Дарлингтон транзистор: Составной транзистор (схема Дарлингтона и Шиклаи)

Составной транзистор (схема Дарлингтона и Шиклаи)

Составной транзистор — электрическое соединение двух или более биполярных транзисторов, полевых транзисторов или IGBT-транзисторов, с целью улучшения их электрических характеристик. К этим схемам относят так называемую пару Дарлингтона, пару Шиклаи, каскодную схему включения транзисторов, схему так называемого токового зеркала и др.

 

Условное обозначение составного транзистора

 

Составной транзистор имеет три вывода (база, эмиттер и коллектор), которые эквивалентны выводам обычного одиночного транзистора. Коэффициент усиления по току типичного составного транзистора (иногда ошибочно называемого «супербета»), у мощных транзисторов ≈ 1000 и у маломощных транзисторов ≈ 50000. Это означает, что небольшого тока базы достаточно для того, чтобы составной транзистор открылся.

В отличие от биполярных, полевые транзисторы не используются в составном включении. Объединять полевые транзисторы нет необходимости, так как они и без того обладают чрезвычайно малым входным током. Однако существуют схемы (например, биполярный транзистор с изолированным затвором), где совместно применяются полевые и биполярные транзисторы. В некотором смысле, такие схемы также можно считать составными транзисторами. Так же для составного транзистора достигнуть повышения значения коэффициента усиления можно, уменьшив толщину базы, но это представляет определенные технологические трудности.

Примером супербета (супер-β) транзисторов может служить серия КТ3102, КТ3107. Однако их также можно объединять по схеме Дарлингтона. При этом базовый ток смещения можно сделать равным всего лишь 50 пкА (примерами таких схем служат операционные усилители типа LM111 и LM316).

 

Фото типичного усилителя на составных транзисторах

 

Схема Дарлингтона

 

Один из видов такого транзистора изобрёл инженер-электрик Сидни Дарлингтон (Sidney Darlington).

 

Принципиальная схема составного транзистора

 

Составной транзистор является каскадным соединением нескольких транзисторов, включенных таким образом, что нагрузкой в эмиттере предыдущего каскада является переход база-эмиттер транзистора следующего каскада, то есть транзисторы соединяются коллекторами, а эмиттер входного транзистора соединяется с базой выходного. Кроме того, в составе схемы для ускорения закрывания может использоваться резистивная нагрузка первого транзистора. Такое соединение в целом рассматривают как один транзистор, коэффициент усиления по току которого при работе транзисторов в активном режиме приблизительно равен произведению коэффициентов усиления первого и второго транзисторов:

 

β_с = β₁ ∙ β₂

 

Покажем, что составной транзистор действительно имеет коэффициент β, значительно больший, чем у его обоих компонентов. Задавая приращение dl_б = dl_б1, получаем:

 

dlэ1 = (1 + β₁) ∙ dl_б = dl_б2

 

dl_к = dl_к1 + dl_к2 = β₁ ∙ dl_б + β₂ ∙ ((1 + β₁) ∙ dl_б)

 

Деля dl_к на dl_б, находим результирующий дифференциальный коэффициент передачи:

 

β_Σ = β₁ + β₂ + β₁ ∙ β₂

 

Поскольку всегда β>1, можно считать:

 

β_Σ = β₁ ∙ β₁

 

Следует подчеркнуть, что коэффициенты β₁ и β₁ могут различаться даже в случае однотипных транзисторов, поскольку ток эмиттера I_э2 в 1 + β₂ раз больше тока эмиттера I_э1 (это вытекает из очевидного равенства I_б2 = I_э1).

 

Схема Шиклаи

 

Паре Дарлингтона подобно соединение транзисторов по схеме Шиклаи, названное так в честь его изобретателя Джорджа Шиклаи, также иногда называемое комплементарным транзистором Дарлингтона. В отличие от схемы Дарлингтона, состоящей из двух транзисторов одного типа проводимости, схема Шиклаи содержит транзисторы разной полярности (p–n–p и n–p–n). Пара Шиклаи ведет себя как n–p–n-транзистор c большим коэффициентом усиления. Входное напряжение — это напряжение между базой и эмиттером транзистора Q1, а напряжение насыщения равно, по крайней мере, падению напряжения на диоде. Между базой и эмиттером транзистора Q2 рекомендуется включать резистор с небольшим сопротивлением. Такая схема применяется в мощных двухтактных выходных каскадах при использовании выходных транзисторов одной полярности.

 

Каскад Шиклаи, подобный транзистору с n–p–n переходом

 

Каскодная схема

 

Составной транзистор, выполненный по так называемой каскодной схеме, характеризуется тем, что транзистор VT1 включен по схеме с общим эмиттером, а транзистор VT2 — по схеме с общей базой. Такой составной транзистор эквивалентен одиночному транзистору, включенному по схеме с общим эмиттером, но при этом он имеет гораздо лучшие частотные свойства и большую неискаженную мощность в нагрузке, а также позволяет значительно уменьшить эффект Миллера (увеличение эквивалентной ёмкости инвертирующего усилительного элемента, обусловленное обратной связью с выхода на вход данного элемента при его выключении).

 

Достоинства и недостатки составных транзисторов

 

Высокие значения коэффициента усиления в составных транзисторах реализуются только в статическом режиме, поэтому составные транзисторы нашли широкое применение во входных каскадах операционных усилителей. В схемах на высоких частотах составные транзисторы уже не имеют таких преимуществ — граничная частота усиления по току и быстродействие составных транзисторов меньше, чем эти же параметры для каждого из транзисторов VT1 и VT2.

 

Достоинства:

а) Высокий коэффициент усиления по току.

б) Cхема Дарлингтона изготавливается в виде интегральных схем и при одинаковом токе рабочая поверхность кремния меньше, чем у биполярных транзисторов. Данные схемы представляют большой интерес при высоких напряжениях.

 

Недостатки:

а) Низкое быстродействие, особенно перехода из открытого состояния в закрытое. По этой причине составные транзисторы используются преимущественно в низкочастотных ключевых и усилительных схемах, на высоких частотах их параметры хуже, чем у одиночного транзистора.

б) Прямое падение напряжения на переходе база-эмиттер в схеме Дарлингтона почти в два раза больше, чем в обычном транзисторе, и составляет для кремниевых транзисторов около 1,2 — 1,4 В (не может быть меньше, чем удвоенное падение напряжения на p-n переходе).

в) Большое напряжение насыщения коллектор-эмиттер, для кремниевого транзистора около 0,9 В (по сравнению с 0,2 В у обычных транзисторов) для маломощных транзисторов и около 2 В для транзисторов большой мощности (не может быть меньше чем падение напряжения на p-n переходе плюс падение напряжения на насыщенном входном транзисторе).

Применение нагрузочного резистора R1 позволяет улучшить некоторые характеристики составного транзистора. Величина резистора выбирается с таким расчётом, чтобы ток коллектор-эмиттер транзистора VT1 в закрытом состоянии создавал на резисторе падение напряжения, недостаточное для открытия транзистора VT2. Таким образом, ток утечки транзистора VT1 не усиливается транзистором VT2, тем самым уменьшается общий ток коллектор-эмиттер составного транзистора в закрытом состоянии. Кроме того, применение резистора R1 способствует увеличению быстродействия составного транзистора за счёт форсирования закрытия транзистора VT2. Обычно сопротивление R1 составляет сотни Ом в мощном транзисторе Дарлингтона и несколько кОм в малосигнальном транзисторе Дарлингтона. Примером схемы с эмиттерным резистором служит мощный n-p-n — транзистор Дарлингтона типа кт825, его коэффициент усиления по току равен 10000 (типичное значение) для коллекторного тока, равного 10 А.

Составные транзисторы Дарлингтона против Шиклаи

Darlington и Sziklai составные транзисторы. Какую пару выбрать для выходного кас- када УМЗЧ, выполненного на биполярных транзисторах?

Несмотря на то, что в последнее время всё большая часть выходных каскадов промышленных УМЗЧ выполняется на мощных полевых MOSFET-ах, усилители на биполярных транзисторах никуда не подевались, мало того – на них строится и некоторое количество звуковоспроизводящей аппаратуры класса Hi-End.
Именно такой Hi-End усилитель мощности NHB-108 фирмы DarTZeel мы подробно обсудили странице  (ссылка на страницу).

Одним из важных преимуществ полевых транзисторов является почти полное отсутствие входного тока в цепи затвора, что в большинстве случаев позволяет упростить схемотехнику и, как результат, конструкцию изделия. С другой стороны – значительные величины входных ёмкостей и приличный разброс параметров мощных MOSFET-ов делают в некоторых случаях предпочтительным использование именно биполярных приборов.

Для максимального упрощения задачи схемотехника были созданы транзисторы с очень высоким коэффициентом усиления (более 1000), которые называются составными и которые дают возможность проектировать схемы на биполярниках, не сильно задумываясь о входных токах.

Наиболее часто используемое включение составных транзисторов в выходных каскадах усилителей – схема Дарлингтона (Рис. 1 а и б). Составные транзисторы по схеме включения Шиклаи используются значительно реже – и зря. Почему?
А ответ на этот вопрос дал конструктор электронных устройств и большой специалист в области звукотехники – Род Эллиот в своей статье “Шиклаи соединение против пары Дарлингтона”.

Приведу наиболее, на мой взгляд, важные выдержки из этой статьи:

Пары Дарлингтона и Шиклая широко используются в линейных цепях, причём пары Дарлингтона являются наиболее распространёнными. Читатели моих Аудио Страниц могут заметить, что я в своих разработках для выходных каскадов усилителя мощности почти всегда без исключения использовал пары составных транзисторов по схеме включения Шиклая. Это относительно необычный подход, но для этого выбора имеются веские причины.
Давным-давно было установлено и продемонстрировано, что составная пара Шиклая обладает большей линейностью, чем пара Дарлингтона, и, хотя эта информация, по-видимому, игнорировалась большинством людей в течение очень долгого времени, она все ещё верна.

1. Линейность составных пар.

На Рис.2 показана пара простых повторителей напряжения, один из которых использует составную пару Шиклая, а другой – Дарлингтона.

Рис. 2 Повторители на парах Шиклая и Дарлингтона

Это довольно простые каскады, и трудно ожидать какой-либо существенной разницы между ними, учитывая то, что эти цепи охвачены 100%-ой отрицательной обратной связью.
Входной сигнал представляет собой синусоиду с пиковым напряжением 1 В (среднеквадратичное значение 707 мВ) и смещением постоянного тока 6 В, необходимым для того, чтобы установить рабочие точки выходов повторителей на уровне, близком к половине напряжения питания.

Первое, что бросается в глаза, это то, что составная пара Шиклая имеет более высокое выходное напряжение (это 99,5% от входного напряжения) по сравнению с парой Дарлингтона, которая передаёт на выход только 98,7%. Правда, это вряд ли можно назвать большой разницей, но, тем не менее, это заметно.

Более интересным параметром являются – искажения, вносимые этими двумя конфигурациями, и это продемонстрировано ниже.

Рис.3 Графики нелинейных искажений повторителей на парах Шиклая и Дарлингтона

Совершенно очевидно, что составная пара Шиклая (чёрная кривая) имеет меньший уровень гармоник, расположенных выше минимального уровня шума -120 дБ, и все они находятся на более низком уровне по отношению к Дарлингтону – на 20 дБ и более!
Как можно увидеть, пара Дарлингтона имеет и в 3 раза больший суммарный уровень искажений, чем составная пара Шиклая. Хотя обе цифры превосходны и значительно ниже порога слышимости, но следует помнить, что каждая ступень системы вносит некоторые искажения, поэтому для каждого каскада важно поддерживать как можно более высокий параметр линейности.

Как я отмечал во многих статьях – THD усилителя является важным показателем не только потому, что мы слышим низкие уровни искажений, но и потому, что он является хорошим индикатором общей линейности. А любая нелинейность вызывает рост интермодуляционных искажений (IMD), считающихся наиболее нежелательными в звуковом тракте.

2. Температурная стабильность.

Для таких конструкций, как двухтактные усилители мощности, термостабильность выходного каскада имеет первостепенное значение. Коэффициент усиления транзистора зависит от температуры, при увеличении температуры – увеличивается и коэффициент усиления. Эта температурная зависимость сохраняется вплоть до температур, которые могут вызвать пробой полупроводника. Кроме того, с ростом температуры уменьшается напряжение база-эмиттер транзистора (примерно на 2 мВ/°C), поэтому определённые средства стабилизации тока смещения являются обязательными.

В составной паре Sziklai влияние температурной зависимости выходного транзистора Q2 значительно меньше, чем влияние драйвера Q1. Основным элементом, определяющим ток смещения, является именно управляющий транзистор, который рассеивает сравнительно небольшую мощность, в связи с чем – на нём гораздо проще поддерживать постоянную температуру.

Как итог – общая температурная зависимость составной пары Шиклая значительно ниже, чем у пары Дарлингтона, выходной ток которого зависит от напряжений база-эмиттер двух каскадно соединённых транзисторов, в результате чего эффект удваивается.
Это усугубляется тем фактом, что большинство усилителей, использующих выходной каскад Дарлингтона, имеют драйвер и силовой транзистор в одном корпусе, а потому оказываются установленными в одной точке радиатора.

Соберём схемы для проверки температурной зависимости транзисторных пар Шиклая и Дарлингтона

Рис.4 Схемы для проверки температурной зависимости составных транзисторов

и проверим сказанное выше.

Температура транзистора		Sziklai пара	Darlington пара
Q1, Q3 (Driver)	Q2, Q4 (Output)	Выходной ток	Выходной ток
25 °C	25 °C	41 mA	41 mA
75 °C	25 °C	123 mA	96 mA
25 °C	75 °C	44 mA	87 mA
75 °C	75 °C	126 mA	148 mA

В таблице приведены температурные зависимости двух цепей, изображённых на Рис. 4.
Поскольку гораздо проще поддерживать постоянную температуру на драйверных транзисторах, очевидно, что будет и гораздо проще поддерживать стабильный выходной ток в составной паре Шиклаи, по сравнению с цепью, использующей пару Дарлингтона.
Это было доказано на практике. Ни один из моих проектов не имеет проблем с термостабильностью, и все биполярные конструкции используют выходной каскад, выполненный на составной паре Шиклаи.

2. Двухтактные выходные каскады.

Три типовые схемы выходных каскадов усилителей мощности показаны на Рис.5. Очевидно, что есть и другие, но они обычно базируются на той или иной комбинации из представленных на рисунке.

Рис.5 Три основные схемы выходных каскадов усилителей мощности

Самой старой из представленных схем является первая схема (A) – каскад квазикомплементарной симметрии. Эта схема являлась основной до того момента, как появились комплементарные пары транзисторов разной проводимости.
А как только начался выпуск комплементарных транзисторов, основное распространение получила полностью симметричная конфигурация (B) с использованием пар Дарлингтона. В течение многих лет и до сих пор – этот тип выходного каскада остаётся самым распространённым.
При соответствующем выборе смещения все эти схемы имеют довольно хорошие характеристики искажений, причём пара Шиклаи является лучшей, а квазикомплементарная – худшей.

Все каскады, выполненные в соответствии со схемами, показанными на Рис.5, имеют менее 1% THD при нагрузке 8 Ом (Шиклаи – 0,05%, Дарлингтон – 0,23%, квазикомплементарный – 0,65%).

По причинам, которые я всегда находил неясными и несколько загадочными, я обнаружил, что каждый усилитель, который я проектировал с использованием конфигурации Шиклаи, имел паразитные колебания на отрицательной полуволне.
Добавление конденсатора небольшой ёмкости (обычно 220 пФ), установленного, как показано на схеме, было необходимо каждый раз и полностью устраняло эту проблему.

 

Транзисторная пара Дарлингтона » Electronics Notes

Краткое изложение или учебное пособие, объясняющее конфигурацию схемы транзисторной пары Дарлингтона, с основными сведениями о проектировании и эксплуатации схемы.

---

Пара Дарлингтона Учебное пособие Включает:
Пара Дарлингтона Схемы Дарлингтона Дарлингтон дизайн Пара Шиклаи Выходная пара Дарлингтон/Шиклаи

См. также: Схема транзистора Типы транзисторных схем

---

Одной из конфигураций транзисторной схемы, которая во многих случаях может быть использована с очень хорошим эффектом, является пара Дарлингтона. Пара Дарлингтона предлагает ряд преимуществ.

Он в основном используется, потому что он обеспечивает особенно высокий коэффициент усиления по току, что также отражается на высоком входном импедансе всей схемы Дарлингтона по сравнению с одним транзистором.

Базовая конфигурация транзистора с парой Дарлингтона

Однако пара Дарлингтона имеет некоторые недостатки и в результате не подходит для всех приложений с высоким коэффициентом усиления. Тем не менее, там, где это применимо, пара Дарлингтона может обеспечить множество преимуществ по сравнению с конфигурацией схемы с одним транзистором.

Пару Дарлингтона иногда также называют супер-альфа-парой, но в наши дни это название используется реже. Конфигурация схемы была изобретена в Bell Laboratories Сиднеем Дарлингтоном в 1953 году, когда велась значительная работа по разработке транзисторов.

Идея заключалась в том, чтобы иметь два или три транзистора на одном кристалле, где эмиттер одного транзистора был соединен с базой следующего, и все транзисторы в конфигурации Дарлингтона имели общий коллектор.

Схемы

на паре транзисторов Дарлингтона можно приобрести как отдельные электронные компоненты, т. е. два транзистора, или их также можно приобрести как единый электронный компонент с двумя транзисторами, интегрированными в одну микросхему.

Также доступны многие массивы Дарлингтона, в которых несколько пар транзисторов Дарлингтона содержатся в одном корпусе. Обычно они содержатся в корпусе ИС, поскольку они часто используются для управления дисплеями и т. Д. Это делает пары транзисторов Дарлингтона очень простыми в использовании и включении в новые электронные схемы.

Конфигурация парной цепи Дарлингтона

Конфигурация парной цепи Дарлингтона весьма своеобразна. Обычно он состоит из двух транзисторов, хотя теоретически может содержать и больше. Эмиттер входного транзистора подключен непосредственно к базе второго. Оба коллектора соединены между собой. Таким образом, ток базы первого транзистора поступает на базу второго.

Это приводит к очень высокому уровню усиления по току. Общий коэффициент усиления по току пары Дарлингтона является произведением двух отдельных транзисторов:

Суммарное текущее усиление=Hfe1 Hfe2

Это означает, что если бы использовались два транзистора со скромным коэффициентом усиления по току 50, то общий коэффициент усиления по току составил бы 50 x 50 = 2500.

Этот огромный уровень усиления по току очень полезен во многих схемах, особенно там, где нагрузки с низким импедансом должны управляться высокими уровнями тока.

Шунтирующий резистор базового эмиттера

Хотя парная схема Дарлингтона часто используется в ее базовом формате, ее часто можно увидеть с обходным резистором между выводами базы и эмиттера конечного транзистора.

Транзистор Дарлингтона с резистором база-эмиттер

Шунтирующий резистор включен для облегчения процесса выключения. Без установленного резистора нет пути разряда для любого заряда, содержащегося в конденсаторе, образованном переходом база-эмиттер. В том числе это позволяет заряду, хранящемуся в этом конденсаторе, рассеиваться, и это способствует более быстрому выключению.

Включение этого резистора является хорошей схемой, но если скорость не имеет значения, резистор можно не использовать. Однако, если стоимость и количество компонентов не являются ключевыми факторами при проектировании схемы, разумно включить этот электронный компонент, чтобы предотвратить любые необычные явления выключения.

Определение номинала резистора не является точной наукой. Меньшие резисторы дадут более быстрое выключение, но если они сделаны слишком маленькими, то большая часть управляющего тока для второго транзистора проходит через резистор, и коэффициент усиления теряется.

Если номинал резистора низкий и он отбирает ток у базы второго транзистора, то коэффициент усиления по току будет уменьшен, и уравнение для общего коэффициента усиления Дарлингтона должно учитывать это.

Типичные значения могут составлять несколько сотен Ом для мощного транзистора Дарлингтона и несколько тысяч Ом для маломощного транзистора.

Атрибуты пары Дарлингтона

Пара Дарлингтона имеет много положительных характеристик. Некоторые из основных характеристик и параметров пары Дарлингтона приведены ниже:

• Высокий коэффициент усиления по току:   Уже было замечено, что коэффициент усиления по току Дарлингтона очень высок. Часто встречаются цифры, превышающие несколько тысяч.
• Напряжение базового эмиттера: Пара Дарлингтона демонстрирует более высокое напряжение между входной базой и выходным эмиттером, чем одиночный транзистор. Поскольку имеется два перехода база-эмиттер, напряжение включения всей пары Дарлингтона в два раза больше, чем у одного транзистора. Для кремниевого транзистора это означает, что для протекания тока в цепи выходного коллектора-эмиттера входная база должна быть примерно на 1,2–1,4 В выше выходного эмиттера. Для германиевой пары Дарлингтона напряжение будет около 0,5 вольт.
• Частотная характеристика:  Схемы на транзисторах с парой Дарлингтона обычно не используются для высокочастотных приложений. Пара Дарлингтона по своей природе относительно медленная, потому что ток базы выходного транзистора не может мгновенно отключиться. В результате пары Дарлингтона обычно используются в низкочастотных приложениях, в том числе в источниках питания или в областях, где требуется очень высокое входное сопротивление.

При разработке любой электронной схемы, включающей конфигурацию пары Дарлингтона, следует помнить обо всех атрибутах конфигурации, чтобы обеспечить наилучшие характеристики всей схемы.

Символ схемы транзистора Дарлингтона

Часто пара транзисторов Дарлингтона изображается как два отдельных транзистора, особенно схема, состоящая из двух дискретных транзисторов. Однако транзисторы Дарлингтона доступны как единое устройство. Чтобы показать это, часто полезно показать пару Дарлингтона в одном конверте. В таких случаях транзистор Дарлингтона показан справа.

Символ схемы для микросхемы пары Дарлингтона

Хотя на схеме символа схемы показана микросхема Дарлингтона на основе NPN, также возможны версии на основе PNP. Наличие как PNP, так и NPN Дарлингтона позволяет разрабатывать дополнительные схемы симметрии.

Преимущества и недостатки пары Дарлингтона

Пара Дарлингтона может предложить много преимуществ, но их необходимо уравновешивать недостатками при рассмотрении вопроса о включении их в электронную схему.

Преимущества пары Дарлингтона

• Очень высокий коэффициент усиления по току
• Очень высокий входной импеданс всей схемы
Пары Дарлингтона
• широко доступны в одном корпусе или могут быть изготовлены из двух отдельных транзисторов
• Удобная и простая конфигурация схемы

Недостатки пары Дарлингтона

• Низкая скорость переключения
• Ограниченная пропускная способность
• Вводит фазовый сдвиг, который может вызвать проблемы на определенных частотах в цепи с использованием отрицательной обратной связи
• Более высокое общее напряжение база-эмиттер = 2 x В _будет .
• Высокое напряжение насыщения (обычно около 0,7 В), которое может привести к высокому уровню рассеивания мощности в некоторых приложениях

Пара транзисторов Дарлингтона является очень полезной схемой во многих приложениях. Он обеспечивает высокий уровень усиления по току, который можно использовать во многих силовых приложениях. Хотя пара Дарлингтона имеет некоторые ограничения, тем не менее, она используется во многих областях, особенно там, где не нужны высокие частоты. В частности, транзисторы Дарлингтона используются для приложений, включая аудиовыходы, выходы источников питания, драйверы дисплея и т.п.

Больше схем и схемотехники:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Транзисторная конструкция Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы схемы полевых транзисторов Символы цепи
    Вернитесь в меню проектирования схем . . .

PNP и NPN Транзисторные схемы усилителя Дарлингтона

В этом уроке мы узнаем о транзисторе Дарлингтона или паре Дарлингтона. Мы увидим, для чего используется пара Дарлингтона, несколько примеров схем, некоторые общие приложения, преимущества и недостатки.

Краткое описание

Введение в транзистор Дарлингтона

Транзистор Дарлингтона или просто пара Дарлингтона в основном используется для обеспечения очень высокого коэффициента усиления по току даже при низком базовом токе. Конфигурация Дарлингтона была изобретена Сиднеем Дарлингтоном в 1953 году.

На современном рынке доступно большое разнообразие транзисторов Дарлингтона, которые различаются по полярности, току коллектора, рассеиваемой мощности, типу корпуса, максимальному напряжению СЕ и так далее.

[адсенс1]

Эти транзисторы используются в различных устройствах, таких как регуляторы мощности, контроллеры двигателей, аудиоусилители и т. д. Многие схемы оптоизоляторов изготовлены из транзисторов Дарлингтона, что обеспечивает высокую допустимую нагрузку по току на выходном каскаде. Давайте кратко рассмотрим этот транзистор с приложениями.

Транзистор Дарлингтона

НАВЕРХ

Почему мы используем транзистор Дарлингтона?

Как известно, для перевода транзистора в режим проводимости требуется небольшой ток базы, когда база подключена как вход, эмиттер как общий, а коллектор как выход.

Но, если принять во внимание нагрузку на клемме коллектора, этого небольшого тока базы может быть недостаточно для перевода транзистора в проводимость. Коэффициент усиления по току или бета транзистора представляет собой отношение тока коллектора к току базы.

Коэффициент усиления транзистора или коэффициент усиления по току (β) = ток нагрузки или коллектора/входной или базовый ток

Ток нагрузки = коэффициент усиления по току (β) × ток базы

Для нормального транзистора значение β равно 100. что ток, доступный для управления нагрузкой, в 100 раз больше входного тока транзистора.

Рассмотрим рисунок ниже, где NPN-транзистор используется для переключения лампы с переменным резистором, подключенным между истоком и базовой клеммой. Здесь, в этой схеме, ток базы является единственным фактором, определяющим ток, протекающий через коллектор и эмиттер, так что свет будет светиться от тусклого до очень яркого за счет изменения сопротивления переменного резистора.

Если значение сопротивления переменного резистора больше, ток базы уменьшается, поэтому транзистор закрывается. Когда сопротивление слишком мало, через базу будет протекать достаточный ток, что приводит к очень большому току, протекающему через лампу, поэтому лампа становится ярче. Это усиление тока в транзисторе.

Стандартное переключение одного транзистора

В приведенном выше примере мы видели управление нагрузкой (лампой) с использованием одного транзистора. Но в некоторых приложениях входного базового тока от источника может быть недостаточно для управления нагрузкой. Мы знаем, что ток нагрузки в транзисторе является произведением входного тока и коэффициента усиления транзистора.

[адсенс2]

Поскольку увеличение тока базы невозможно из-за источника питания, единственный способ увеличить допустимый ток нагрузки — увеличить коэффициент усиления транзистора. Но он также фиксирован для каждого транзистора. Однако мы можем увеличить усиление, используя комбинацию из двух транзисторов. Эта конфигурация называется конфигурацией транзистора Дарлингтона.

BACK TO TOP

Транзистор Дарлингтона или пара Дарлингтона

Транзистор Дарлингтона представляет собой соединение двух транзисторов встречно-параллельным соединением, которое представляет собой полный пакет с тремя выводами базы, эмиттера и коллектора, что эквивалентно одиночному транзистору. . Пара биполярных транзисторов обеспечивает очень высокий коэффициент усиления по току по сравнению с упомянутым выше одним стандартным транзистором.

Пара этих транзисторов может быть PNP или NPN в зависимости от используемого приложения. На рисунке ниже показана конфигурация пары Дарлингтона с транзисторами NPN и PNP.

Конфигурации транзистора Дарлингтона

Рассмотрим конфигурацию NPN транзистора Дарлингтона. При этом очень маленький ток базы вызывает протекание большого тока эмиттера, который затем подается на базу следующего транзистора.

Усиленный ток первого транзистора снова усиливается коэффициентом усиления по току второго транзистора. Следовательно, ток эмиттера второго транзистора очень велик, что достаточно для работы с высокими нагрузками.

Предположим, если коэффициент усиления по току первого транзистора равен β1, а коэффициент усиления по току следующего транзистора равен β2, то общий коэффициент усиления по току транзисторов будет произведением β1 и β2. Для стандартного транзистора β равно 100. Таким образом, общий коэффициент усиления по току составляет 10000. Это значение очень велико по сравнению с одним транзистором, поэтому такой высокий коэффициент усиления по току дает высокий ток нагрузки.

Обычно для включения транзистора базовое входное напряжение должно быть больше 0,7 В. Поскольку в этой конфигурации используются два транзистора, базовое напряжение должно быть больше 1,4 В.

From the figure, Current gain of the first transistor

β ₁ = I _C1 /I _B1,

therefore I _C1  = β ₁ I _B1

Similarly, the коэффициент усиления по току следующего транзистора,

β ₂ = I _C2 /I _B2, then I _C2  = β ₂  I _B2

Total current at the collector is I _C = I _C1 +I _C2

I _C = β ₁ I _B1 + β ₂ I _B2

Но базовый ток второго транзистора,

I _B2 = I _{+ 9018 + I} + I + I + I + I + I + I + I + I + I + I + I + I _{+ I} + I _{+ I} + I _{+ I + I + I .}

I _B2 = β ₁ I _B + I _B

I _B2 = I _B (1 + β ₁ )

Заместительство в вышеуказанном уравнении,

I _C = β ₁ I _{I I I I I 8 I I 7. I I I I I 8 I 8 I 8 I 7 I I I I . + β 2 I B (1 + β 1 )}

I _C = I _B (β ₁ + β ₂ + β ₁ β ₂ )

В приведенном выше соотношении пренебрегают индивидуальными выигрышами, а полное уравнение аппроксимируется как

I _C = I _B (β ₁ β ₂ )

, который является общим усилением,

β = (β ₁ β ₂ )

99.18118 β ₂ )

9,5181818 β ₂ )

,5181818118 β ₂ )18 1 . BE  = V _BE1 + V _BE2.

НАВЕРХ

Пример схемы транзистора Дарлингтона

Рассмотрим следующую схему, в которой пара Дарлингтона используется для переключения нагрузки, рассчитанной на 12 В и 80 Вт. Коэффициенты усиления по току первого и второго транзисторов равны 50 и 60 соответственно. Таким образом, базовый ток, необходимый для полного включения лампы, рассчитывается следующим образом.

Схема транзистора Дарлингтона

Ток коллектора равен току нагрузки,

I _C = 80/12 = 6,67 A

Выходной ток транзистора Дарлингтона определяется как Ic = I + β ₂  + β ₁ β ₂ ),

I _B = I _C  / (β ₁ + β ₂  + β ₁ β ₂ )

Прирост тока, β ₁ = 50 и β ₂   = 60

Итак, I _B = 6,67 / (50 + 60 + (60 × 50))

I _B = 2,2 мА

9 9 Из приведенного выше расчета видно, что малый базовый ток позволяет коммутировать большие ламповые нагрузки.

Это небольшое базовое входное напряжение может быть подано с любого выхода микроконтроллера или любых цифровых логических схем.

НАВЕРХ

Применение транзистора Дарлингтона

Транзисторы Дарлингтона в основном используются в переключателях и усилителях для обеспечения очень высокого коэффициента усиления по постоянному току. Некоторыми из ключевых применений являются переключатели высокой и низкой стороны, усилители датчиков и аудиоусилители. Для светочувствительных приложений используются фотодарлингтоны. Давайте посмотрим на работу транзистора Дарлингтона для конкретного приложения.

НАВЕРХ

Транзистор Дарлингтона NPN в качестве переключателя

На приведенном ниже рисунке показано управление светодиодом с использованием транзистора Дарлингтона. Переключатель на базовой клемме также можно заменить датчиком прикосновения, чтобы при прикосновении загорался светодиод. Резистор на 100 кОм действует как защитный резистор для пары транзисторов.

Транзистор Дарлингтона в качестве переключателя

• Когда переключатель замкнут, на транзистор Дарлингтона подается заданное напряжение более 1,4 В. Это приводит к тому, что пара Дарлингтона становится активной и пропускает ток через нагрузку. В результате светодиод светится очень ярко, даже при изменении сопротивления на базе.
• Когда переключатель разомкнут, оба биполярных транзистора находятся в режиме отсечки и ток через нагрузку равен нулю. Таким образом, светодиод гаснет.
• Также можно использовать пару Дарлингтона для управления индуктивными нагрузками, такими как реле, двигатели. По сравнению с одним транзистором управление индуктивной нагрузкой с помощью пары Дарлингтона более эффективно, поскольку она обеспечивает высокий ток нагрузки при малом входном токе базы.
• На рисунке ниже показана пара Дарлингтона, которая управляет катушкой реле. Как мы знаем, для индуктивных нагрузок необходим параллельный обратный диод для защиты цепи от наведенных токов. Подобно приведенной выше схеме работы светодиодной схемы, катушка реле получает питание при подаче базового тока. Мы также можем использовать двигатель постоянного тока в качестве индуктивной нагрузки вместо катушки реле.

Транзистор Дарлингтона для переключающего реле

НАВЕРХ

PNP Транзистор Дарлингтона в качестве переключателя

• Мы можем использовать транзисторы PNP в качестве пары Дарлингтона, но чаще всего используются транзисторы NPN. Нет большой разницы в схеме с использованием NPN или PNP. На рисунке ниже показана простая схема датчика, которая выдает сигнал тревоги при функционировании пары Дарлингтона.
• Эта схема представляет собой простой индикатор уровня воды, в котором в качестве переключателя используется пара Дарлингтона. Мы знаем, что эта конфигурация транзистора обеспечивает большой ток коллектора, поэтому он может управлять зуммером на выходе.
• Когда уровень воды недостаточен для закрытия датчика, транзистор Дарлингтона находится в выключенном состоянии. Следовательно, цепь становится разомкнутой, и ток по ней не течет.
• При повышении уровня воды датчик становится активным и подает необходимый базовый ток на пару Дарлингтона. Следовательно, цепь становится короткой, и ток нагрузки течет так, что зуммер издает сигнал тревоги или звук.

Транзистор Дарлингтона PNP в качестве переключателя

НАВЕРХ

Транзистор Дарлингтона в качестве усилителя

В случае усилителей мощности или напряжения сопротивление нагрузки на выходе очень мало, чтобы протекать большой ток. Этот ток протекает через вывод коллектора транзистора, если транзистор используется для усиления. Чтобы быть пригодными для усилителей мощности, транзисторы должны работать с большими токами нагрузки.

Это требование может быть невыполнимо с одним транзистором, который управляется малым базовым током. Для удовлетворения высоких требований по току нагрузки используется пара Дарлингтона, обеспечивающая высокий коэффициент усиления по току.

Транзистор Дарлингтона в качестве усилителя

На приведенном выше рисунке показана схема усилителя класса А, в которой используется конфигурация транзистора Дарлингтона для обеспечения высокого тока коллектора. Транзистор Дарлингтона обеспечивает усиление, равное произведению двух отдельных коэффициентов усиления.

Поэтому при малом токе базы выходной ток на выводе коллектора очень велик. Таким образом, благодаря схеме транзистора Дарлингтона этот усилитель обеспечивает достаточно усиленный ток в нагрузку.

НАВЕРХ

Преимущества пары Дарлингтона

Пара Дарлингтона имеет несколько преимуществ по сравнению со стандартным одиночным транзистором. Некоторые из них:

• Он дает очень высокий коэффициент усиления по току, чем стандартный одиночный транзистор
.
• Он предлагает очень высокий входной импеданс или хорошее преобразование импеданса, что позволяет преобразовать вход или источник с высоким импедансом в нагрузку с низким импедансом.
• Они могут состоять из двух отдельных транзисторов или поставляться в одном корпусе.
• Простая и удобная конфигурация схемы, так как используется небольшое количество компонентов.
• В случае пары фото-Дарлингтона вносимый шум намного меньше по сравнению с фототранзистором с внешним усилителем.

НАВЕРХ

Недостатки транзистора Дарлингтона

• Низкая скорость переключения
• Пропускная способность ограничена
• На определенных частотах в цепи отрицательной обратной связи эта конфигурация вносит фазовый сдвиг.
• Требуемое напряжение база-эмиттер высокое и в два раза превышает напряжение для одного стандартного транзистора.
• Высокая рассеиваемая мощность из-за высокого напряжения насыщения.
• Общий ток утечки высок, поскольку ток утечки первого транзистора усиливается следующим транзистором. Именно поэтому три и более стадий Дарлингтона невозможны.

Таким образом, пара Дарлингтона очень полезна в большинстве приложений, поскольку обеспечивает высокий коэффициент усиления по току при низких токах базы.