Индикаторы и сигнализаторы на регулируемом стабилитроне TL431

Рисунок 1. Функциональная схема TL431.

Микросхема TL431 может применяться не только по своему прямому назначению как стабилитрон в блоках питания. На ее основе возможно создание различных световых индикаторов и даже звуковых сигнализаторов. Особенность в том, что при помощи внешнего делителя напряжение стабилизации можно изменять в пределах 1,25…30 В.

Сигнализатор превышения напряжения

Рисунок 2. Сигнализатор превышения напряжения.

Работа такого сигнализатора основана на том, что при напряжении на управляющем электроде стабилитрона DA1 (вывод 1) менее 1,25 В стабилитрон закрыт, через него протекает лишь небольшой ток, как правило, не более 0,3…0,4 мА. В некоторых моделях светодиодов этого тока достаточно для очень слабого свечения. Чтобы этого явления не наблюдалось, достаточно параллельно светодиоду подключить резистор сопротивлением примерно 2…3 КОм. Схема сигнализатора превышения напряжения показана на рисунке 2.Если же напряжение на управляющем электроде превысит 1,25 В, стабилитрон откроется и засветится светодиод. Необходимое ограничение тока через стабилитрон и светодиод обеспечивает резистор 1 kOm. Максимальный ток стабилитрона составляет 100 мА, в то время как тот же параметр у светодиода всего 20 мА. Именно из этого условия и рассчитывается сопротивление резистора. Прирасчете не следует забывать о том, что максимальное напряжение для стабилитрона TL431 всего 36 В. Этот параметр также превышать нельзя.
Напряжение на управляющем электроде, при котором загорается светодиод (Uз) задается делителем. Параметры делителя рассчитываются по формуле:
R2 = 1,25*R1/(Uз – 1,25). Для более точной настройки порога срабатывания можно вместо резистора R2 установить подстроечный, номиналом раза в полтора больше, чем получилось по расчету. После того, как настойка произведена, его можно заменить постоянным резистором, сопротивление которого равно сопротивлению введенной части подстроечного.

Индикатор пониженного напряжения

Рисунок 3. Индикатор пониженного напряжения и с исполнительным реле.

Отличие этой схемы от предыдущей в том, что светодиод включен по-другому. Такое включение называется инверсным, поскольку светодиод зажигается в том случае, когда микросхема закрыта. В случае, если контролируемое напряжение превышает порог установленный делителем микросхема открыта, и ток протекает через резистор R3 и выводы 3 – 2 (катод – анод) микросхемы.
На микросхеме в этом случае присутствует падение напряжения 2 В, которого не достаточно для зажигания светодиода. Чтобы светодиод гарантированно не зажегся, последовательно с ним установлен диод. Некоторые типы светодиодов, например синие, белые и некоторые типы зеленых, зажигаются, когда напряжение на них превышает 2,2 В. В этом случае вместо диода устанавливаются перемычки из проволоки.
Когда контролируемое напряжение станет меньше установленного делителем R1, R2 микросхема закроется, напряжение на ее выходе будет намного больше 2 В, поэтому светодиод зажжется.
Пределы переключения при данных номиналах при U=13,15-13,0 V.
При этом ток светодиода скачкообразно изменяется от 0,2 до 3,0 mA.
При необходимости подключения исполнительного устройства можно использовать правую часть чертежа. Либо реализовать задуманное на тиристоре или сразу подключив оптопару со встроенным тиристором.

Если требуется контролировать только изменение напряжения индикатор можно собрать по схеме, представленной на рисунке 4.

Рисунок 4. Индикатор изменения напряжения.

В этом индикаторе применен двухцветный светодиод HL1. Если контролируемое напряжение превышает пороговое значение, светится красный светодиод, а если напряжение понижено, то горит зеленый.
В случае, когда напряжение находится вблизи заданного порога (примерно 0,05…0,1 В) погашены оба индикатора, так как передаточная характеристика стабилитрона имеет вполне определенную крутизну.


Если требуется следить за изменением какой-либо физической величины, то резистор R2 можно заменить датчиком, изменяющим сопротивление под действием окружающей среды. Подобное устройство показано на рисунке 5.


Рисунок 5. Схема контроля параметров окружающей среды.
Условно на одной схеме показано сразу несколько датчиков. Если это будет фототранзистор, то получится фотореле. Пока освещенность большая, фототранзистор открыт, и его сопротивление невелико. Поэтому напряжение на управляющем выводе DA1 меньше порогового, вследствие этого светодиод не светит.
По мере снижения освещенности сопротивление фототранзистора увеличивается, что приводит к возрастанию напряжения на управляющем выводе DA1. Когда это напряжение превысит пороговое (1,25 В), стабилитрон открывается и зажигается светодиод.
Если вместо фототранзистора ко входу устройства подключить терморезистор, например серии ММТ, получится индикатор температуры: при понижении температуры светодиод будет загораться.
Эту же схему можно применить в качестве датчика влажности. Для этого вместо терморезистора или фототранзистора следует подключить электроды на некотором расстоянии друг от друга. При уменьшении влажнеости до уровня, определенного при настройке, светодиод зажжется.
Порог срабатывания устройства во всех случаях устанавливается с помощью переменного резистора R1.

Кроме перечисленных световых индикаторах на микросхеме TL431 возможно собрать и звуковой индикатор. Схема такого индикатора показана на рисунке 6.

Рисунок 6. Звуковой индикатор уровня жидкости.

Для контроля уровня жидкости, например воды в ванне, к схеме подключается датчик из двух нержавеющих пластин, которые расположены на расстоянии нескольких миллиметров друг от друга.
Когда вода достигнет датчика, его сопротивление уменьшается, а микросхема через резисторы R1 R2 входит в линейный режим. Поэтому возникает автогенерация на резонансной частоте пьезокерамического излучателя НА1, на которой и зазвучит звуковой сигнал.
В качестве излучателя можно применить излучатель ЗП-3. питание устройства от напряжения 5…12 В. Это позволяет питать его даже от гальванических батарей, что делает возможным использование его в разных местах, в том числе и в ванной.

Ниже приводится схема и печатка еще одного светодиодного индикатора с использованием микросхемы типа TL(LM)431 и дается описание ее работы.

Если напряжение на ее управляющем электроде (R) меньше, чем 1,25 В, то выходной транзистор этой микросхемы заперт. При достижении управляющим напряжением оговоренного уровня транзистор микросхемы переходит в насыщенное состояние. Максимально допустимое напряжение между выводами катода (С) и анода (А) этой микросхемы составляет 36 В. Допустимый ток через микросхему -1 ...100 мА. Потребление тока цепью управления микросхемы или ток через управляющий электрод (R) ничтожно мал - менее 0,1 мА. Светодиод HL1 выбирают зеленого цвета свечения. Он излучает свет, если напряжение на управляющем электроде DA1 увеличить до 1,25 В. Это достигается регулировкой подстроечного сопротивления R1 при желаемом напряжении источника питания схемы. Поскольку через микросхему DA1 протекает небольшой ток даже в том случае, когда ее выходной транзистор находится в запертом состоянии, а свечения светодиода HL1 в этом режиме не должно быть, светодиод зашунтирован резистором R3. Резисторы R5, R6 являются балластными для светодиода HL2. При снижении напряжения питания схемы ниже предполагаемого минимума микросхема DA1 запирается. Обратным для него напряжением запирается и диод VD1, погасает светодиод HL1, а светодиод HL2 зажигается. Для большей наглядности этого критического для источника питания U (аккумулятора) состояния в качестве светодиода HL2 целесообразно использовать «мигающий» светодиод красного цвета свечения. Он будет мигать с частотой примерно 0,8...1 Гц. Если напряжение питания U находится в норме, то свечение (мигание) светодиода HL2 прекращается - открытый выходной транзистор микросхемы DA1 через диод VD1 блокирует этот светодиод. Резистор R7 полностью исключает подсветку светодиода HL2 в вышеописанном режиме. В зависимости от типа использованных в схеме светодиодов возможно потребуется подобрать номиналы резисторов R3, R7. Их величины уменьшаются до погасания свечения светодиодов. Величины R4 и R6 определяют при настройке схемы на максимальную яркость свечения светодиодов.

В заключение хотелось бы обратить внимание читателей, что при практическом использовании вышеописанной схемы LED индикатора понижения напряжения питания целесообразно включить крайние выводы подстроечного сопротивления R1 в схему через ограничительные резисторы. Это обеспечит более точную установку напряжения переключения светодиодов и облегчит процесс настройки схемы.

Дерзайте, господа творческие личности!