TL431 Régulateur Tension Programmable

TL431..

Le TL431 est un régulateur de tension programmable largement utilisé dans les applications électroniques pour la régulation de tension, la surveillance de tension, et comme référence de tension précise.

TL431 Régulateur Tension Programmable
TL431 Régulateur Tension Programmable
Ce composant, fabriqué par plusieurs sociétés telles que Texas Instruments, ON Semiconductor, et STMicroelectronics, est apprécié pour sa simplicité, sa polyvalence et son coût réduit.

Fonctionnement de Base

Le TL431 est essentiellement une source de tension de référence ajustable. Il fonctionne comme un shunt régulateur, ce qui signifie qu'il peut maintenir une tension constante à ses bornes en déviant le courant excédentaire.
Le TL431 est souvent comparé à une diode Zener, mais avec une précision et une flexibilité bien supérieures.
  • Brochage
Le TL431 est généralement disponible en boîtier TO-92, SOT-23, ou SO-8. Il possède trois broches :
1. Anode (A) : Connectée à la masse (GND).
2. Cathode (K) : Connectée à la tension d'alimentation via une résistance de limitation de courant.
3. Référence (Ref) : Utilisée pour ajuster la tension de sortie.
  • Principe de Fonctionnement
Le TL431 contient un amplificateur d'erreur interne et une référence de tension précise de 2,5 V. La tension de sortie est déterminée par un diviseur de tension externe connecté à la broche de référence. Lorsque la tension sur la broche de référence dépasse 2,5 V, le TL431 commence à conduire, régulant ainsi la tension de sortie.
  • Caractéristiques Techniques
- Tension de Référence (Vref) : 2,5 V typique.
- Plage de Tension de Sortie : De 2,5 V à 36 V.
- Courant de Cathode (Ik) : De 1 mA à 100 mA.
- Précision de la Tension de Référence : ±1% à ±2%.
- Température de Fonctionnement : De -40°C à +125°C.

L'intérieur de TL431

Schéma 1
L'intérieur de TL431
L'intérieur de TL431
Ce schéma représente l'intérieur de régulateur de tension programmable TL431, qui est un composant de référence de tension.
  • Fonctionnement général
Le TL431 fournit une tension de référence précise réglable entre 2,5 V et 36 V. Il agit comme une diode Zener programmable avec une meilleure précision et une meilleure stabilité thermique.

Description des parties du circuit :

1. Amplificateur différentiel (entrée REF) :
   - La tension appliquée sur la broche REF est comparée avec une tension interne de référence (2,5 V).
   - Si la tension REF dépasse 2,5 V, le circuit s'active et régule la tension entre la cathode et l'anode.

2. Comparateur :
   - Les transistors différentiels et les résistances associées assurent la comparaison entre la tension REF et la référence interne.
   - Le réseau de résistances (3.28 kΩ, 7.2 kΩ, 2.4 kΩ) est utilisé pour ajuster la précision de la référence.

3. Amplification :
   - Le signal est amplifié par plusieurs étages de transistors, ce qui permet de contrôler précisément le courant de sortie.

4. Compensation de fréquence :
   - Les condensateurs de 20 pF assurent la stabilité du circuit et empêchent les oscillations.

5. Sortie :
   - Le transistor final agit comme un interrupteur pour contrôler le courant qui traverse la cathode (sortie).

Principe de régulation
- Si VREF  <  2.5 V, la sortie (cathode) est bloquée.
- Si VREF > 2.5 V, le transistor de sortie se met à conduire, régulant la tension à travers la charge.

Schéma 2
l'intérieur régulateur programmable TL431
l'intérieur régulateur programmable TL431
Explication :
- Amplificateur opérationnel intégré : Il sert de référence de tension réglable entre 2,5V et 36V.
- Diodes : Protègent contre les surtensions ou assurent la polarisation correcte.
- Transistor : Il amplifie le courant ou contrôle la sortie.

Fonctionnement :
1. La tension de référence interne est de 2,5V (broche référence).
2. La tension de sortie est ajustable avec un diviseur résistif externe.
3. L'ampli-op interne compare la tension de référence avec la tension appliquée à la broche de référence, et ajuste la sortie en conséquence.
Si la tension sur la broche R est inférieure à 2,5 V, l'ampli-op baisse le courant de la cathode (C) → La sortie chute.
Si la tension sur la broche R est supérieure à 2,5 V, l'ampli-op augmente le courant de la cathode → La sortie monte pour maintenir l'équilibre.

Types de Boîtiers TL431

Types de Boîtiers TL431
Types de Boîtiers TL431
Boîtier TO-92
Description : Le boîtier TO-92 est un boîtier plastique traversant (through-hole) couramment utilisé pour les composants discrets de faible puissance.
- Forme : Petit boîtier cylindrique avec trois broches.
Brochage :
   - Broche 1 : Référence (Ref)
   - Broche 2 : Anode (A)
   - Broche 3 : Cathode (K)
Boîtier SOT-23
Description : Le boîtier SOT-23 est un boîtier surface mount (SMD) très compact, adapté aux circuits imprimés modernes à haute densité.
Forme : Petit boîtier rectangulaire avec trois broches.
Brochage :
   - Broche 1 : Cathode (K)
   - Broche 2 : Référence (Ref)
   - Broche 3 : Anode (A)
Boîtier SO-8
Description : Le boîtier SO-8 est un boîtier surface mount (SMD) avec huit broches, bien que le TL431 n'utilise que trois broches dans ce boîtier.
Forme : Boîtier rectangulaire avec huit broches.
Brochage :
   - Broche 1 : Référence (Ref)
   - Broche 2 : Anode (A)
   - Broche 3 : Cathode (K)
   - Les autres broches sont souvent non connectées (NC).
Boîtier DPAK (TO-252)
Description : Le boîtier DPAK (ou TO-252) est un boîtier surface mount conçu pour une meilleure dissipation thermique.
Forme : Boîtier rectangulaire avec trois broches et une grande patte de dissipation thermique.
Brochage :
   - Broche 1 : Référence (Ref)
   - Broche 2 : Anode (A)
   - Broche 3 : Cathode (K)
Boîtier TO-220
Description : Le boîtier TO-220 est un boîtier traversant conçu pour les applications de puissance moyenne à élevée.
Forme : Boîtier rectangulaire avec trois broches et une patte de fixation pour un dissipateur thermique.
Brochage :
   - Broche 1 : Référence (Ref)
   - Broche 2 : Anode (A)
   - Broche 3 : Cathode (K)

Choix du Boîtier
Le choix du boîtier dépend de plusieurs facteurs :
1. Espace Disponible : Pour les circuits compacts, privilégiez les boîtiers SMD comme le SOT-23 ou le SO-8.
2. Dissipation Thermique : Pour les applications de puissance, choisissez des boîtiers comme le DPAK ou le TO-220.
3. Méthode d'Assemblage : Pour le prototypage ou les montages manuels, le TO-92 est idéal. Pour la production en série, les boîtiers SMD sont préférés.

Le TL431dans la boucle de rétroaction alimentations à découpage

Les alimentations à découpage (switching power supplies) sont des circuits qui convertissent une tension d'entrée (220VAC) en une tension de sortie stable et régulée (par exemple, 5VDC ou 12VDC). Elles sont largement utilisées dans les appareils électroniques modernes en raison de leur efficacité énergétique élevée et de leur capacité à gérer une large plage de tensions d'entrée.
Pour garantir que la tension de sortie reste stable et précise, ces alimentations utilisent une boucle de rétroaction (feedback loop). C'est ici que le TL431 joue un rôle clé.

Rôle du TL431 dans la Boucle de Rétroaction

Le TL431 est utilisé comme référence de tension précise et comme amplificateur d'erreur dans la boucle de rétroaction. Voici comment il fonctionne dans ce contexte :

1. Surveillance de la Tension de Sortie :
   - La tension de sortie de l'alimentation à découpage est mesurée à l'aide d'un diviseur de tension (composé de deux résistances, R1 et R2).
   - Ce diviseur de tension réduit la tension de sortie à une valeur comparable à la tension de référence interne du TL431 (2,5 V).

2. Comparaison avec la Référence :
   - La tension réduite est appliquée à la broche de référence (Ref) du TL431.
   - Le TL431 compare cette tension à sa référence interne de 2,5 V.
   👉 Si la tension mesurée est supérieure à 2,5 V, le TL431 commence à conduire, ce qui indique que la tension de sortie est trop élevée.
   👉 Si la tension mesurée est inférieure à 2,5 V, le TL431 réduit sa conduction, indiquant que la tension de sortie est trop basse.

3. Correction de la Tension de Sortie :
   - Le TL431 agit sur la boucle de rétroaction en ajustant le courant qui traverse un optocoupleur (un composant qui isole électriquement la partie haute tension de la partie basse tension).
   - L'optocoupleur transmet ce signal au contrôleur de l'alimentation à découpage (généralement un circuit intégré dédié, comme un UC3842 ou un LM2596).
   - Le contrôleur ajuste alors le rapport cyclique (duty cycle) du signal de découpage (PWM) pour corriger la tension de sortie.

Schéma de Fonctionnement dans une Alimentation à Découpage

Boucle de régulation avec TL431
Boucle de régulation avec TL431
Ce schéma représente la boucle de régulation d'une alimentation à découpage avec un optocoupleur et une référence de tension TL431.

Rôle de Chaque Composant

  • TL431 Référence de tension programmable pour la régulation.
  • PC817 Optocoupleur assurant l'isolation galvanique entre la partie haute tension et la basse tension.
  • R1- R2 Pont diviseur de tension pour prélever une fraction de la tension de sortie.
  • R (330Ω) Limite le courant dans la LED de l'optocoupleur.
  • C (100nF) Filtrage pour améliorer la stabilité de la boucle de régulation.
  • Cp (1nF) Compensation pour éviter les oscillations.
  • Rs Résistance de charge pour la détection de la tension.

Principe de Fonctionnement

Ce montage permet de réguler la tension de sortie d'une alimentation à découpage en utilisant une boucle de rétroaction optique.
  • Comment ça fonctionne ?
1. Détection de la Tension de Sortie :
   - La tension de sortie (VS) est divisée par un pont diviseur de tension (R1, R2).
   - La tension prélevée est appliquée à l'entrée de la référence programmable TL431.

2. Comparaison avec la Référence :
   - Le TL431 compare la tension prélevée avec sa tension de référence interne (2,5V).
   - Si la tension est supérieure à la valeur de référence, le TL431 conduit.

3. Commande de l'Optocoupleur :
   - Lorsque le TL431 conduit, il alimente la LED de l'optocoupleur (PC817).
   - La lumière émise par la LED active la photodiode intégrée dans l'optocoupleur, permettant d'envoyer un signal isolé au circuit de commande de l'alimentation primaire.

4. Régulation :
   - La sortie du phototransistor dans l'optocoupleur ajuste le temps de conduction du MOSFET de puissance, régulant ainsi la tension de sortie.
   - Si la tension augmente, la LED s'allume davantage, réduisant ainsi la puissance fournie.
   - Si la tension diminue, la LED s'éteint, augmentant la puissance fournie.
  • Contrôleur PWM
   - Le phototransistor de l'optocoupleur envoie un signal au contrôleur PWM.
   - Le contrôleur ajuste le rapport cyclique du signal de découpage pour maintenir la tension de sortie stable.

Pourquoi Utiliser le TL431 ?
Le TL431 est particulièrement adapté pour cette application en raison de ses caractéristiques :
- Précision : Sa tension de référence de 2,5V est très stable et précise (±1% à ±2%).
- Simplicité : Il est facile à intégrer dans un circuit de rétroaction.
- Polyvalence : Il peut fonctionner avec une large plage de tensions de sortie en ajustant simplement les valeurs du diviseur de tension.
- Coût : Il est économique par rapport à d'autres solutions de régulation de tension.

Calcul Diviseur de Tension
Supposons que vous souhaitiez réguler une tension de sortie de 12V avec un TL431.
Voici comment calculer les valeurs de R1 et R2 :
La formule de la tension de sortie est :
Vout = Vref × [ 1+ (R2 / R1) ] 
   Où Vref = 2,5V
Pour Vout = 12V :
12v = 2,5v × [ 1+ (R2 / R1) ]
R1 / R2 = (12 / 2,5) - 1 = 3,8
Si vous choisissez R2 = 10kΩ, alors
   R1 = 3,8 × R2 = 38kΩ
Ainsi, en utilisant R1 = 38kΩ et R2 = 10kΩ, vous pouvez réguler la tension de sortie à 12V.

Tester le TL431

Tester le TL431 avec Multimètre "Mode Diode"

Le TL431 est un composant électronique qui peut être testé avec un multimètre en mode diode pour vérifier son bon fonctionnement.
Voici une méthode simple et efficace pour tester un TL431 à l'aide d'un multimètre numérique.

1. Préparation du Multimètre
- Réglez votre multimètre sur le mode diode (symbolisé par une icône de diode).
- Assurez-vous que les cordons de test (fils rouge et noir) sont correctement branchés dans les bornes du multimètre.

2. Identifier les Broches du TL431
Le TL431 a trois broches :
  1. Anode (A) : Broche reliée à la masse (GND).
  2. Cathode (K) : Broche reliée à la tension d'alimentation.
  3. Référence (Ref) : Broche utilisée pour ajuster la tension de sortie.
Si vous ne connaissez pas le brochage, consultez la datasheet du TL431 ou recherchez le brochage standard pour le boîtier utilisé (TO-92, SOT-23, etc.).

3. Test de la Jonction Cathode-Anode
- Placez la sonde rouge du multimètre sur la cathode (K).
- Placez la sonde noire sur l'anode (A).
- Le multimètre doit afficher une chute de tension typique d'une diode (environ 0,6 V à 0,7 V). Cela indique que la jonction entre la cathode et l'anode se comporte comme une diode normale.
- Inversez les sondes (noir sur K, rouge sur A). Le multimètre doit afficher "OL" (circuit ouvert), car la diode est en inverse.

4. Test de la Jonction Référence-Anode
- Placez la sonde rouge sur la broche de référence (Ref).
- Placez la sonde noire sur l'anode (A).
- Le multimètre doit afficher une chute de tension (environ 0,6 V à 0,7 V), similaire à une diode.
- Inversez les sondes (noir sur Ref, rouge sur A). Le multimètre doit afficher "OL" (circuit ouvert).

5. Test de la Jonction Référence-Cathode
- Placez la sonde rouge sur la cathode (K).
- Placez la sonde noire sur la broche de référence (Ref).
- Le multimètre doit afficher une chute de tension (environ 0,6 V à 0,7 V).
- Inversez les sondes (noir sur K, rouge sur Ref). Le multimètre doit afficher "OL" (circuit ouvert).

6. Interprétation des Résultats
- Si toutes les mesures correspondent aux valeurs attendues (chute de tension de 0,6 V à 0,7 V dans un sens et circuit ouvert dans l'autre sens), le TL431 est probablement en bon état.
- Si le multimètre affiche "0V" ou "OL" dans les deux sens pour l'une des jonctions, le TL431 est probablement défectueux.

Tester le TL431 avec Multimètre "Mode Voltmètre"

Tester un TL431 avec un multimètre en mode voltmètre sur une carte électronique d'alimentation à découpage sous tension nécessite de la prudence, car vous travaillez avec des circuits sous tension. Voici une méthode étape par étape pour vérifier le bon fonctionnement du TL431.

1. Précautions de Sécurité
- Danger de Haute Tension : Les alimentations à découpage peuvent contenir des tensions élevées, même après la mise hors tension. Soyez extrêmement prudent.
- Équipement de Protection : Portez des gants isolants et utilisez des outils isolés.
- Court-Circuit : Assurez-vous de ne pas créer de court-circuit avec les pointes de touche du multimètre.
- Isolation : Travaillez sur une surface isolée et évitez de toucher les parties métalliques des composants.

2. Identifier les Broches du TL431
Le TL431 a trois broches :
1. Anode (A) : Connectée à la masse (GND).
2. Cathode (K) : Connectée à la tension d'alimentation via une résistance de limitation de courant.
3. Référence (Ref) : Utilisée pour ajuster la tension de sortie.
Sur la carte électronique, repérez le TL431 et identifiez ses broches à l'aide du datasheet ou du marquage sur le PCB.

3. Matériel Nécessaire
- Multimètre : En mode voltmètre (DC).
- Pointes de Touche : Fines et isolées pour éviter les courts-circuits.

4. Étapes de Test
Étape 1 : Mesurer la Tension entre la Cathode (K) et l'Anode (A)
- Placez la pointe rouge du multimètre sur la cathode (K).
- Placez la pointe noire sur l'anode (A) (masse).
Lisez la tension affichée.
   - Valeur Attendue : La tension entre K et A doit être proche de la tension de référence (2,5V) si le TL431 fonctionne correctement.
   👉 Si la tension est nulle ou très faible : Le TL431 peut être défectueux ou ne pas être activé.
   👉 Si la tension est trop élevée : Le TL431 ne régule pas correctement.

Étape 2 : Mesurer la Tension sur la Broche de Référence (Ref)
- Placez la pointe rouge du multimètre sur la broche Ref.
- Placez la pointe noire sur l'anode (A) (masse).
Lisez la tension affichée.
   - Valeur Attendue : La tension sur la broche Ref doit être d'environ 2,5V.
   👉 Si la tension est nulle ou très faible : Le TL431 peut être défectueux.
   👉 Si la tension est supérieure à 2,5V : Le circuit de rétroaction peut être mal configuré ou le TL431 peut être défectueux.

Étape 3 : Vérifier le Fonctionnement Dynamique
- Pour vérifier que le TL431 réagit correctement aux variations de tension, vous pouvez modifier légèrement la charge sur l'alimentation (si possible) et observer les changements de tension sur la broche Ref.
   - Si le TL431 fonctionne correctement, la tension sur la broche Ref doit rester stable à environ 2,5 V malgré les variations de charge.

Interprétation des Résultats
* TL431 Fonctionnel :
   - Tension entre K et A : Proche de 2,5 V.
   - Tension sur Ref : Environ 2,5 V.
   - La tension reste stable lors de variations de charge.
* TL431 Défectueux :
   - Tension entre K et A : Nulle, très faible ou trop élevée.
   - Tension sur Ref : Différente de 2,5V.
   - La tension ne reste pas stable lors de variations de charge.

Conseils Supplémentaires
  1. Vérifiez les Composants Associés : Si le TL431 semble défectueux, vérifiez également les résistances du diviseur de tension (R1 et R2) et l'optocoupleur, car ces composants peuvent également causer des problèmes.
  2. Test Hors Tension : Si possible, testez le TL431 hors tension en utilisant un multimètre en mode test de diode pour vérifier sa conduction.
  3. Remplacement : Si le TL431 est défectueux, remplacez-le par un nouveau composant de même référence.

Mesures sur une Alimentation à Découpage

Supposons que vous testez un TL431 dans une alimentation à découpage avec une tension de sortie de 12 V :
1. Tension entre K et A : Vous mesurez environ 12V (ce qui est normal, car la cathode est connectée à la sortie de l'alimentation).
2. Tension sur Ref : Vous mesurez 2,5V (ce qui indique que le TL431 fonctionne correctement).
3. Stabilité : Lorsque vous modifiez la charge, la tension sur Ref reste stable à 2,5 V.

Le TL431 est un composant électronique extrêmement utile et polyvalent, idéal pour la régulation de tension, la surveillance de tension, et comme référence de tension précise. Sa simplicité de mise en œuvre, combinée à sa précision et son coût réduit, en fait un choix populaire parmi les ingénieurs et les hobbyistes. Que vous conceviez une alimentation à découpage, un circuit de surveillance de tension, ou simplement besoin d'une référence de tension stable, le TL431 est un composant à considérer.

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