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。
采用MSP430F247单片机实现TMP275测温仪的I2C模块的连接
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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。
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