TL431 en tant que régulateurs shunt

Circuits Divers / Various Circuits

Expérimentons avec le circuit TL431 au lieu du régulateur à diode Zener.

Avez-vous déjà utilisé une diode Zener ?

Ce circuit intégré fonctionne de la même manière, mais il est plus efficace, plus facile à utiliser et moins cher.

C’est pourquoi on le retrouve souvent dans de nombreux circuits courants.

Qu'est-ce qu'un régulateur shunt TL431 ?

Il s'agit d'un circuit intégré régulateur shunt de précision programmable à trois bornes.

Le TL431A possède une tension de référence (Vref) programmable de 2,5 V à 36 V avec seulement deux résistances externes.

Ces composants permettent d'ajuster une large plage de courant de fonctionnement de 1,0 mA à 100 mA avec une impédance dynamique typique de 0,22 Ω.

Il présente une stabilité thermique sur la plage de températures applicable, une tension d'entrée de référence de 2,520 V, une tension de sortie jusqu'à 40 V et une tolérance de 1 %.

Lorsque la tension Vref atteint 2,5 V, son circuit de sortie présente une commutation rapide, ce qui en fait une excellente alternative aux diodes Zener dans de nombreuses applications.

Caractéristiques du TL431

● Tension de sortie programmable jusqu'à 40 V

● Tolérance de tension de référence garantie à 0,5 %

● Faible impédance de sortie dynamique (0,2 Ω typ.)

● Plage de courant de cathode (continu) : 100 à 150 mA

● Coefficient de température équivalent sur toute la plage :

● 50 ppm/°C

● Compensation de température pour un fonctionnement sur toute la plage de températures nominales

● Faible tension de bruit de sortie

● Temps de réponse rapide à l'allumage

● Boîtier 3L TO-92, SOT-89 ou SOT-23

À quoi sert-il ?

● Régulateur shunt

● Régulateur série haute intensité de précision

● Régulateur shunt haute intensité

● Circuit de protection contre les surtensions

● Convertisseur PWM avec référence

● Moniteur de tension

● Limiteur de courant de précision

On trouve souvent le TL431 dans les alimentations à découpage, les chargeurs de batterie, les convertisseurs numériques de tension, etc.

Brochage du TL431

Examinons la forme du boîtier TO-92.

Grâce à sa simplicité d'utilisation, son format similaire à celui d'un transistor 2N3904, le brochage du TL431 est présenté ci-dessous.

En observant la face avant et les broches du TL431 :

● Au centre se trouve l’anode, représentée par la lettre A.

● À gauche se trouve la référence, représentée par la lettre R.

● À droite se trouve la cathode, représentée par la lettre K.

Par la suite, nous les désignerons par leurs abréviations R, K et A.

Ensuite, examinez le schéma fonctionnel simplifié.

Il semble que le TL431 contienne de nombreux composants, notamment un amplificateur opérationnel comparateur, une tension de référence, des transistors, etc. Il présente donc un rendement supérieur à celui d'une diode Zener.

Expérimentez avec le circuit TL431.

Nous sommes convaincus que l'apprentissage par l'expérimentation favorise une meilleure compréhension.

On peut l'utiliser comme régulateur linéaire de différentes manières, par exemple :

Fonctionnement du TL431 comme régulateur à diode Zener fixe

Commencez par essayer le circuit régulateur de tension shunt de base.

Fonctionnement du TL431 en tant que régulateur à diode Zener fixe

Semblable à un régulateur à diode Zener, la résistance R est connectée à K.

Sa stabilité en température est supérieure à celle d'une diode Zener. Il convient de choisir les valeurs de la résistance R1 afin de limiter le courant Ik entre 20 mA et 40 mA.

Le courant électrique circule à travers R1 et le TL431 vers la masse.

Le TL431 maintient une tension fixe de 2,5 V à ses bornes.

Le courant de sortie est presque égal à IR1 (courant traversant R1), car IK (courant traversant IC) est très faible.

On peut facilement calculer IR1 ou Iout.

IR1 = (Vin – Vout) / R1

IR1 = (12 V – 2,5 V) / 330 Ω = 0,0287 A

Mode régulateur Zener à tension variable

Pour obtenir une sortie de 3 V, on utilise un diviseur de tension avec R1 et R2, afin de comparer la tension entre la référence et la sortie.

On peut déterminer la tension de sortie à partir de :

Vout = (1 + R1/R2) * Vref

= (1+(10K/39K)) * 2,5V = 3,141 V

Réglage de la tension de sortie du TL431 avec les résistances diviseuses R1 et R2.

La tension de sortie mesurée est de 3,06 V.

Régulateur shunt 5 V utilisant un TL431.

Pour obtenir une sortie de 5 V, il faut remplacer R1 et R2 par 10 kΩ.

Voir le schéma ci-dessous.

La tension de sortie est de 5 V.

Le courant de sortie dépend de la tension d'entrée (Vin).

Vin est comprise entre 11 V et 18 V.

Par exemple, pour une tension d'entrée de 12 V,

Iout = (Vin – VK) / R1 = (12 - 5 V) * 330 = 21 mA.

Si Vin est de 18 V, Iout passera à 39 mA.

Les condensateurs C1, C2 et C3 servent à filtrer la tension continue et à maintenir un faible niveau de bruit et d'ondulation.

Pour obtenir d'autres tensions, il est possible de modifier les valeurs de R2 et R3 selon la formule ci-dessus.

R2 = R1 / ((Vout / Vref) -1)

Pour R1 = 10 k et Vref = 2,5V

R2 = 10 / ((Vout / 2,5) -1)

Circuit régulateur ajustable utilisant le TL431

Pour certaines tensions de sortie, il est difficile de trouver des valeurs appropriées pour R1 et R2.

Il est donc nécessaire d'utiliser un potentiomètre.

Dans le circuit ci-dessous, un potentiomètre de 100 kΩ est utilisé pour ajuster la tension de référence.

Pour une sortie de 5 V, positionnez VR1 approximativement au centre.

Ce circuit intégré est donc plus performant qu'une diode Zener pour obtenir une tension de référence variable et stable.

Régulateur série à transistor de puissance

En général, le TL431 ne fournit qu'un courant inférieur à 100 mA.

Cependant, si un courant plus élevé est nécessaire (500 mA, 1 A, 3 A, etc.), on peut utiliser un transistor de puissance en série pour augmenter le courant, transformant ainsi le régulateur shunt en régulateur série.

Dans le circuit ci-dessous, la tension de sortie est de 5 V pour un courant d'environ 0,5 A.

Calculons maintenant les valeurs des composants.

Q1 : Nous choisissons le transistor NPN BD139, 1,5 A, 80 V. Il est adapté à cette application et son gain hFE est de 100 %.

En raison de la chute de tension d'environ 0,6 V entre la borne inférieure et la borne supérieure du transistor Q1, la tension de base (VB) doit être décalée d'environ 0,6 V.

Par exemple, pour une tension de sortie de 5 V, la tension de base doit être de 5,6 V.

R1 :

Le courant traversant R1 est le courant de base (IB) de Q1.

Comme le courant traversant K-A de IC1 est très faible, nous ne considérons que IB.

Cependant, IB ne doit pas dépasser 40 mA. IB = IC/hFE

On sait que IC = Iout = 0,5 A et hFE = 100.

Donc, IB = 0,5 A / 100

= 5 mA

R1 = (Vin - VB)/IB

On sait que Vin = 12 V, VB = 5,6 V et IB = 5 mA.

Donc, R3 = (12 V - 5,6 V)/5 mA

= 1,28 kΩ

Mais on choisit une résistance de 1 kΩ. Le courant IB augmente donc à environ 7 mA.

R2, R3

On choisit des résistances R2 = 10 kΩ et R3 = 10 kΩ.

Ensuite, on calcule la tension de sortie. Vout = 1 + (R1/R2) * Vref

D'après : R1, R2 = 10 kΩ, Vref = 2,5 V

Donc, Vout = 1 + (10 kΩ/10 kΩ) * 2,5 V

Vout = 5 V

Testez ensuite ce circuit sur une plaque d'essai et mesurez la tension : elle est d'environ 5 V.

Connectez ensuite une résistance de 10 Ω et 10 W comme charge et mesurez le courant qui la traverse : elle devrait consommer environ 0,5 A.

Pour avoir un tension légèrement supérieur à 5V augmentez la valeur de R2.

Pour obtenir un courant de sortie de 1 A, vous pouvez réduire la valeur de R1, par exemple à 470 Ω ou 330 Ω.

Cependant, sa valeur ne doit pas être inférieure à 330 Ω, sous peine d'un courant trop élevé traversant le TL431.

Pour un courant supérieur à 1 A, mais inférieur à 2 A, vous pouvez remplacer le transistor Q1 par un TIP41 ou un 2N3055.

En revanche, pour un courant supérieur à 3 A, il est préférable d'utiliser un transistor Darlington comme un TIP31 ou un TIP122 pour 5A.

Circuit de détection de tension 2,5 V utilisant le TL431

Vérification de son état

Nous avons récupéré ce circuit intégré sur une ancienne carte de circuit imprimé. Cependant, nous ne sommes pas certains de son état de fonctionnement.

Un multimètre classique ne permet pas de le tester. Nous pouvons néanmoins l'utiliser pour créer un circuit très simple afin de déterminer s'il fonctionne.

Ce circuit très simple est un détecteur de tension de 2,5 V.

Son principe de base est simple :

lorsqu'une tension dépasse 2,5 V aux bornes de la résistance R, un courant circule entre la clé K et le transistor A du circuit intégré, de manière similaire au fonctionnement d'une diode Zener classique.

Le courant circule à travers R1 et VR1 vers la masse ; il s’agit du circuit diviseur de tension.

On mesure la tension entre R et la masse.

Au départ, VR1 est réglé au minimum, ce qui signifie que la tension est également minimale.

Simultanément, la LED s'éteint.

Ensuite, en ajustant VR1, la tension augmente à 2,5 V.

Le courant peut alors circuler de K à A, ce qui allume la LED1.

R2 limite le courant de la LED1.

Circuit détecteur de tension logique

Ce circuit permet de détecter un état logique dans un circuit numérique avec un nombre réduit de composants, ne comportant que deux parties.

Il nécessite une alimentation de 5 V.

Lorsque le niveau logique d'entrée est bas, la tension de sortie est de 5 V.

En revanche, si le niveau logique d'entrée est haut, la tension de sortie est de 1,8 V.