتر IKA(min)​ یک محدودیت طراحی بسیار حیاتی است. اگر مجموع جریان مصرفی بار و جریانی که خود TL431 از طریق مقاومت‌های تقسیم‌کننده ولتاژ و جریان بایاس داخلی خود مصرف می‌کند، کمتر از IKA(min)​ شود، TL431 از ناحیه رگولاسیون خود خارج شده و ولتاژ خروجی دیگر پایدار نخواهد بود و نمی‌تواند مقدار تنظیم‌شده را حفظ کند. این موضوع به ویژه در کاربردهایی که بار متغیر است یا در مواقعی که بار بسیار سبک است (جریان کمی می‌کشد)، اهمیت پیدا می‌کند. برای اطمینان از عملکرد صحیح، مقاومت سری (RSUP​) باید به گونه‌ای انتخاب شود که حتی در شرایط کمترین جریان بار و بیشترین ولتاژ ورودی، جریان کافی برای عملکرد صحیح TL431 فراهم شود.¹

Table 3: پارامترهای الکتریکی حیاتی TL431 (مقادیر نمونه برای TL431C)

5. نحوه راه‌اندازی و پیکربندی TL431

تنظیم ولتاژ خروجی با مقاومت‌های خارجی

ولتاژ خروجی (VOUT​ یا VKA​) در TL431 با استفاده از یک شبکه تقسیم‌کننده ولتاژ، متشکل از دو مقاومت خارجی (که معمولاً با R1 و R2 نشان داده می‌شوند)، تنظیم می‌گردد. مقاومت R1 بین پایه کاتد (خروجی) و پایه رفرنس (REF) قرار می‌گیرد، در حالی که مقاومت R2 بین پایه رفرنس و پایه آند (معمولاً زمین یا GND) متصل می‌شود.¹فرمول محاسبه ولتاژ خروجی: فرمول اصلی و ساده‌شده برای محاسبه ولتاژ خروجی به شرح زیر است ¹:VOUT​=Vref​×(1+R2R1​) در این فرمول، Vref​ همان ولتاژ مرجع داخلی TL431 است که مقدار آن تقریباً 2.495V می‌باشد. برای محاسبات دقیق‌تر، به خصوص زمانی که مقاومت R1 دارای مقدار بزرگی است و جریان ورودی پایه مرجع (Iref​) قابل توجه می‌شود، می‌توان از فرمول کامل‌تر زیر استفاده کرد ¹:VOUT​=Vref​×(1+R2R1​)+Iref​×R1انتخاب مقادیر مقاومت‌ها: در عمل، معمولاً ابتدا مقدار مقاومت R2 انتخاب می‌شود. انتخاب مقدار حدود 10kΩ برای R2 یک رویه متداول است، زیرا این مقدار به اندازه کافی کوچک است تا اثر جریان ناچیز Iref​ را به حداقل برساند و همچنین جریان کافی برای عملکرد صحیح پایه REF را تضمین کند. پس از انتخاب R2، مقدار مقاومت R1 بر اساس ولتاژ خروجی مورد نظر و با استفاده از فرمول فوق محاسبه می‌شود. برای دستیابی به دقت بالا در ولتاژ خروجی، استفاده از مقاومت‌های دقیق (با تلرانس پایین، مثلاً ۱٪ یا حتی ۰.۱٪) برای R1 و R2 اکیداً توصیه می‌شود.¹انتخاب مقادیر R1 و R2 نیازمند یک موازنه (trade-off) است. استفاده از مقادیر کوچکتر برای این مقاومت‌ها منجر به کشیدن جریان بیشتری از خروجی (و در نتیجه اتلاف توان بیشتر در خود مقاومت‌ها) می‌شود، اما در عین حال حساسیت مدار به جریان Iref​ و نویزهای احتمالی را کاهش می‌دهد. از سوی دیگر، استفاده از مقادیر بزرگتر برای R1 و R2، اتلاف توان را کاهش می‌دهد، اما می‌تواند دقت ولتاژ خروجی را تحت تأثیر جریان Iref​ قرار دهد و همچنین ممکن است مدار را نسبت به پایداری، به خصوص در حضور خازن‌های پارازیتی، حساس‌تر نماید. بخشی از جریان مورد نیاز برای بایاس کامل TL431 (جریان بیشتر از IKA(min)​) از طریق این مقاومت‌های تقسیم‌کننده تأمین می‌شود.¹ همچنین، جریان عبوری از R1 و R2 به بار کلی که TL431 باید آن را مدیریت کند، اضافه شده و بر اتلاف توان کل سیستم تأثیرگذار است.

محاسبه مقاومت سری RSUP​ یا Rseries​

این مقاومت، که گاهی به آن مقاومت بالاست (pull-up resistor) یا مقاومت محدودکننده جریان نیز گفته می‌شود، بین منبع ولتاژ ورودی (Vin​) و پایه کاتد TL431 قرار می‌گیرد.¹⁰ وظیفه اصلی

RSUP​ محدود کردن جریان عبوری از TL431 و همچنین تأمین جریان مورد نیاز بار متصل به خروجی است.

مقدار RSUP​ باید به گونه‌ای انتخاب شود که دو شرط اصلی را برآورده سازد:

1. تأمین حداقل جریان: RSUP​ باید قادر باشد حداقل جریان مورد نیاز برای عملکرد صحیح TL431 (IKA(min)​، که معمولاً 1mA در نظر گرفته می‌شود) به اضافه حداکثر جریان مورد نیاز بار (IL(max)​) را در شرایطی که ولتاژ ورودی در کمترین مقدار خود (Vin(min)​) و ولتاژ خروجی (VOUT​) تنظیم شده است، تأمین کند. فرمول محاسبه کران بالای RSUP​ به این صورت است ¹⁰:RSUP​≤(IKA(min)​+IL(max)​)(Vin(min)​−VOUT​)​
2. جلوگیری از جریان بیش از حد: جریان عبوری از کاتد TL431 (IKA​) نباید از حداکثر مقدار مجاز آن (100mA) تجاوز کند. این شرط باید در حالتی بررسی شود که بار حداقل جریان ممکن را می‌کشد (IL(min)​، که می‌تواند صفر باشد) و ولتاژ ورودی در بیشترین مقدار خود (Vin(max)​) قرار دارد. جریان TL431 در این حالت برابر است با:
   IKA​=RSUP​(Vin(max)​−VOUT​)​−IL(min)​
   
   این مقدار IKA​ باید کمتر از 100mA باشد.

انتخاب RSUP​ یک پارامتر طراحی بسیار حیاتی است که مستقیماً بر کارایی، پایداری و قابلیت اطمینان مدار تأثیر می‌گذارد. اگر مقدار RSUP​ بیش از حد کوچک انتخاب شود، منجر به اتلاف توان زیادی در خود RSUP​ و همچنین در TL431 خواهد شد (زیرا TL431 مجبور است جریان زیادی را شنت کند) و حتی ممکن است جریان عبوری از TL431 از حد مجاز 100mA فراتر رفته و به قطعه آسیب برساند. از سوی دیگر، اگر مقدار RSUP​ بیش از حد بزرگ انتخاب شود، ممکن است در شرایط بار سنگین (جریان بار بالا) یا افت ولتاژ ورودی، نتواند جریان کافی برای بار و عملکرد صحیح TL431 را تأمین کند و این امر منجر به از دست رفتن رگولاسیون و افت ولتاژ خروجی به زیر مقدار تنظیم شده گردد.

ملاحظات پایداری و نقش خازن‌ها

اگرچه TL431 به گونه‌ای طراحی شده است که بدون نیاز به خازن خروجی (خازنی که بین پایه‌های کاتد و آند قرار می‌گیرد) پایدار باشد ¹، اما در عمل، بارهای متصل به خروجی ممکن است ماهیت خازنی داشته باشند، یا طراحان ممکن است برای بهبود پاسخ گذرا (transient response) یا فیلتر کردن نویز، اقدام به افزودن خازن در خروجی نمایند. در چنین شرایطی، انتخاب نادرست مقدار خازن می‌تواند منجر به ناپایداری و نوسان در خروجی TL431 شود.دیتاشیت TL431 ¹ نمودارهایی تحت عنوان “شرایط مرزی پایداری” (Stability Boundary Conditions) ارائه می‌دهد (معمولاً در شکل‌های ۶-۱۶ و ۶-۱۸ دیتاشیت). این نمودارها نواحی عملکرد پایدار و ناپایدار را بر اساس دو پارامتر کلیدی نشان می‌دهند: جریان کاتد (IKA​) و ظرفیت خازنی بار (CL​). این نمودارها نشان می‌دهند که برای مقادیر خاصی از جریان کاتد، محدوده‌هایی از ظرفیت خازنی وجود دارد که می‌تواند منجر به نوسان شود. این نواحی ناپایدار اغلب در ظرفیت‌های خازنی متوسط (به عنوان مثال، بین 0.01μF تا 1μF در برخی محدوده‌های جریان) رخ می‌دهند. این رفتار به دلیل اندرکنش قطب‌ها و صفرهای موجود در تابع انتقال داخلی خود TL431 با قطبی است که توسط خازن بار و امپدانس خروجی TL431 ایجاد می‌شود. بنابراین، طراح نمی‌تواند صرفاً یک خازن دلخواه را برای فیلتر کردن نویز به خروجی اضافه کند، بلکه باید مقدار آن را با دقت و با مراجعه به این نمودارها و با در نظر گرفتن شرایط عملکردی مدار (به ویژه محدوده جریان کاتد) انتخاب نماید. این موضوع به خصوص در منابع تغذیه‌ای که با بارهای دینامیکی (متغیر) سروکار دارند، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. اسناد کاربردی مانند SLVA482 که در دیتاشیت به آن ارجاع داده شده، درک عمیق‌تری از این مشخصه‌های پایداری ارائه می‌دهند.¹در برخی کاربردهای خاص، به ویژه هنگامی که TL431 در حلقه فیدبک منابع تغذیه سوئیچینگ و در کنار اپتوکوپلرها استفاده می‌شود، جبران‌سازی دقیق حلقه فیدبک با استفاده از خازن‌ها (و گاهی مقاومت‌ها) که در اطراف TL431 قرار می‌گیرند، برای اطمینان از پایداری کلی حلقه کنترل ضروری است.¹²

6. مثال‌های عملی کاربرد TL431

مثال ۱: رگولاتور ولتاژ شنت دقیق

این یکی از رایج‌ترین کاربردهای TL431 است.¹شرح مدار و اصول طراحی گام به گام: مدار پایه مطابق با شکل ۹-۳ در دیتاشیت ¹ است.

VSUP​ منبع ولتاژ ورودی نامنظم، RSUP​ مقاومت سری محدودکننده جریان، R1 و R2 مقاومت‌های تقسیم‌کننده ولتاژ برای تنظیم خروجی، و CL​ خازن بار (اختیاری، با توجه به ملاحظات پایداری) هستند.

1. تعیین ولتاژ خروجی مطلوب VOUT​: ابتدا ولتاژ دقیقی که می‌خواهید در خروجی تثبیت شود را مشخص کنید (مثلاً 5V).
2. انتخاب مقاومت R2: یک مقدار مناسب برای R2 انتخاب کنید (مثلاً 10kΩ).
3. محاسبه مقاومت R1: با استفاده از فرمول VOUT​=Vref​×(1+R2R1​) و با فرض Vref​≈2.495V، مقدار R1 را محاسبه کنید:
   R1=R2×(Vref​VOUT​​−1)
4. محاسبه مقاومت سری RSUP​: مقدار RSUP​ را بر اساس حداقل و حداکثر ولتاژ ورودی (Vin(min)​, Vin(max)​)، حداقل و حداکثر جریان بار (IL(min)​, IL(max)​) و حداقل و حداکثر جریان مجاز کاتد TL431 (IKA(min)​≈1mA, IKA(max)​=100mA) محاسبه کنید تا از عملکرد صحیح در تمامی شرایط اطمینان حاصل شود (مطابق توضیحات بخش ۵.۲).
5. انتخاب خازن بار CL​ (اختیاری): در صورت نیاز به خازن بار برای بهبود پاسخ گذرا یا فیلترینگ، مقدار آن را با توجه به نمودارهای پایداری دیتاشیت انتخاب کنید.

محاسبات نمونه برای ولتاژ خروجی 5V:

• فرض کنید Vref​=2.495V.
• اگر R2=10kΩ انتخاب شود، آنگاه:
  R1=10kΩ×(2.495V5V​−1)=10kΩ×(2.004008−1)≈10kΩ×1.004008≈10.04kΩ.
  می‌توان از یک مقاومت استاندارد 10kΩ برای R1 استفاده کرد (که خروجی را کمی کمتر از 5V می‌کند) یا از ترکیب مقاومت‌ها یا یک پتانسیومتر برای تنظیم دقیق‌تر استفاده نمود. اگر R1=10kΩ و R2=10kΩ باشد، VOUT​=2.495V×(1+10kΩ10kΩ​)=2.495V×2=4.99V.
• فرض کنید ولتاژ ورودی Vin​ بین 9V تا 12V متغیر است، حداکثر جریان بار IL(max)​=50mA و حداقل جریان بار IL(min)​=5mA است. حداقل جریان کاتد IKA(min)​=1mA.
  محاسبه RSUP​:
  RSUP​≤(IKA(min)​+IL(max)​)(Vin(min)​−VOUT​)​=(1mA+50mA)(9V−4.99V)​=51mA4.01V​≈78.6Ω
  
  یک مقدار استاندارد کمتر، مثلاً 75Ω یا 68Ω انتخاب می‌شود. فرض کنیم RSUP​=68Ω.
• بررسی حداکثر جریان TL431 با RSUP​=68Ω، IL(min)​=5mA و Vin(max)​=12V:
  IKA​=RSUP​(Vin(max)​−VOUT​)​−IL(min)​=68Ω(12V−4.99V)​−5mA=68Ω7.01V​−5mA≈103.09mA−5mA=98.09mA
  
  این مقدار کمتر از 100mA است، بنابراین قابل قبول می‌باشد.

مثال ۲: مقایسه‌گر ولتاژ با مرجع داخلی

TL431 می‌تواند به عنوان یک مقایسه‌گر دقیق نیز مورد استفاده قرار گیرد.¹شرح مدار و نحوه عملکرد: مدار مطابق با شکل ۹-۱ در دیتاشیت ¹ است. ولتاژ ورودی (

VIN​) از طریق یک مقاومت ورودی (RIN​) به پایه REF اعمال می‌شود. ولتاژ مرجع داخلی TL431 (حدود 2.5V) به عنوان آستانه مقایسه عمل می‌کند.

• زمانی که VIN​ (پس از افت ولتاژ احتمالی روی RIN​) از 2.5V بیشتر شود: TL431 روشن شده و جریان قابل توجهی را از کاتد به آند هدایت می‌کند. این جریان باعث ایجاد افت ولتاژ روی مقاومت بالاست (RSUP​) شده و در نتیجه ولتاژ خروجی (VOUT​، که همان ولتاژ کاتد است) به سمت یک سطح ولتاژ پایین (حدود 2V) کشیده می‌شود.¹
• زمانی که VIN​ کمتر از 2.5V باشد: TL431 تقریباً خاموش شده و جریان کاتد آن بسیار ناچیز خواهد بود. در این حالت، ولتاژ خروجی VOUT​ به سمت ولتاژ تغذیه VSUP​ کشیده می‌شود (این به دلیل ماهیت کلکتور-باز بودن خروجی TL431 است).

در حالت مقایسه‌گر، TL431 در مد حلقه باز (Open Loop) عمل می‌کند. بهره ولتاژ بسیار بالای داخلی آن باعث می‌شود که تغییرات بسیار کوچک ولتاژ در اطراف نقطه مرجع 2.5V در پایه REF، منجر به تغییرات شدید و قاطع در جریان کاتد و در نتیجه تغییر وضعیت خروجی (از سطح بالا به پایین یا بالعکس) شود. این رفتار، مشخصه اصلی یک مقایسه‌گر ولتاژ است.¹ برای عملکرد صحیح به عنوان مقایسه‌گر، تأمین جریان کاتد مناسب از طریق RSUP​ ضروری است تا بهره حلقه باز کافی برای پاسخ سریع فراهم گردد.¹

مثال ۳: مدار محافظ Crowbar

مدار Crowbar یک مدار حفاظتی است که برای محافظت از مدارهای الکترونیکی حساس در برابر شرایط اضافه ولتاژ (Overvoltage) به کار می‌رود.¹⁵ TL431 به دلیل دقت و قابلیت تنظیم خود، جزء مناسبی برای استفاده در این نوع مدارهاست.¹اهمیت و نحوه عملکرد: در مدار نمونه شکل ۹-۸ دیتاشیت ¹، ولتاژ خروجی منبع تغذیه (

VO​) از طریق یک تقسیم‌کننده مقاومتی (متشکل از R1 و R2) به پایه REF آی‌سی TL431 اعمال می‌شود. مقادیر R1 و R2 به گونه‌ای انتخاب می‌شوند که در ولتاژ خروجی نرمال، ولتاژ پایه REF کمتر از 2.5V باشد و TL431 خاموش بماند. اگر ولتاژ خروجی VO​ به هر دلیلی از حد تنظیم شده (آستانه اضافه ولتاژ) تجاوز کند، ولتاژ پایه REF نیز از 2.5V بیشتر شده و این امر باعث روشن شدن TL431 می‌شود.

روشن شدن TL431 می‌تواند گیت یک قطعه قدرتی مانند تریستور (Thyristor) یا SCR (Silicon Controlled Rectifier) را تحریک کند (این قطعه قدرتی معمولاً در مدارهای Crowbar استفاده می‌شود اما در شکل ساده شده دیتاشیت نشان داده نشده است). با تحریک تریستور، یک مسیر با مقاومت بسیار کم بین خطوط منبع تغذیه ایجاد می‌شود (اتصال کوتاه)، که منجر به سوختن سریع فیوز اصلی مدار یا فعال شدن مدارشکن (Circuit Breaker) می‌گردد. این عمل، منبع تغذیه را از مدار جدا کرده و از رسیدن ولتاژ مخرب به بار حساس جلوگیری می‌کند.¹⁵ خازن C در مدار برای افزایش پایداری و جلوگیری از تحریک کاذب TL431 در اثر نویز یا تغییرات سریع ولتاژ استفاده می‌شود و مقدار آن باید با توجه به نمودارهای پایداری دیتاشیت انتخاب گردد.¹

مثال ۴: منبع جریان ثابت دقیق

TL431 می‌تواند برای ساخت منابع جریان ثابت (Constant Current Source) یا سینک‌های جریان ثابت (Constant Current Sink) با دقت خوب مورد استفاده قرار گیرد.¹طراحی و کاربردها: در مدار سینک جریان ثابت نشان داده شده در شکل ۹-۱۵ دیتاشیت ¹، TL431 ولتاژ پایه REF خود را به طور فعال بر روی مقدار ولتاژ مرجع داخلی خود (

Vref​≈2.5V) تثبیت می‌کند. این ولتاژ Vref​ مستقیماً بر روی مقاومت RS​ (که یک سر آن به پایه REF و سر دیگر آن به آند یا زمین متصل است) قرار می‌گیرد.

بنابراین، جریان عبوری از مقاومت RS​ (و در نتیجه جریانی که توسط مدار از بار متصل به ترمینال VI(BATT)​ کشیده می‌شود، IO​) برابر خواهد بود با:

IO​=RS​Vref​​ این مدار یک سینک جریان ثابت ایجاد می‌کند، به این معنی که جریانی ثابت و مستقل از ولتاژ بار (تا زمانی که ولتاژ کافی برای عملکرد صحیح TL431 و هرگونه ترانزیستور عبوری احتمالی در مدار وجود داشته باشد) از بار می‌کشد. این نوع مدارها در کاربردهایی مانند شارژ باتری با جریان ثابت، راه‌اندازی LEDها با جریان کنترل‌شده، و به عنوان بار فعال در تست منابع تغذیه کاربرد دارند. در برخی منابع ¹⁷، مدارهای مشابهی با استفاده از یک ترانزیستور اضافی برای افزایش قابلیت جریان یا بهبود عملکرد کلی منبع جریان ارائه شده است.

نگاهی گذرا به سایر کاربردها

علاوه بر موارد فوق، TL431 در کاربردهای متنوع دیگری نیز به کار می‌رود:

• کنترلر PWM با مرجع: TL431 می‌تواند به عنوان منبع ولتاژ مرجع دقیق و تقویت‌کننده خطا در حلقه فیدبک منابع تغذیه سوئیچینگ با مدولاسیون عرض پالس (PWM) استفاده شود تا ولتاژ خروجی را با دقت تنظیم کند.¹
• مانیتور ولتاژ: برای تشخیص دقیق رسیدن ولتاژ یک نقطه از مدار به یک سطح از پیش تعیین‌شده و فعال کردن یک نشانگر (مانند LED) یا ارسال سیگنال به یک میکروکنترلر.¹
• رگولاتور سری دقیق جریان بالا: با ترکیب TL431 با یک ترانزیستور قدرت خارجی (Pass Transistor)، می‌توان رگولاتورهای ولتاژ خطی با قابلیت جریان‌دهی بسیار بالاتر از 100mA (که محدودیت خود TL431 است) ساخت.¹

7. نکات تکمیلی و ملاحظات طراحی

مقایسه TL431 با دیود زنر

TL431 اغلب به عنوان جایگزینی برتر برای دیودهای زنر سنتی در نظر گرفته می‌شود، به ویژه در کاربردهایی که نیاز به دقت و قابلیت تنظیم ولتاژ وجود دارد.⁶ جدول ۴ به طور خلاصه این دو قطعه را مقایسه می‌کند:

Table 4: مقایسه TL431 با دیود زنر

به طور کلی، TL431 یک پیشرفت قابل توجه نسبت به دیودهای زنر سنتی برای کاربردهای رگولاسیون ولتاژ و ایجاد ولتاژ مرجع دقیق و پایدار محسوب می‌شود.

محاسبه اتلاف توان در TL431 و مقاومت سری

مدیریت حرارتی یک جنبه مهم در طراحی مدارهای با TL431 است، به ویژه در کاربردهایی که ولتاژ ورودی بالا است یا جریان شنت قابل توجهی از TL431 عبور می‌کند. اتلاف توان بیش از حد می‌تواند منجر به افزایش دمای قطعه، کاهش عمر مفید آن، یا حتی خرابی دائمی شود.¹¹

• اتلاف توان در TL431 (PTL431​): این توان از حاصلضرب ولتاژ دو سر کاتد-آند (VKA​، که همان VOUT​ است) در جریان عبوری از کاتد (IKA​) به دست می‌آید:
  PTL431​=VKA​×IKA​
  
  جریان IKA​ برابر است با جریان کل تأمین شده توسط مقاومت سری (IRSUP​) منهای جریانی که توسط بار مصرف می‌شود (ILOAD​): IKA​=IRSUP​−ILOAD​. بیشترین اتلاف توان در TL431 زمانی رخ می‌دهد که جریان بار در حداقل مقدار خود باشد (در این حالت، بیشترین جریان ممکن از طریق TL431 به زمین شنت می‌شود).
• اتلاف توان در مقاومت سری (PRSUP​): این توان را می‌توان از فرمول زیر محاسبه کرد:
  PRSUP​=(Vin​−VOUT​)2/RSUP​
  
  یا
  PRSUP​=(Vin​−VOUT​)×IRSUP​
  
  که IRSUP​ جریان کل عبوری از RSUP​ است (IRSUP​=IKA​+ILOAD​).

طراح باید اطمینان حاصل کند که اتلاف توان محاسبه شده برای TL431 و RSUP​ در بدترین شرایط کاری (مثلاً حداکثر ولتاژ ورودی، حداقل جریان بار برای TL431؛ و حداکثر جریان کل برای RSUP​) از حداکثر توان قابل تحمل توسط این قطعات (که در دیتاشیت آن‌ها مشخص شده) تجاوز نمی‌کند. به عنوان مثال، در یکی از دیتاشیت‌های TL431، حداکثر اتلاف توان مجاز برای پکیج‌های خاصی 770mW ذکر شده است.²⁰ در صورت لزوم، باید از هیت‌سینک مناسب برای TL431 (اگر پکیج آن اجازه دهد) یا از مقاومت سری با توان بالاتر استفاده شود.

نکات مهم در طراحی PCB

چیدمان صحیح قطعات بر روی برد مدار چاپی (PCB) برای عملکرد بهینه و پایدار مدارهای شامل TL431 اهمیت دارد ¹:

• خازن‌های بای‌پس: اگر از خازن‌های بای‌پس یا فیلترینگ استفاده می‌شود، باید تا حد امکان نزدیک به پایه‌های مربوطه TL431 (به ویژه کاتد و آند) قرار گیرند تا طول مسیرهای جریان به حداقل برسد و اثربخشی آن‌ها افزایش یابد.
• مسیرهای جریان: مسیرهای (Trace) روی PCB که جریان‌های قابل توجهی را حمل می‌کنند (مانند مسیرهای متصل به کاتد، آند و مقاومت سری RSUP​) باید دارای عرض مناسبی باشند تا از افت ولتاژ ناخواسته و گرم شدن بیش از حد جلوگیری شود. اگرچه جریان خود TL431 به 100mA محدود است، اما در کاربردهایی که با ترانزیستورهای قدرت خارجی ترکیب می‌شود، جریان‌های بسیار بزرگتری ممکن است در مدار وجود داشته باشد.
• اتصال زمین (آند): پایه آند TL431، که معمولاً به زمین متصل می‌شود، باید اتصال خوب، مستقیم و با امپدانس پایینی به صفحه زمین (Ground Plane) برد داشته باشد. این امر به پایداری و کاهش نویز کمک می‌کند.
• مقاومت‌های تقسیم ولتاژ: مقاومت‌های R1 و R2 که ولتاژ پایه REF را تنظیم می‌کنند، باید تا حد امکان نزدیک به پایه REF TL431 قرار گیرند. این کار به کاهش طول مسیر فیدبک کمک کرده و احتمال برداشت نویز توسط این مسیر حساس را کاهش می‌دهد.
• مثال چیدمان: دیتاشیت TL431 ¹ در شکل ۹-۱۶ مثالی از چیدمان PCB برای پکیج DBZ ارائه می‌دهد که می‌تواند به عنوان راهنما مورد استفاده قرار گیرد.

8. نتیجه‌گیری

آی‌سی TL431 یک رگولاتور شنت دقیق و قابل برنامه‌ریزی است که به دلیل تطبیق‌پذیری بالا، دقت قابل قبول، قابلیت تنظیم گسترده ولتاژ خروجی و قیمت مقرون‌به‌صرفه، به یکی از قطعات بسیار پرکاربرد در صنعت الکترونیک تبدیل شده است. توانایی آن در عملکرد به عنوان یک مرجع ولتاژ دقیق، رگولاتور ولتاژ، مقایسه‌گر و جزء کلیدی در مدارهای حفاظتی و منابع جریان، آن را به ابزاری قدرتمند و انعطاف‌پذیر در جعبه ابزار طراحان الکترونیک تبدیل کرده است. با درک صحیح اصول عملکرد، پارامترهای کلیدی و ملاحظات طراحی مرتبط با TL431، مهندسان و طراحان می‌توانند از قابلیت‌های این قطعه به طور موثر در طیف وسیعی از کاربردها، از منابع تغذیه ساده گرفته تا سیستم‌های کنترلی پیچیده، بهره‌مند شوند. پایداری دمایی خوب و امپدانس خروجی پایین از دیگر مزایای مهم این قطعه هستند که به عملکرد قابل اعتماد مدارهای مبتنی بر آن کمک شایانی می‌کنند.

Works cited

1. tl431.pdf
2. TL431 Shunt Regulator: Pinout, Applications, and Datasheet – Allelco, accessed June 10, 2025, https://www.allelcoelec.com/blog/TL431-Shunt-Regulator-Pinout,Applications,and-Datasheet.html
3. Harnessing the Power of TL431: Adjustable Shunt Regulator for Efficient Voltage Control, accessed June 10, 2025, https://www.ic-components.com/blog/harnessing-the-power-of-tl431-adjustable-shunt-regulator-for-efficient-voltage-control.jsp
4. Understanding the TL431: A Comprehensive Guide to Precision Shunt Regulators – Allelco, accessed June 10, 2025, https://www.allelcoelec.com/blog/understanding-the-tl431-a-comprehensive-guide-to-precision-shunt-regulators.html
5. TL431 – Wikipedia, accessed June 10, 2025, https://en.wikipedia.org/wiki/TL431
6. TL431 Precision High-Current Series Voltage Regulator – Electronics, accessed June 10, 2025, https://www.bristolwatch.com/ccs/TL431A2.htm
7. ترانزیستور یا آی سی tl431 چیست؟! روش کارکرد آن در مدارات – سریر تصویر, accessed June 10, 2025, https://sarirtasvir.ir/tl431/
8. Why is the TL431 considered highly stable? – Electrical Engineering Stack Exchange, accessed June 10, 2025, https://electronics.stackexchange.com/questions/732495/why-is-the-tl431-considered-highly-stable
9. آی سی زنر TL431 – شهر آیفون, accessed June 10, 2025, https://shahr-iphone.com/product/ic-tl431/
10. TL431 BIAS RESISTOR CALCULATION – Data converters forum – TI E2E, accessed June 10, 2025, https://e2e.ti.com/support/data-converters-group/data-converters/f/data-converters-forum/238800/tl431-bias-resistor-calculation
11. TL431: How to calculate power of series resistor – TI E2E – Texas Instruments, accessed June 10, 2025, https://e2e.ti.com/support/power-management-group/power-management/f/power-management-forum/1501982/tl431-how-to-calculate-power-of-series-resistor
12. Designing with the TL431 – Ridley Engineering, accessed June 10, 2025, https://ridleyengineering.com/images/pdf-design_center/15%20designing%20with%20the%20tl431.pdf
13. Using the TL431 in a Power Supply, accessed June 10, 2025, http://u.dianyuan.com/bbs/u/70/1360651225251168.pdf
14. TL 431 Shunt Regulator. Design Note 11 – Hobby Projects – WordPress.com, accessed June 10, 2025, https://dmohankumar.wordpress.com/2015/03/08/tl-431-shunt-regulator-design-note-11/
15. Basic crowbar circuit – Axotron, accessed June 10, 2025, https://axotron.se/index_en.php?page=26
16. Crowbar Circuit Using TRIAC and TL431 Precision Programmable Reference, accessed June 10, 2025, https://www.electronics-lab.com/project/crowbar-circuit-using-triac-and-tl431-precision-programmable-reference/
17. TL431A Constant Current Source Working Circuits Demo – Electronics, accessed June 10, 2025, https://www.bristolwatch.com/ccs/tl431_ccs2.htm
18. roel arits electronics hobby shack – Constant current sources – Google Sites, accessed June 10, 2025, https://sites.google.com/site/roelarits/home/articles/current-related-topics/current-sources-1
19. TL431 Circuits: Applications and Design Tips – OURPCB, accessed June 10, 2025, https://www.ourpcb.com/tl431-circuits.html
20. TL431/TL431A Programmable Shunt Regulator, accessed June 10, 2025, https://sear.unisq.edu.au/501/2/TL431A.pdf
21. Power TL431 Constant Current Source Circuits – Electronics, accessed June 10, 2025, https://www.bristolwatch.com/ccs/tl431_ccs3.htm