TL431: Zener ajustable desde 2,5Volts a 36Volts

Entre los componentes electrónicos que encontramos dentro de las actuales fuentes de alimentación conmutadas, existe uno muy enigmático, de difícil evaluación, para conocer su verdadero estado de funcionamiento, y del que las hojas de datos ofrecen poca información, más allá de mostrar que se trata de un circuito integrado. Además de saber que el TL431 (conocido con otros prefijos; según el fabricante) es un Adjustable Precision Zener Shunt Regulator los textos no suministran demasiados indicios de cómo evaluar y, en el mejor de los casos, utilizar en forma práctica este componente. Y como todo dispositivo “misterioso”, en una falla y ante la duda, termina siendo reemplazado por uno nuevo. No tires más el dinero a la basura y aprende a sacar ventajas de este interesante Zener Ajustable de Precisión.

El TL-AZ-LM…431 es un regulador Shunt ajustable con todas las características que puede tener el mejor diodo zener tradicional y que la mayoría conoce. Pero antes de hablar de este circuito integrado tan popular, vale hacer una breve reseña para aquellos que no conozcan a fondo el funcionamiento de un diodo zener, es decir, hagamos un poco de electrónica básica. Su aspecto suele ser el mismo que el de un diodo tradicional, pero su funcionalidad no se basa en dejar circular la corriente en un sentido e impedir este procedimiento en el sentido inverso. Si recordamos el diodo tradicional, este consta de dos materiales semiconductores unidos, donde cada material posee características particulares (infusiones).

Uno está “dopado” (tiene abundancia) con electrones libres y forma la región N del diodo, que en la práctica conocemos como Cátodo. En forma universal, en los circuitos, se suele encontrar representada con la abreviatura K. Ése es, en la práctica, uno de los terminales del diodo que, como característica distintiva posee una raya o línea de indicación, para decirnos: “yo soy el cátodo”. La otra región está también realizada como una aleación con un material que posee falta de electrones o, lo que es lo mismo, abundancia de huecos o lagunas. Éste es el terminal conocido como Ánodo. Cuando estos materiales se unen por primera vez, existe un pasaje de electrones hacia el material carente de ellos hasta que se forma una zona de equilibrio y la corriente deja de circular o se hace despreciable (siempre puede existir, debido a agitación térmica, variación de temperatura, etc.) y a esta condición se la puede considerar como de equilibrio térmico.

Cuando inyectamos electrones a la región N, estos se atraen hacia los huecos (o lagunas) que abundan en la región P y la juntura se estrecha a tal punto que los electrones “saltan” la barrera de potencial pasando a poner el diodo en conducción, “polarizado en directa”. Nunca se cierra en forma completa el paso, siempre queda un potencial a vencer y eso varía de un diodo a otro según el material y la tecnología de construcción de estos semiconductores. A la inversa, la región P absorbe electrones, los electrones de la región N se van hacia el polo positivo donde abundan los huecos, y la barrera de potencial se ensancha hasta un punto en que el material se torna estable y no hay más elementos para combinar. En esta instancia, el diodo está polarizado en inversa y la corriente no circula en cantidades, como lo haría en polarización directa. Pasando a la clásica gráfica de la curva característica de un diodo, veremos que en el primer cuadrante encontramos la función característica de conducción del diodo, a partir del umbral de la tensión de juntura, propia de cada diodo.

Es decir, en polarización directa, el diodo conduce y la gráfica nos lo muestra, con mínima necesidad de tensión, circula gran cantidad de corriente. En el tercer cuadrante, encontrábamos la respuesta a la polarización inversa donde existe una ínfima corriente de fuga inversa que, si incrementamos la tensión aplicada a los terminales, llegaremos hasta alcanzar un punto conocido como tensión de ruptura del diodo. Esto es, la tensión necesaria que se necesita para vencer la juntura NP polarizada en forma inversa y ensanchada al máximo por esta conexión.

En ese punto de ruptura, la curva cae de manera abrupta y recta provocando una circulación de corriente tan elevada que lleva al diodo a un estado de cortocircuito (conducción en ambos sentidos) y/o destrucción. Para los diodos zener en particular (fabricados en forma especial para funcionar así) la curva hacia la ruptura es amplia, muy amplia respecto a un diodo tradicional que es muy cerrada y de rápida caída. Como puedes ver en la imagen superior, esa curva admite algunas centenas de mili-volts mientras por el diodo circula corriente en forma inversa. De este modo, un diodo zener puede regular una tensión de trabajo gracias a esa corriente que circula en su interior, en forma inversa, pero hay que tener mucho cuidado aquí. Un zener puede disipar poca potencia y no puede absorber la corriente que se nos ocurra para mantener estable una tensión. El 7805 no hubiera existido si esto fuera así. El zener tampoco almacena energía para alimentar un circuito como lo haría un capacitor electrolítico. Para una mejor comprensión, nada mejor que un gráfico.

Los tradicionales diodos zener vienen en tensiones que varían desde los 2,4Volts hasta los 200Volts con potencias de hasta 50Watts, pero ¿vamos a comprar todos los diodos zener del mercado para, quizás, nunca utilizar algunos? Hay tensiones que se utilizan muy poco y las más empleadas en los circuitos de control, o baja potencia, no llegan más allá de los 30Volts. La cantidad se reduce drásticamente, pero seguimos necesitando varias decenas de valores. Sobre esa necesidad habla este artículo y cómo resolverla. El TL431 es, en síntesis, un diodo zener ajustable entre 2,5Volts y 36Volts. Según el fabricante, cambia su prefijo pero su nomenclatura siempre llevará el 431.

Al final del artículo te dejamos una serie de hojas de datos de diversos fabricantes de este circuito integrado y allí podrás apreciar que, no sólo cambia el prefijo, sino que las letras finales también lo hacen indicando tensión máxima de trabajo, temperatura de operación y otros parámetros que hacen al desempeño y la utilización de este dispositivo. Nosotros lo llamaremos TL431 en todo el artículo, pero ya sabes que puede venir con otros nombres. Su utilización depende de tres resistencias, su implementación es muy sencilla y su costo es irrisorio por lo que resulta extraño su poco uso en la electrónica diaria de la mayoría de los desarrolladores. Como en NeoTeo no dejamos nada sin utilizar o reciclar, nos propusimos hacer algo con este zener ajustable (que abunda)

Hasta ahora, la mejor referencia que teníamos para utilizar con un PIC, en AN3/Vref+, era un LM336-2.5V o el LM336-5V. De este modo, como hemos visto en otros artículos donde utilizamos el de 2,5Volts, las mediciones con el ADC del PIC son precisas durante todo momento, sin importar las fluctuaciones que pueda tener la alimentación del PIC, ante la activación de cargas externas. Recordemos que cuando utilizamos la referencia interna del PIC, desconectando los comparadores de tensión que trae en su encapsulado, las mediciones pueden ser erróneas ya que un LED encendido de más o de menos puede alterarnos la conversión ADC. 1023 muestras divididas por una tensión fluctuante, puede proporcionarnos valores imposibles para mediciones de control de precisión. En el caso de 1023 / 5Volts tendremos una muestra cada 4,88mV y para 2,5Volts será, por lógica la mitad: 2,44Volts. Con el TL431, para obtener otros valores diferentes a 2,5 o 5Volts, debemos realizar un pequeño arreglo de resistencias y unas pocas operaciones matemáticas muy elementales. Recuerda siempre mantener la corriente de zener “Iz” a un valor seguro debajo de 100mA.

Debemos tener en cuenta, y muy en claro, que estamos hablando de circuitos que se utilizan como “referencias de tensión”, es decir, donde no alimentaremos nada, ni siquiera un LED y la corriente que puedan entregar estará en el orden de los micro-amperes o apenas un par de mili-amperes. Así trabaja un zener convencional y así lo hace el TL431 con la ventaja de que este circuito integrado te permitirá tener un zener hecho a tu necesidad y medida.

Ahora que ya tenemos en claro como utilizar el TL431 como si fuera un zener variable, nuestro paso obligado es transformar esta idea de diseño en una fuente de alimentación regulada serie. El esquema que te mostramos es elemental y básico como para comenzar a hacer los primeros ensayos y experimentos (porque de eso se trata este juego). Puedes iniciar con una pequeña fuente de alimentación de 1 Amper empleando un BC337, o un BC639, y experimentar con ella en circuitos de pequeño y mediano consumo. La tensión de salida, según el ejemplo tomado de la hoja de datos, será de 5Volts y debes tener en cuenta, según lo que menciona la misma, es que Rb debe proveer una corriente de cátodo mayor a 1mA hacia el TL431. Si la hoja de datos menciona que podemos drenar una corriente comprendida entre 1 y 100mA podemos seleccionar 50mA como valor seguro para corriente de cátodo en este caso junto a una alimentación de entrada de 10Volts (utilizando un transformador que nos rectifique 7,5VAC). De este modo, Rb = 10V / 0,05A = 200 Ohms, por lo que una R de 220 Ohms funcionará sin problemas. (Recuerda, por allí pasa muy baja corriente, no es necesaria una R de alta disipación). El resto, es la fórmula ya conocida utilizando resistencias iguales de 27K.

La última parte de este artículo estará dedicada a encontrar la forma de “perder el miedo” a este componente desconocido y complejo. Para esto, tenemos que saber algunos secretos muy sencillos de recordar y muy útiles para el futuro, cuando se nos crucen por el camino. Por ejemplo, este IC siempre estará sobre el secundario de las fuentes conmutadas que traen los reproductores de DVD económicos (chinos), o de cualquier otro tipo de fuente conmutada económica (de TV)(obvio, también chino). La disposición de pines puede asustarte al principio, pero al familiarizarte con este dispositivo, será muy sencilla su inclusión en futuros diseños. Los ensayos que puedes hacer para comprobar si funcionan de manera correcta, son también muy simples. Estableces el circuito donde unes Vref con el Cátodo y colocas una R que le haga circular al menos 10mA, eso es todo, es el primer circuito que vimos. Si obtienes 2,5Volts en el cátodo, significará que el dispositivo funciona. Por supuesto, antes puedes hacer un ensayo estático con el multímetro observando que no existan cortocircuitos entre sus pines y también puedes avanzar un poco más hasta organizar una pequeña fuente de alimentación de configuración serie, sobre un protoboard.

Por lo tanto; son baratos, sirven para reemplazar a todos los zeners y sistemas de referencia de tensión que conozcas (salvo casos extraordinarios), ya sabes donde encontrarlos si no deseas comprarlos, también sabes cómo ensayarlos, por si dudas sobre su funcionamiento. ¡Deja ya de usar un 7805 como referencia! No necesitas más, sólo animarte y usarlos. Recuerda que soportan hasta 100mA de corriente en polarización inversa y son capaces de transformarse en un zener de 2,5Volts a 36Volts con apenas un par de resistencias. ¿No conocías a este dispositivo? En TV y DVD se utiliza desde hace algunos años con mucho éxito.