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.

 

PNP и NPN Пара транзисторных усилителей Дарлингтона Схемы

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

Знакомство с транзистором Дарлингтона

Транзистор Дарлингтона или просто пара Дарлингтона в основном используются для обеспечения очень высокого коэффициента усиления по току даже при низком базовом токе. Конфигурация Дарлингтона была изобретена Сидни Дарлингтоном в 19 году.53.

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 электродвигателей, аудиоусилители и т. д. Многие схемы оптоизоляторов изготовлены из транзисторов Дарлингтона для обеспечения высокой допустимой нагрузки 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, когда мы рассматриваем нагрузку на клемме коллектора, этого небольшого тока базы может быть недостаточно, чтобы привести транзистор в состояние проводимости. 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.

НАВЕРХ

Транзистор Дарлингтона или пара Дарлингтона

Транзистор Дарлингтона представляет собой встречно-параллельное соединение двух транзисторов, 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 в первом транзисторе 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 выше 0,7 В. Поскольку в этой конфигурации используются два транзистора, базовое напряжение должно быть больше 1,4 В.

Из рисунка, усиление тока первого транзистора

β ₁ = I _C1 /I _B1,

Следовательно, I _C1 = β ₁ I _B1

₁ I _B1 = β ₁ I _B1 . 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 _B + I _{+ I + I + I + I + I C + I + I + I C + I C + I C + I B2 .}

I _B2 = β ₁ I _B + I _B

I _B2 = I _B (1 + β ₁ )

Substituting in the above equation,

I _C = β ₁ I _B + 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 )

9002 и 6. β ₂ )

9002 и также 6. β ₂ )

666. β ₂ ) 6. β ₂ ) 6. 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

3 3 малый базовый ток позволяет переключать большие нагрузки ламп. 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 высоких и низких сторон, 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 ключ 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 переключения реле

НАВЕРХ

Транзистор Дарлингтона PNP 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 для одного транзистора, 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 обеспечивает 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.
• Большое рассеивание мощности 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. Несмотря на некоторые ограничения, эти пары широко используются в приложениях, где не требуется высокая частотная характеристика и требуются высокие уровни тока усиления.

В случае схем аудиоусилителя эта конфигурация обеспечивает лучший выходной сигнал. Мы надеемся, что эта статья предоставила качественную информацию по этой теме. Если вы считаете, что этот контент полезен и информативен, не стесняйтесь писать нам свои комментарии в разделе комментариев ниже.

НАВЕРХ

НАЗАД – ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ НА ПОЛОВЫХ ПЕТЛЯХ

ПЕРЕЙДИТЕ К ПЕРВОМУ – ВВЕДЕНИЕ В ТРАНЗИСТОРЫ

Cell

Darlington Pair vs.

0001 Быстрые биты • Ресурсы

22.12.2020

Большинство из нас видели классическую пару Дарлингтона, в которой два транзистора одного типа соединены, как показано на рис. 1 . Он был изобретен Сиднеем Дарлингтоном и запатентован Bell Labs в 1953 году. Эта схема ведет себя как одиночный транзистор с коэффициентом усиления по току, определяемым произведением коэффициентов усиления двух транзисторов. Легко достигается усиление в несколько тысяч, что очень полезно при работе с мощными нагрузками, такими как аудиоусилители и тому подобное.

РИСУНОК 1. Классическая пара Дарлингтона использует два транзистора NPN (слева) или PNP (справа), которые ведут себя как один транзистор с коэффициентом усиления по току, равным произведению коэффициентов усиления составных транзисторов. Резистор не обязателен, но помогает в скорости выключения и стабилизации тока коллектора Q1, как описано в тексте.

Как обычно с электроникой, за этот дополнительный выигрыш приходится платить. Во-первых, транзистор Дарлингтона не может полностью насытиться дальше, чем одно падение V _BE (около 0,6 В), как бы сильно мы его ни крутили. Это связано с тем, что эмиттер Q1 всегда должен быть один V _BE выше эмиттера Q2 (или ниже в случае схемы PNP), и даже если Q1 может насыщаться до нуля вольт, коллектор Q2 никогда не может упасть ниже этого значения.

Во-вторых, напряжение база-эмиттер Дарлингтона будет суммой Q1 и Q2 V _BE или около 1,2 В. Далее этот V _BE будет существенно изменяться по мере изменения коллекторных токов двух транзисторов. Модель Эберса-Молля говорит нам, что V _BE изменяется примерно на 60 мВ за десятилетие изменения I9.0073 С . Влияние Эберса-Молля будет наиболее значительным в Q2 V _BE , поскольку оно изменяется от практически нуля до тока полной нагрузки.

Введите пару Шиклаи, как показано на Рис. 2 , которую по понятным причинам иногда называют дополнительной парой. Его изобрел Джордж Сиклай примерно в то же время, что и Дарлингтон. Он также ведет себя как одиночный транзистор с коэффициентом усиления по току, равным произведению коэффициентов усиления двух транзисторов. Точно так же Шиклаи не может насытиться дальше, чем V 9.0073 BE по тем же причинам, что и Дарлингтон.

РИСУНОК 2. В паре Шиклаи используются транзисторы комплементарной полярности для достижения того же коэффициента усиления, что и в паре Дарлингтона, но с улучшенными характеристиками VBE. Только переход база-эмиттер Q1 открыт для внешнего мира.

Однако пара Шиклаи страдает не так сильно, как Дарлингтон в плане V _BE . Очевидно, что общий V _BE равен только V _BE Q1. Шиклаи V _BE также более стабилен при изменении нагрузки, чем у Darlington. Это связано с тем, что на общий V _BE не влияет ток коллектора Q2, а определяется только током коллектора Q1, который почти не меняется. Кроме того, Q1 обычно работает в более низком температурном диапазоне, поскольку он не воспринимает такой же уровень тока, как Q2, что еще больше повышает стабильность V _BE .

Таким образом, пара Шиклаи имеет большое преимущество перед Дарлингтоном с точки зрения как уровня, так и стабильности его V _БЭ . Этот эффект часто используется в двухтактных выходных каскадах аудиоусилителей класса AB, где более низкий и более стабильный V _BE значительно упрощает смещение.

— РЕКЛАМА—

—Реклама здесь—

Давайте посмотрим, как это работает на практике. Рисунок 3 — это гипотетический пример. Большая часть анализа идентична для дел Дарлингтона и Шиклаи. Нам нужен выходной ток, который варьируется в диапазоне от 10 мА до 10 А, и иметь транзисторы с коэффициентом усиления по току 100 и базовые резисторы 50 Вт. Диапазон тока 1000:1 в Q2 дает приблизительное изменение его V _BE 180 мВ при комнатной температуре (было бы намного хуже, если бы мы учитывали температуру). В каждом случае мы увидим примерно 0,6 В на базовом резисторе, что означает, что через него будет протекать около 12 мА. Ток базы Q2 будет варьироваться в диапазоне от 10 мА до 10 мА, поэтому ток коллектора Q1 будет равен сумме тока через базовый резистор или 12-22 мА, что соответствует диапазону 1,8:1. Таким образом, V _BE Q1 будет изменяться только примерно на 15 мВ во всем диапазоне тока.

РИСУНОК 3. На этом рисунке показано, как резистор уменьшает диапазон тока коллектора, воспринимаемый Q1, по сравнению с Q2 в обеих схемах. В случае пары Шиклаи только VBE Q1 вносит вклад в общее VBE, а это означает, что вариация в зависимости от тока гораздо меньше, чем у Дарлингтона.

В случае с Дарлингтоном задействованы как Q1, так и Q2 V _BE , поэтому общее значение V _BE изменится на 195 мВ в диапазоне от 10 мА до 10 А. В случае Sziklai имеет значение только Q1 V _BE с разницей всего 15 мВ в том же диапазоне нагрузки, что более чем на порядок лучше, чем у Darlington.

Ссылки:

«Джордж Клиффорд Шиклай». В Википедии, 19 июня 2019 г. https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=George_Clifford_Sziklai&oldid=1130

Горовиц, Пол. Искусство электроники. Третье издание. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета, 2015.

Горовиц, Пол, Уинфилд Хилл и Пол Горовиц. Искусство электроники: x-главы. Кембридж; Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета, 2020.

«Сидни Дарлингтон». В Википедии, 2 октября 2020 г. https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Sidney_Darlington&oldid=981403895

«Дополнительная пара отзывов». В Википедии, 30 августа 2020 г. https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Complementary_feedback_pair&oldid=975801447

Будьте в курсе наших БЕСПЛАТНЫХ еженедельных информационных бюллетеней!	Не пропустите предстоящие выпуски Circuit Cellar. — РЕКЛАМА — — Реклама здесь — Подписаться на журнал Circuit Cellar Примечание. Мы сделали выпуск Circuit Cellar за май 2020 г. бесплатным образцом. В нем вы найдете большое разнообразие статей и информации, иллюстрирующих типичный номер текущего журнала.
Хотите написать для Circuit Cellar ? Мы всегда принимаем статьи/сообщения от технического сообщества. Свяжитесь с нами и давайте обсудим ваши идеи.

Спонсор этой статьи

Эндрю Левидо

+ сообщения

Эндрю Левидо ([email protected]) получил степень бакалавра электротехники в Сиднее, Австралия, в 1986. Он несколько лет работал в отделе исследований и разработок в компаниях, занимающихся силовой электроникой и телекоммуникациями, прежде чем перейти на руководящие должности. В свободное время Эндрю проявлял практический интерес к электронике, особенно встраиваемым системам, силовой электронике и теории управления. На протяжении многих лет он написал ряд статей для различных изданий по электронике и время от времени оказывает консультационные услуги, если позволяет время.