搜索
bottom↓
回复: 13

【自制】431基准电压芯片,用三极管制作

[复制链接]

出0入0汤圆

发表于 2022-5-5 13:57:37 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 嘉立创EDA开源硬件 于 2022-5-6 14:21 编辑

简介:根据431基准电压芯片内部结构电路,用三极管自制431基准电压芯片。

你将会看到8个板块内容:

项目简介、设计方案、电路原理、原理图设计、PCB设计、焊接与调试、项目资料、设计图
0.jpeg

一、项目简介
1.1 概述
431电压基准芯片为3脚稳压集成电路,431基准电压源具有良好的热稳定性能,三端可调分流,也被称为电压调解器或三端取样集成电路。
凭借体积小、重量轻、精度高、稳定可靠、基准电压精密可调、输出电流大,且价格便宜等多种优良品质,深得工程师和爱好者的喜欢,广泛应用在各种电源电路中。
目前我们看到的例如TL431、KA431、μA431、LM431等不同名称的431芯片就是不同厂家所推出的431电压基准芯片,那么现在我们来根据431的内部结构一起来DIY一款自己的芯片,我把它命名为LC431。
1.png
图1-1 LC431_TO-92封装

1.2 设计特点
用分立器件搭建,深入学习电路
使用直插器件,便于初学者焊接与调试
板载香蕉头与排针接口,便于调试与扩展
搭配测试底板,完成431常规实验的学习

1.3 应用电路
精密基准电压源
可调稳压电路
恒流源电路
电压比较器
过电压保护电路


二、总体设计方案
2.1 内部结构
根据厂商所提供的431数据手册中,找到如下图中的内部结构电路图。
如图可知431基准电压源由基准电压电路、误差放大器电路、达林顿输出电路和二极管保护电路所组成。
2.png
图2-1 431的内部结构电路图
431的电路符号如图2-2所示,其使用方法与稳压管一样,阴极(K)接高电平,阳极(A)接低电平,R为参考基准端。
3.png
图2-2 431的电路符号
图2-3为431的等效功能示意图,由运算放大器、保护二极管、NPN型三极管以及2.5V的精密基准电压源Vref所组成。
参考端(R)接运放的同相输入端,2.5V(Vref)基准电压源接运放的反相输入端。
运放相当于一个误差放大器,会把同相输入端与反相输入端的电压差放大很多倍。
参考端(R)电压与精密基准电压源的2.5V(Vref)电压相比较,当参考端(R)电压大于2.5V(Vref)时,运放输出端电压为高电平,三极管导通,运放的输出端电压会随参考端(R)的电压增大而增大,形成负反馈,三极管起到调节负载电流的作用。
保护二极管可防止K-A间电源极性接反而击穿三极管。
4.png
图2-3 431的等效功能框图
2.2 引脚说明

引脚
名称
功能描述
1
Reference
参考基准端,是输出电压的设定端
2
Anode
阳极,接低电平,使用时需接地
3
Cathode
阴极,接高电平,使用时需接电源正极

三、电路原理
431的工作原理是:当输入电压增大,输出电压增大导致输出采样增大。
此时内部电路通过调整使得流过自身的电流增大,这也就使得流过限流的电阻增大,压降增大。
而输出电压等于输入电压减去限流电阻压降增大使得输出电压减小,实现稳压的功能。

3.1 基准电压电路
20世纪70年代初,维徳拉(Widlar)首先提出能带间隙基准电压源的概念,简称带隙(bandgap)电压,基准电压源是一种用来作为电压标准的高稳定度电压源。
目前,它已被广泛用于各种集成线性稳压器。
三极管Q1~Q4与电阻R1~R4组成2.5V基准电压电路,如图3-1所示,电路工作时,参考端(R)相对阳极(A)有2.5V的电压差,3.1章节的下文将对电路进行分析。
5.png
图3-1 基准电压电路
在27℃或300K时,三极管基极与发射极的压降VBE=VTln(IC/IS)。
其中,VT为温度的电压当量,IC为集电极电流,IS为饱和电流(与发射极大小成正比)。
温度电压当量VT=KT/q。
其中,K是玻尔曼常数(1.38×10^-23J/K),T为热力学温度,即绝对温度(300K),q是电子电荷(1.6×10^-19C)。在常温下,VT≈26mV 。
基准电压源的表达式为:VREF=VR1+VR2+VBE1+VBE3
由于三极管Q3和Q4的集电极电压相同,并且R3的电阻值是R2的3倍,故流过Q3的电流是Q4的3倍。
设Q4的电流为I,故流过Q3的电流即为3I,流过R1的电流为R2和R3电流之和,即为4I。
为了得到温度补偿,将Q4用2个三极管并联,即Q3和Q4相对面积为1:2,设Q3的饱和电流为IS,故Q4的饱和电流为2IS。
由公式VBE=VTln(IC/IS)及VBE3=VBE4+IR4得,Q3集电极的电压VBE3=VTln(3I/IS)=VTln(I/2IS)+IR4,化简整理可得:
6.png
设定三极管压降为580mV,可以得到431参考端(R)的基准电压:VREF=VR1+VR2+VBE1+VBE3=818+446+580+580=2.43V
实际制作时,基准电压值有一些出入,一般在2.5V左右。

3.2 误差放大器电路
三极管Q1~Q4与电阻R1~R4组成误差放大器(差动放大器)电路,误差放大器的作用是通过比较取样电压(VQ),与基准电压(VREF)之问的误差値来产生误差电压(Vσ),Vσ负反馈给VREF进而调节使输出电压维持不变。
7.png
图3-2 误差放大器电路

3.3 达林顿输出电路
使用了达林顿结构,组成达林顿管输出电路。
达林顿管又叫复合三极管,它采用复合连接方式将两个或多个三极管的集电极连在一起,第一个三极管的发射极直接耦合到第二个三极管的基极,依次连接而成,最终引出B、C、E三个电极。
8.png
图3-3 达林顿管结构
这样组成的达林顿管具有增益高、开关速度快、稳定性好等优点。
使用时,可以直接把达林顿管看成是一个具有高电流放大系数的高性能三极管。
如果单个晶体管的增益为10,那么2个晶体管组成的达林顿管的增益将达到10×10=100倍。
随着三极管个数的增加,达林顿管的Vbe导通电压也会随之增加。
9.png
图3-4 达林顿输出电路与二极管保护电路
应注意的是,达林顿管由于内部由多只管子及电阻组成,用万用表测试时,be结的正反向阻值与普通三极管不同。
对于高速达林顿管,有些管子的前级be结还反并联一只输入二极管,这时测出be结正反向电阻阻值很接近,容易误判为坏管,请注意。

3.4 二极管保护电路
根据二极管单向导通特性,本项目中用二极管设计组成保护电路,在达林顿输出电路中末级三极管的集电极与发射极之间反向并联一只阻尼二极管,以防止突然断电时三极管被击穿,而且能避免阴阳极接反时,损坏431芯片。
四、原理图设计
4.1 新建工程
打开嘉立创EDA。
创建工程并命名:【模拟电路】431基准电压源;
将原理图文件命名:SCH_431基准电压源。
根据以下电路进行绘制电路原理图。
10.png
图4-1 SCH_431基准电压源

4.2 器件选型
在本项目的元器件选型中。
三极管使用:NPN型的9014以及PNP型的9012;
电阻选择:1/4W的直插电阻;
芯片引脚用:排针与香蕉头接口引出。
便于安装与测试。
所有器件可直接在嘉立创EDA的元件库中进行搜索,如果对元器件不熟悉,也可以通过复制物料中的商品编号进行搜索(每一个元器件在嘉立创商城都有唯一的商品编号)。
如果出现物料缺货情况,亦可选择其他可替换物料。
通过以上电路的分析,相信聪明的你对各个元器件在电路中的作用有所了解。那么更换个别物料也不会影响到电路的工作性能的。
了解电路工作特性后,电路选型也就变得简单了。
11.png
图4-2 元器件搜索示意图
12.png
图4-3 通过商品编号搜索示意图

4.3 物料清单

431基准电压源芯片项目物料清单
序号
名称
参数
器件位号
数量
封装
商品编号
1
电阻
750R
R1,R2,R10
3
RES-TH_BD2.2-L6.5-P10.50-D0.6
C58626
150R
R3
1
RES-TH_BD2.5-L6.5-P10.50-D0.6
C58668
10K
R4
1
RES-TH_BD2.5-L6.5-P10.50-D0.6
C57436
3.3K
R5
1
RES-TH_BD2.2-L6.5-P10.50-D0.6
C58610
3.9K
R6
1
RES-TH_BD2.5-L6.5-P10.50-D0.6
C58654
2.4K
R7
1
RES-TH_BD2.2-L6.5-P10.50-D0.6
C58616
7.2K
(3.6K串联)
R8
R8-1,R8-2
1
(2)
RES-TH_BD2.2-L6.5-P10.50-D0.6
C58655
1K
R9
1
RES-TH_BD2.5-L6.5-P10.50-D0.6
C57435
2
电容
20pF
C1,C2
2
CAP-TH_L6.0-W2.5-P5.00-D1.0
C2914828
3
二极管
1N4148
VD1,VD2
2
DO-35_BD2.0-L4.0-P8.00-D0.5-FD
C14516
4
三极管
9014
(β=200~250)
Q1,Q2,
Q5~Q11
10
TO-92-3_L5.1-W4.1-P1.27-L
C118554
9012 (β=200~250)
Q3,Q4
2
TO-92-3_L5.1-W4.1-P1.27-L
C118552
5
排针
2.54*2
J1~J3
3
HDR-M-2.54_1X2
C390678
6
铜柱
M3
TP1~TP4
4
M3x10+6
C551322
7
香蕉头
4MM
TP5
1
香蕉头_4MM(C106273
C106273
TP6
1
香蕉头_4MM(C309375)
C309375
TP7
1
香蕉头_4MM(C106272)
C106272



五、PCB设计
完成原理图设计后,经过检查电路与网络连接正确后点击顶部菜单栏的 “设计”→ “原理图转PCB”(快捷键为Alt+P),随即会生成一个PCB设计界面。
可先暂时忽略弹出的边框设置,然后将PCB文件保存到工程文件中。
命名为:PCB_431基准电压源设计。

5.1 边框设计
在绘制PCB前需根据个人意愿以及元器件数量所占空间确定PCB的形状及边框大小,若无特殊外壳要求,一般设计成矩形、圆形以及正方形。
在设计该项目时,秉承着大小合适,美观大方的原则,我们在顶部工具菜单栏下的边框设置选型中设定了一个长100mm、宽70mm、圆角半径为2mm的圆角矩形。
实际板框大小会随着布局布线进行调整,如果太小可适当放大,太大也可缩小边框,风格样式可自由发挥,但尽量控制在10cm*10cm之内,这样就可以在嘉立创免费打样啦~
13.png
图5-1 边框设置
14.png
图5-2 431基准电压源边框示意图

5.2 PCB布局
在绘制完板框外形后,接下来进行PCB设计的第二步——对元器件进行分类和布局。
分类指的是按照电路原理图的功能模块把各个元器件进行分类。
图中有很多三极管和电阻,但哪一个三极管和电阻是连到一起的呢?
这里需要我们用到嘉立创EDA所提供的布局传递功能。
首先,确保PCB工程已保存到原理图文件的同一个工程文件夹中,然后框选原理图中的某一电路模块。
比如:
1.选中二极管保护电路;
2.点击顶部菜单栏中的 ”工具” → ”布局传递“ (快捷键为Ctrl+Shift+X)。
如此一来,PCB页面所对应的元器件就能进行选中并按照原理图布局进行摆放,使用这个方法将各电路模块进行分类,然后依次摆放在前面所放置的边框中。
在布局的时候注意摆放整齐,可根据飞线的指引进行摆放,按照原理图信号的流向和器件连接关系进行摆放,是可以把原理图器件摆放非常整齐的。
在布局的过程中注意接口位置,比如:我们把排针以及香蕉头接口按照左右下摆放。
布局参考如图5-3所示。
15.png
图5-3 PCB布局参考图(飞线已隐藏)

5.3 PCB走线
接下来进行PCB设计的第三步——PCB走线。全称为印刷电路板布线(PCB LAYOUT)。
由于电路板有顶面与底面两个面,在PCB走线也就可以分为顶层和底层走线。
其中顶层走线默认是红色线,底层为蓝色线,也可按照个人喜好设置其他颜色,走线也就是在电路板中按照飞线连接导线,将相同的网络连接起来即可。
首先选择层与元素中要走线的层,然后点击导线工具进行连线(快捷键为W)。
看似简单的连连看,其中需要我们耐心地进行调整。
元器件的摆放布局也会影响走线的难度,所以还需要在走线过程中进一步调整布局,进一步优化。
前面所介绍的PCB布局相当于是在给走线做铺垫,布局好了,走线也就自然顺畅了。
在该项目的走线中提供以下几点参考建议:
(1)电源线设置为35mil,信号线设置为20mil宽度
(2)走线以顶层走线为主,走不通的可以切换到底层进行连接
(3)走线过程中优先走直线,需要拐弯的地方以钝角或圆弧拐弯为主
(4)最后加上泪滴,添加丝印标记该PCB板的尺寸以及接口功能
布线参考如图5-4所示,初次设计可参考下图进行走线,也可自由设计,属于你的431基准电压源芯片。
16.png
图5-4 PCB走线参考图
17.png
图5-5 PCB-3D预览图


六、焊接与调试
6.1 硬件焊接
拿到板子和元器件后应先检查物料是否有缺失和遗漏,检查无误后再进行焊接。
焊接原则是先低后高。
首先把电阻,电容和二极管焊接到板子上,然后再焊接三极管,排针,最后安装香蕉头接口。
直插器件的焊接方法如下图所示。
注意:
焊接时对准位置,检查元器件型号是否正确,锡线是否虚焊,避免影响电路性能,导致电路不能正常工作。
18.png
图6-1 电阻焊接操作图
19.png
图6-2 三极管焊接操作图
20.png
图6-3 PCB装配图
21.png
图6-4 未焊接PCB板
22.png
图6-5 PCBA实物图
23.png
图6-6 PCB-3D预览图

6.2 硬件调试
完成焊接第一步,切勿直接上电测试,即使你很兴奋,顺利完成了元器件的焊接,但也不能心急。
焊接完成后需要使用万用表检查电源与地是否短路,焊接过程中有没有出现短路以及断路的情况,检查无误后方能进行上电测试。
首先测试是否有基准电压:
将电路板上K端引线和R端引线接在一起,串接1个1K电阻,再接12V直流电源正极,A端接电源负极,电路如图6-4所示,实物连接图如图5所示。
测输出电压(K、A端之间电压)为2.5V左右,如偏离太多,应检查电路板元件是否焊错,锡线是否虚焊等。
24.png
图6-7 基准电压测试图
25.png
图6-8 基准电压测试连接图
基准电压精度测试按图6-8电路实物装置,测5V~10V的不同输入电压。
如下方图6-9所示,得到一组基准电压的值如表6-1所示。
可以看出基准电压在2.45V不变。
26.png
表6-1 5V~10V输入电压测基准电压表
27.png
图6-9 基准电压测试图
最后测试5V输出电压,将电路板上K端串联1个2K电阻和R端接在一起,K端串联1个470Ω电阻,再接直流电源正极,R端串联1个2K电阻和A端接在一起,A端接直流电源负极,如图6-10所示。
测输出电压(K、A端之间电压)为5V左右,如偏离太多,应检查电路板元件是否焊错,锡线是否虚焊等。
28.png
图6-10 稳压输出测试图
29.png
图6-11 稳压输出测试连接图
稳压电压精度测试按图6-11电路实物装置,测7V~12V的不同输入电压,如图6-12所示,得到一组基准电压的值如表6-2所示。
可以看出稳压电压在4.9V左右。
30.png
表6-2 7V~12V输入电压测稳压输出电压表
31.png
图6-12 稳压输出测试图


七、项目资料
特别感谢俞虹老师为该项目所提供的资料支持~


八、设计图
32.png
原理图
33.png
PCB图
3D图
按这样的步骤,属于我的LC431芯片就完成啦!你也快去试试吧!
你还有什么想要补充的吗?或者有什么疑惑?欢迎评论!
如果你喜欢这个内容或觉得非常有用,欢迎点赞、转发、关注一下~

阿莫论坛20周年了!感谢大家的支持与爱护!!

一只鸟敢站在脆弱的枝条上歇脚,它依仗的不是枝条不会断,而是自己有翅膀,会飞。

出0入362汤圆

发表于 2022-5-5 22:06:54 | 显示全部楼层
最讨厌这样藏着掖着了, 非要点链接才能继续看
@armok    老莫, 这叫挖墙角, 给他自家网站引流, 收费会员也不能这么玩吧

出0入300汤圆

发表于 2022-5-6 05:04:44 来自手机 | 显示全部楼层
宣传一般来说有几个目的,比如要显示自己比别人牛,比如能让更多的人知道自己,比如在宣传的时候可以打压已知的隐含的未来的对手,但我要说这些全是错的。

出0入0汤圆

发表于 2022-5-6 09:35:16 | 显示全部楼层
就项目内容本身来看,对模电小白或初学者来讲是一个很好的实习案例!

出10入113汤圆

发表于 2022-5-6 10:53:25 | 显示全部楼层
线路布局应该有很大完善空间,那几个定义为TP的螺丝柱明显的不负责任的名称。

出0入0汤圆

 楼主| 发表于 2022-5-6 13:53:08 | 显示全部楼层
tomzbj 发表于 2022-5-5 22:06
最讨厌这样藏着掖着了, 非要点链接才能继续看
@armok    老莫, 这叫挖墙角, 给他自家网站引流, 收费会员也 ...
(引用自2楼)

事实是,图片太多了,并且我下载的图片都带了水印 ,因此只先上传了一部分,之后会补充完善的

出150入135汤圆

发表于 2022-5-6 14:06:45 来自手机 | 显示全部楼层
看到了优利德那个开关型直流可调电源,我一直也用这个,我用的是1603s,很小很轻挺好用的,干扰也很小,我有时候调emc也用这个供电。

出0入0汤圆

发表于 2022-5-7 20:23:06 | 显示全部楼层
tomzbj 发表于 2022-5-5 22:06
最讨厌这样藏着掖着了, 非要点链接才能继续看
@armok    老莫, 这叫挖墙角, 给他自家网站引流, 收费会员也 ...
(引用自2楼)

嘉立创是商业会员啊   打广告是正常操作吧

出0入362汤圆

发表于 2022-5-7 21:10:37 | 显示全部楼层
lonny_chen 发表于 2022-5-7 20:23
嘉立创是商业会员啊   打广告是正常操作吧
(引用自8楼)

不是, 一开始他只发了一小半, 然后就是个超大链接, 要看全文得点链接跳转到他的网站去. 我说了之后他才改了.

出0入0汤圆

发表于 2022-5-8 11:28:31 | 显示全部楼层
从基础开始,这样的文章很好

出0入0汤圆

发表于 2022-5-13 14:11:46 | 显示全部楼层
支持赞赞。。

出0入0汤圆

发表于 2022-5-19 12:35:19 | 显示全部楼层
膜拜一下

出0入0汤圆

发表于 2022-7-11 21:02:48 | 显示全部楼层
》》》设定三极管压降为580mV,可以得到431参考端(R)的基准电压:VREF=VR1+VR2+VBE1+VBE3=818+446+580+580=2.43V

看式子,Vref还是和Vbe1,Vbe3相关,也就是和温度T相关,怎样做到基准?

出0入0汤圆

发表于 2022-8-1 22:20:19 | 显示全部楼层
写的很好,对431有个很好的理解
回帖提示: 反政府言论将被立即封锁ID 在按“提交”前,请自问一下:我这样表达会给举报吗,会给自己惹麻烦吗? 另外:尽量不要使用Mark、顶等没有意义的回复。不得大量使用大字体和彩色字。【本论坛不允许直接上传手机拍摄图片,浪费大家下载带宽和论坛服务器空间,请压缩后(图片小于1兆)才上传。压缩方法可以在微信里面发给自己(不要勾选“原图),然后下载,就能得到压缩后的图片】。另外,手机版只能上传图片,要上传附件需要切换到电脑版(不需要使用电脑,手机上切换到电脑版就行,页面底部)。
您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册

本版积分规则

手机版|Archiver|amobbs.com 阿莫电子技术论坛 ( 粤ICP备2022115958号, 版权所有:东莞阿莫电子贸易商行 创办于2004年 (公安交互式论坛备案:44190002001997 ) )

GMT+8, 2024-6-18 13:01

© Since 2004 www.amobbs.com, 原www.ourdev.cn, 原www.ouravr.com

快速回复 返回顶部 返回列表