LM431三端可调精密稳压器：原理、技术规格与应用实例详解

LM431 是一款三端可调精密稳压器，能够提供可调节的输出电压，广泛用于需要电压比较的电路中作为参考电压源。它确保在整个工作温度范围内保持电压稳定。通过选择两个外部电阻作为分压网络，用户可以将输出电压设置在 2.5V（V_REF）至 36V 的任意值之间。凭借其出色的导电性能，LM431 成为许多齐纳二极管应用的理想替代品。

该器件可以在多种应用电路中灵活配置。只需添加两个额外的电阻，LM431 就可以用作低功耗并联稳压器。此外，结合额外的晶体管和电阻器，它可以被设计成大功率稳压器或恒流源电路。

LM431 的特点包括输出电压可编程、快速启动响应、低动态输出阻抗和低输出噪声。它的典型工作温度范围是 0°C 至 70°C，最大阴极电压可达 37V，最大参考电压为 -0.5V。LM431 采用节省空间的 SOIC-8、SOT-23 和 TO-92 封装形式，最大参考输入电流为 10mA，最大连续阴极电流可达 150mA。LM431 广泛应用于多个领域，如稳压器、恒流源电路、齐纳二极管替代方案、电压监控、可调电压或电流线性和开关电源、电流源和吸电流电路，以及任何需要精密基准电压的应用。

技术规格

工作温度：0°C~70°CTA

温度系数：典型值 50ppm/°C

最大输出电流：100mA

最小电源电压 (Vsup)：2.44V

电流 - 输出：100mA

最大输出电压：37V

最大输入电压：37V

最小输出电压：2.495V

最大电压温度系数：97 ppm/°C

电流-阴极：1mA

LM431符号图和功能图

图1：符号图和功能图

在LM431功能图中，我们有三个主要元件，分别是运算放大器，NPN晶体管和+2.5V电压源。根据运算放大器的工作原理，只有当Vref>+2.5V时，输出电压Vo/p才为正，因为运算放大器反相端的电压为+2.5V。

如何使用LM431

现在让我们考虑一个简单的设备应用电路，如下所示：

这里的参考电压（Vref）是运算放大器同相端的电压，决定运算放大器是否输出正电压。

Vref也是两个电阻R2、R3组成的中点分压网络上的电压。

根据分压的概念，我们可以得到Vref=Vo(R3/R2+R3)。

通过交换项，我们可以得到 Vo = Vref([R2+[R3 /[R3)= Vref(1+[R2 /[R3)) = 2.5(1+[R2 /[R3)

根据该公式，您可以调整电路中两个电阻的值以获得所需的输出电压。

LM431工作原理电路

运算放大器将同相端电压 Vref（与输出电压直接相关）与 +2.5V（默认情况下连接到反相端的电压）进行比较，并根据结果触发运算放大器。晶体管从电源 V1 汲取电流。每当输出超过阈值（阈值是由 R2 和 R3 的值确定的值）时，运算放大器就会通过 Vref 获得反馈并驱动晶体管导通。当晶体管导通时，设备会汲取电流，并且由于这种电流汲取，与电压源 V1 串联的电阻器 R1 上会出现压降。

由于这个压降，我们有 Vo = V1-(R1) * (Ic)。这是晶体管吸收的电流。此外，为了便于描述，忽略了运算放大器和电阻网络的电流消耗。

运算放大器打开晶体管以消耗电流，导致 Vo（通过 R1 的电压降）从 V1 降至 Vref（1+[R2/[R3]）。

因此最终结果就是，Vo会通过运放的设定（或LM431）调整到在测量值附近浮动。同理，其他应用电路也可以这样设定。

LM431应用地点

应用1：分流调节器，如图2所示

结合图1和图2的分析，当图2中Vref大于2.5v时，图1中右边三极管导通，输出电压为0。当图2中Vref小于2.5v时，图1中右边三极管截止，输出电压为Vin。如此反复限制，输出电压就稳定在图2公式的电压值上。

应用2：大电流分流调节器，如图3所示：

与应用一相比，增加了一个三极管，提高了续流能力。

应用三：带温度补偿阈值的单电源比较器，如图4所示：

对比图1，与2.5v进行比较，控制左边三极管的状态，控制输出电平。

应用4：串联稳压器，如图5所示：

在本应用中，LM431的作用是作为反馈回路，控制符合管的导通与截止，输出电压如图5公式所示。

与应用 1 中的分流调节器相比，此示例增加了调节器的连续电流能力。

应用5：三端稳压器的输出控制，如图6所示：

对比图1可以分析出输出电压的最小值被限制在7.5V，当R1足够大时，输出电压如图6公式所示。

应用6：过压/欠压保护电路，如图7所示：

通过分析图7，我们可以得出：

当输入电压高于高限时，左边LM431的输出三极管导通，导致右边LM431的输出三极管截止，无输出。

如果输入电压低于低限，左边LM431输出三极管截止，是正常工作状态，但是输入电压低于低限，造成R2B上的分压过小，右边LM431输出三极管截止，最后导致最右边的三极管截止，没有输出。

本电路输入电压范围的低限和高限如图7所示。

注意：该电路的输出类似OC门，使用时要注意。

应用7：电压监视器，如图8所示：

本应用的分析与应用6相同，监测的电压间隔也如图8的公式所示。

应用八：延时定时器，如图9所示：

本应用中，开关闭合后，先对电容C充电，当电容C电压达到VREF时，LED开始亮起，充电时间即为延时时间，如图9公式所示。

应用9：限流器或电流源，如图10所示：

这里的Rcl是取样电阻，如果电流变大，Rcl上的电压就变大，Vref大于2.5V，LM431的三极管导通，图10中的三极管的Ube小于0，此三极管截止，Vref处的电压消失，形成反馈，控制输出电流Io为图10公式的值。

应用10：恒流源，如图11所示：

本电路为吸电流电路，输入大电流，输出恒定小电流，输出电流值如图11公式所示。

LM431制造商

德州仪器 (TI) 是一家全球知名的半导体制造商，业务范围扩展至 35 个国家。公司发展迅速。1958 年，TIer 首次推出工作集成电路。如今，全球有超过 30,000 名 TIer 致力于设计、制造和销售模拟和嵌入式处理芯片。他们渴望通过自己的技术解决挑战并改变世界。