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Texas Instruments TL431

TL431

Der TL431 ist eine von Texas Instruments entwickelte und sehr weit verbreitete Referenzspannungsquelle. Es könnte sein, dass der TL431 und seine Varianten mittlerweile sogar öfter verkauft wurden als der berühmte Timerbaustein NE555. Ein typischer Anwendungsfall ist die Referenzspannungserzeugung in Netzteilen. Der integrierte Verstärker ermöglicht es dort mit sehr wenigen Bauelementen auszukommen.

Der hier vorliegende TL431 stammt aus dem Jahr 1986. Das I am Ende der Bezeichnung steht für die Sortierung mit dem größeren Temperaturdrift von typischerweise 14mV. Es sind außerdem Varianten verfügbar, die hinter diesem Buchstaben einen weiteren Buchstaben tragen und verschiedene initiale Toleranzen bieten. Die beste Sortierung weist eine Genauigkeit von 0,2% auf und driftet über den Betriebstemperaturbereich typischerweise um 6mV.

 

TL431 Datenblatt Applikation

Der TL431 ist ein Shunt-Regler. Das Datenblatt zeigt typische Einsatzmöglichkeiten. Verbindet man den REF-Eingang mit dem Kathoden-Anschluss, so arbeitet der Baustein ähnlich einer Z-Diode, was auch das Symbol des TL431 erklärt. Die sich einstellende Referenzspannung beträgt 2,5V. Mit einem Spannungsteiler am REF-Eingang kann man jede beliebige Referenzspannung bis zu 36V einstellen.

 

TL431 Datenblatt Blockschaltbild

Das Blockschaltbild im Datenblatt stellt den grundsätzlichen Aufbau des TL431 dar. Zwischen Kathode und Anode befindet sich der Shuntregler, der mit einer Freilaufdiode vor negativen Spannungen geschützt wird. Ein Operationsverstärker bildet den Regler, der die Spannung am REF-Eingang mit einer internen Referenzspannung vergleicht und entsprechend den Leistungstransistor aussteuert.

 

TL431 Datenblatt Schaltplan

Neben dem Blockschaltbild enthält das Datenblatt auch einen Schaltplan, der hier farbig hinterlegt und mit zusätzlichen Bezeichnungen für die Transistoren und Dioden versehen wurde.

Kern der Schaltung ist eine Bandgap-Referenz, die ungefähr der Referenz im TDB7805 entspricht. Ziel einer Bandgap-Referenz ist es, den negativen Temperaturkoeffizienten der Flussspannung eines pn-Übergangs mit einem positiven Temperaturkoeffizienten zu kompensieren. Dazu nutzt man die Temperaturspannung, die jeder pn-Übergang zusätzlich beinhaltet. Dessen kleiner positiver Temperaturkoeffizient wird normalerweise vom größeren negativen Temperaturkoeffizienten der Flussspannung überkompensiert.

Der rote Bereich generiert die Spannung mit dem positiven Temperaturkoeffizienten. Dazu sind die Transistoren T3/T4, die als Stromspiegel arbeiten, unterschiedlich groß ausgeführt. In den beiden Zweigen würden sich so unterschiedliche Ströme einstellen. Der 800Ω-Widerstand sorgt dafür, dass dennoch gleich große Ströme fließen. In der Schleife T3/T4/800Ω heben sich die negativen Temperaturkoeffizienten der beiden Flussspannungen auf. Am 800Ω-Widerstand fällt die Differenz der beiden Flussspannungen ab, die sich durch die unterschiedlichen Stromdichten einstellt. Diese Spannung besitzt weiterhin den positiven Temperaturkoeffizienten, der sich aus der Temperaturspannung der pn-Übergänge ergibt. Der 800Ω-Widerstand erzeugt daraus einen Strom mit einem positiven Temperaturkoeffizienten, der in der Folge auch durch den 7,2kΩ-Widerstand fließt. Der dortige Spannungsabfall stellt dann einen Teil der Referenzspannung dar. Das Widerstandsverhältnis 7,2kΩ/800Ω verstärkt den kleinen positiven Temperaturkoeffizienten und definiert so dessen Anteil an der Referenzspannung.

Die Basis-Emitter-Strecke des Transistors T5 (dunkelrot) liefert den negativen Temperaturkoeffizienten der Referenzspannung und stellt gleichzeitig den Steuerausgang dar. Steigt die Spannung am Eingang der Bandgap-Referenz, so wird der Transistor T5 weiter aufgesteuert. Der 3,28kΩ-Widerstand in der Zuleitung zur Bandgap-Referenz dient der Arbeitspunkteinstellung (lila). Der 20pF-Kondensator begrenzt die Bandbreite und verhindert so Oszillationen.

Der türkise Bereich ist die Schnittstelle zwischen der Bandgap-Referenz und der Endstufe. Der Transistor T6 stellt mit T5 eine Kaskodenschaltung dar. So ist T5 vor Potentialänderungen an seinem Kollektor geschützt. Der Stromspiegel T7/T8 kopiert den Strom von T5 in Richtung der Endstufe und steuert diese so aus, dass sich die Spannung zwischen Kathode und Anode des TL431 auf das gewünschte Niveau einstellt. Der Transistor T9 (grün) definiert als Stromsenke den Arbeitspunkt des Transistors T8.

Die Endstufe (blau) ist mit zwei Transistoren in Darlington-Schaltung aufgebaut. Ein weiterer 20pF-Kondensator begrenzt auch hier die Bandbreite. Die Diode D2 schützt die Schaltung vor negativen Spannungen. Die Notwendigkeit von D1 erschießt sich nicht.

Der Transistor T1 (gelb) reduziert den Strom, den der TL431 über den REF-Eingang aufnimmt, so dass ein eventuell vorhandener externe Spannungsteiler weniger belastet wird. Der Transistor T2 sorgt bei Spannungseinbrüchen am Eingang dafür, dass die Aussteuerung der Endstufe schneller zurückgenommen wird. Dazu überbrückt die Diode den eigentlichen Regelkreis.

 

TL431 Die

TL431 Die

Die Abmessungen des Dies betragen 1,2mm x 1,0mm. Im unteren Bereich ist die Bezeichnung TL431 abgebildet. Es finden sich keinerlei Abgleichmöglichkeiten. Am Kathoden-Potential wurde lediglich ein Testpad integriert.

 

TL431 Die Analyse

Auf dem Die ist die Bandgap-Referenz im linken Bereich angeordnet. Der Transistor T4 ist auf zwei Transistoren aufgeteilt und um den Transistor T3 integriert. Das erzeugt das notwendige Flächenverhältnis und garantiert eine möglichst gleiche Temperatur der beiden Transistoren.

Der eigentliche Shuntregler befindet sich im rechten Bereich. Das größte Element ist der Endstufentransistor an der rechten Kante. Nicht direkt sichtbar sind die Diode D1 und D2. Anscheinend handelt es sich lediglich um die parasitären Dioden, die sich zwischen dem p-dotierten Substrat und dem n-dotierten Kollektorbereich eines jeden NPN-Transistors ausbilden, in diesem Fall bei T9 und T11.

 

TL431 Die Analyse

An der linken Kante des Dies werden die Widerstände mit den Werten 2,4kΩ, 7,2kΩ, 800Ω und 3,28kΩ durch sehr viele kleine Widerstandselemente dargestellt. Zum besseren Verständnis sind diese hier unterschiedlich eingefärbt. Es handelt sich um eine komplex erscheinende Reihen- und Parallelschaltung. Das Netzwerk hat höchstwahrscheinlich zwei Aufgaben. Zum einen sorgt die Verflechtung für möglichst gleiche Temperaturen und reduziert so Temperaturdrifts. Zum anderen kann man über eine Modifikation der Metalllage die Verschaltung und damit die Widerstandswerte ändern. An einigen Widerständen sind die Kontakte sehr breit ausgeführt, so dass man für kleinere Anpassungen auch nur die Durchkontaktierungen verschieben kann.

 

TL431 Die Kondensatoren

Die beiden 20pF-Kondensatoren sind auffällig unterschiedlich aufgebaut. Das liegt daran, dass die Kapazität beim Darlington-Transistor T10/T11 (links) als klassischer Kondensator aufgebaut ist, während die Kapazität in der Bandgap-Referenz (rechts) über eine pn-Struktur dargestellt wird.

Beim klassischen Kondensator sind die Elektroden die Metallfläche und die darunter liegende n-dotierte Fläche. Dazwischen befindet sich üblicherweise eine möglichst dünne Oxidschicht, um eine hohe Kapazität pro Flächeneinheit darstellen zu können.

Bei der pn-Struktur nutzt man aus, dass deren Sperrschichten sehr dünn sind, was eine deutlich höhere Kapazität pro Flächeneinheit ermöglicht. Allerdings muss man die Spannungsfestigkeiten der Sperrschichten beachten, weswegen man diese Art Kondensator nicht überall einsetzen kann.

 

TL431 Die Kondensatoren

Im Detail kann man den Aufbau des pn-Kondensators erkennen. Bei der Zuordnung der Flächen und Strukturen ist ein Vergleich mit einem normalen NPN-Transistor (hier oben links) hilfreich.

Das obere Potential ist mit der rot erscheinenden Basisfläche verbunden. Das untere Potential kontaktiert nicht nur Emitterflächen, sondern auch den Kollektorbereich. So lassen sich sowohl die Basis-Emitter-Sperrschicht, als auch die Basis-Kollektor-Sperrschicht als Kapazität nutzen. Beide Sperrschichten müssen dafür selbstverständlich in Sperrrichtung betrieben werden. Die Basis-Emitter-Sperrschicht definiert dabei die maximal zulässige Spannung, die je nach Dotierung üblicherweise im kleinen einstelligen Voltbereich liegt.

Es ist schön zu sehen, dass es sich nicht um einen vollflächigen Emitter handelt, sondern um drei einzelne Bereiche. Durch eine Anpassung der Flächen oder dem vollständigen Abtrennen einer Fläche kann man so die wirksame Kapazität ändern.

Die Kontur im Kollektorbereich ist die niederohmige Kollektorzuleitung ("buried collector"). Fraglich bleibt welchen Hintergrund die Kontur in der Basisfläche hat. Sie befindet sich in dem Bereich, in dem die Basis- und Emitterflächen übereinander liegen, spart allerdings die Kontaktbereiche aus.

 

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