Spannungsreferenz (TL431)

Ein Analog-Digital-Wandler misst nie absolut, er vergleicht – mit seiner Referenzspannung. Ist die Referenz 2 % daneben, ist jeder Messwert 2 % daneben, egal wie viele Bit der Wandler hat. Auch ein Schaltnetzteil, ein Ladegerät oder eine Unterspannungsabschaltung brauchen einen Maßstab, an dem sie die Ausgangsspannung messen. Diesen Maßstab liefern Spannungsreferenzen: Bauteile, deren einzige Aufgabe eine genaue, stabile Spannung ist. Das bekannteste ist der TL431 – ein IC für wenige Cent, das in fast jedem Steckernetzteil steckt.

Aufbau und Funktionsweise

Der TL431 ist ein Shunt-Regler: Er liegt wie eine Z-Diode parallel zur Last und nimmt so viel Strom auf, dass die Spannung an ihm konstant bleibt. Seine drei Anschlüsse heißen Kathode (K), Anode (A) und Referenz (REF). Innen sitzen eine sehr stabile Bandgap-Referenz von 2,495 V, ein Operationsverstärker und ein NPN-Transistor zwischen Kathode und Anode.

Der Verstärker vergleicht die Spannung am REF-Anschluss mit der internen Referenz. Liegt REF auch nur wenige Millivolt über 2,495 V, steuert er den Transistor auf, und der Kathodenstrom steigt stark an. Liegt REF darunter, sperrt der Transistor. Über einen äußeren Spannungsteiler von der Kathode zum REF-Eingang regelt sich das Bauteil deshalb genau auf die Spannung ein, bei der am REF-Anschluss 2,495 V liegen.

Daher stammt der Spitzname „programmierbare Z-Diode“. Die Spannung zwischen Kathode und Anode ist

Dabei liegt R1 zwischen Kathode und REF, R2 zwischen REF und Anode. Der Strom in den REF-Anschluss beträgt nur 2 µA typisch (höchstens 4 µA); bei Teilerwiderständen um 10 kΩ macht er 20–40 mV aus.

Schaltzeichen

Das Schaltzeichen ähnelt einer Z-Diode mit einem dritten Anschluss: ein Dreieck, dessen Spitze auf einen Kathodenstrich zeigt, und eine seitlich angesetzte Leitung für REF. In manchen Plänen erscheint der TL431 als Kasten mit K, A und REF. Die Pinbelegung unterscheidet sich zwischen TO-92, SOT-23 und SOIC und sogar zwischen Herstellern – im SOT-23 gibt es zwei verbreitete Varianten. Verlass dich immer auf das Datenblatt des bestellten Typs (siehe Schaltzeichen).

Wichtige Kennwerte

Im Vergleich zu einer Z-Diode fällt der dynamische Innenwiderstand auf: Eine BZX79-C5V1 hat bei 5 mA etwa 40 Ω, der TL431 nur 0,2 Ω. Schwankt der Strom um 10 mA, ändert sich die Spannung der Z-Diode um bis zu 0,4 V, die des TL431 um 2 mV. Auch die Temperaturdrift ist viel kleiner. Warum Halbleiterspannungen überhaupt mit der Temperatur wandern und wie eine Bandgap-Schaltung das ausgleicht, beschreibt Temperaturverhalten von Halbleitern.

Die Shunt-Schaltung berechnet

Wie bei der Z-Diode braucht der TL431 einen Vorwiderstand, der den Strom begrenzt. Er muss im ungünstigsten Fall – kleinste Eingangsspannung, größter Laststrom – noch den Mindeststrom von 1 mA plus den Strom durch den Teiler liefern.

Den Vorwiderstand kannst du auch mit dem Rechner Zener-Stabilisierung bestimmen – setze dort 5 V als Z-Spannung und 1,25 mA (TL431 plus Teiler) als Mindeststrom ein.

Referenz für einen ADC

Ein Mikrocontroller misst mit seinem ADC relativ zu einer Referenz, oft einfach zur Versorgungsspannung. Schwankt die, schwankt jeder Messwert mit. Eine externe Referenz am Referenzeingang macht die Messung unabhängig davon.

Mehr zur Auflösung rechnet ADC-Auflösung und Messbereich vor, mehr zum Wandler selbst steht unter AD- und DA-Wandler.

Weitere Anwendungen

• Rückkopplung im Schaltnetzteil: Auf der Ausgangsseite eines Steckernetzteils misst ein TL431 die Ausgangsspannung und steuert die LED eines Optokopplers. Der Fototransistor auf der Netzseite meldet dem Regler-IC, ob er mehr oder weniger Energie liefern soll. Diese Kombination ist der Standard in getrennten Netzteilen.
• Spannungsüberwachung: Weil der TL431 schon bei wenigen Millivolt Abweichung von 2,495 V voll schaltet, eignet er sich als Schwellwertschalter, etwa für eine Unterspannungsabschaltung eines Akkus – ähnlich einem Komparator.
• Stärkerer Regler: Ein Leistungstransistor, den der TL431 ansteuert, übernimmt größere Ströme. So entsteht ein einfacher, genauer Linearregler.
• Konstantstromquelle: Mit einem Transistor und einem Messwiderstand hält der TL431 die Spannung am Widerstand auf 2,495 V und damit den Strom konstant.

Bauformen und Verwandte

Den TL431 gibt es im TO-92, SOT-23 (drei oder fünf Anschlüsse), SOT-89 und SOIC-8. Verwandte Typen decken andere Bereiche ab: Der TLV431 hat eine Referenz von 1,24 V und eignet sich für 3,3-V-Systeme mit wenig Strom; Shunt-Referenzen wie der LM4040 liefern feste Spannungen (2,048 V, 4,096 V …) ohne Teiler. Für höchste Genauigkeit gibt es Serienreferenzen, die wie ein kleiner Spannungsregler arbeiten, mit Toleranzen von 0,05 % und weniger als 10 ppm/K.

Auswahl und Praxistipps

Für einfache Referenzen und Netzteilregelungen ist der TL431 in Klasse A oder B kaum zu schlagen. Brauchst du nur eine grobe Hilfsspannung, reicht eine Z-Diode; brauchst du Präzision für Messtechnik, nimm eine Serienreferenz mit spezifiziertem Rauschen und Langzeitdrift.

Häufige Fehler:

• Mindeststrom unterschritten: Unter etwa 1 mA regelt der TL431 nicht zuverlässig. Rechne ihn wie I_Zmin bei der Z-Diode in den Vorwiderstand ein.
• Teiler zu hochohmig: Mit 1 MΩ würde der REF-Strom von bis zu 4 µA schon 4 V Fehler erzeugen. Bleib bei Teilerströmen von mindestens 100 µA.
• Pinbelegung verwechselt: Besonders im SOT-23 sind REF, K und A je nach Hersteller anders verteilt.
• Kondensator „zur Beruhigung“: Ein 100-nF-Kondensator an der Kathode kann genau im instabilen Bereich liegen und Schwingungen erst verursachen.
• Teilerwiderstände mit 5 %: Die Widerstände bestimmen die Genauigkeit genauso wie der TL431. Nimm 1 % oder besser und einen kleinen Temperaturkoeffizienten (siehe Festwiderstand).

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