基于精密电压调节器TL431的三种应用电路的设计与实现

　　介绍了三种精密电压调节器TL431的应用电路：不平衡直流电桥输出信号的稳定和线性化电路，恒流源电路，4～20mA/0～5V电流电压转换电路。分析了电路工作原理，给出了电路设计方法。所设计的电路简单、新颖、实用。可广泛用于模拟电子电路，特别是传感器的信号调理电路中。由于采用了精密电压调节器TL431做基准电压源，因此电路精度高，稳定性能好。

　　1、TL431简介

　　TL431是精密电压调节器，利用两只外部电阻可设定2.5～36V范围内的任何基准电压值。其电压温度系数很小，为30×10-6℃，动态阻抗低，典型值为0.2Ψ。TL431的等效电路如图1所示。图中A为阳极，使用时需接地，K为阴极，需经限流电阻接正电源;VREF是输出电压U的设定端，外接电阻分压器。其中误差放大器A同相输入端接从电阻分压器得到的取样电压，反相输入端则接内部2.5V基准电压UREF，VREF端的电压常态下应为2.5V，因此也称基准端。晶体管VT在电路中起到调节负载电流的作用。

　　

　　图1  TL431等效电路

　　TL431性能优良，价格低廉，现广泛用于开关电源或线性稳压电源中，本文用TL431构成输出稳定和线性化的电桥电路、精密恒流源电路、IV转换电路。

　　2、电桥输出信号的稳定和线性化电路

　

　　图2   不平衡直流电桥电路

　　传感器的信号调理电路经常要用到单臂不平衡直流电桥，如图2（a）所示［2］。某一非电量，例如压力或温度引起桥臂电阻变化ΔR，电桥失去平衡，产生输出电压ΔU0，通过测量该不平衡输出电压可以求得ΔR，从而求出非电量的大小。图2（a）中ΔU0为：

　　

　　由于电桥输出ΔU0与ΔR是非线性关系，需作线性化处理。在测控技术中通常的硬件处理办法是增加非线性校正电路，结果使信号调理电路变得很复杂。图2（b）所示电路，利用TL431设计了线性化的不平衡直流电桥，很简单地解决了非线性的问题。图2（b）中ΔU0为

　　

　　可见电桥输出ΔU0与ΔR成线性关系。从上式还可以看到输出与供桥电压无关，供桥电压的变化不会影响输出电压。也即，电桥采用四线制长电缆的长短、导线周围的环境温度以及供桥电压的变化不会影响电桥的输出。因此图2（b）所示电桥电路输出电压稳定，并且实现了线性化输出。

　　3、恒流源电路

　　

　　图3  恒流源电路

　　恒流源是模拟集成电路中广泛使用的一种单元电路，传感器的信号调理电路也经常要用到恒流源。采用TL431可以构成精密恒流源电路。电路如图3所示。输出电流为

　　

　　式中β为三极管的电流放大倍数。应选取β较大的三极管，例如9015，其β约为150，也可以选用复合管。β值越大，温漂系数越小，恒流值越稳定。运放A应选用高输入阻抗的运算放大器，例如CA3140。

　　4、IV转换电路

　　在计算机自动测控系统的设计中，经常选用具有一定功能的电动组合单元作为系统的一部分，对于电动组合单元DDZ-Ⅲ型，其输出信号的标准为4～20mADC。而一般单片机应用系统信号输出只是电压信号，它能处理的也只有电压信号，因此需要电流电压转换。

　　图4为采用TL431设计的4～20mA0～5V电流电压转换电路。该电路设计思路如下：

　　

　　图4   4～20mA/0～5V转换电路

　　首先4～20mA电流经过电阻x变为（4～20mA）x的电压，再减去基准电压y，得到输出电压UO=（4～20mA）x（kΨ）-y（V）。因为4mA电流对应输出电压0V，20mA电流对应输出电压5V，所以

　

　　解上述两个方程，得到x=5/16kΨ，y=5/4V

　　于是输出电压U0=（4～20mA）×5/16（kΨ）-5/4（V）

　　图4中U0=（4～20mA）R（1+Rf/R1）-Rf/R1*VREF=（4～20mA）R×1.5-0.5×2.5，式中R=（5/16）/1.5=208.33Ψ，R采用200Ψ固定电阻和10Ψ微调电阻串联。

　　5、结束语

　　本文采用TL431设计了输出电压稳定的线性不平衡电桥、精密恒流源和IV转换电路，电路结构设计简单、新颖、实用，可广泛用于模拟电子电路，特别是传感器的信号调理电路中。由于精密电压调节器TL431在电路中做基准电压，因此电路精度高，稳定性能好。