Tranzystor Darlingtona

Tranzystor Darlingtona (typu NPN)

W elektronice konfiguracja wielotranzystorowa zwana konfiguracją Darlingtona (powszechnie nazywana parą Darlingtona ) to obwód składający się z dwóch tranzystorów bipolarnych z emiterem jednego tranzystora połączonym z bazą drugiego, tak że prąd wzmocniony przez pierwszy tranzystor jest dalej wzmacniany przez drugi. Kolektory obu tranzystorów są ze sobą połączone . Ta konfiguracja ma znacznie większe wzmocnienie prądowe niż każdy tranzystor brany z osobna. Działa jak i jest często pakowany jako pojedynczy tranzystor. Został wynaleziony w 1953 roku przez Sidneya Darlingtona .

Zachowanie

Widok chipa w MJ1000

Para Darlingtona zachowuje się jak pojedynczy tranzystor, co oznacza, że ​​ma jedną bazę, kolektor i emiter. Zwykle tworzy wysokie wzmocnienie prądowe (w przybliżeniu iloczyn wzmocnień dwóch tranzystorów, ze względu na fakt, że ich wartości β mnożą się razem). Ogólny związek między złożonym wzmocnieniem prądu a indywidualnymi wzmocnieniami jest określony przez:

${\ Displaystyle \ beta _ {\ operatorname {Darlington}} = \ beta _ {1} \ cdot \ beta _ {2 }+\beta_{1}+\beta_{2}}$

Jeśli β ₁ i β ₂ są wystarczająco wysokie (setki), zależność tę można przybliżyć wzorem:

${\ Displaystyle \ beta _ {\ operatorname {Darlington}} \ około \ beta _ {1} \ cdot \ beta _ {2}}$

Zalety

Typowy tranzystor Darlingtona ma wzmocnienie prądowe 1000 lub więcej, więc potrzebny jest tylko mały prąd bazowy, aby para przełączyła się na znacznie wyższe przełączane prądy.

Kolejną zaletą jest zapewnienie bardzo wysokiej impedancji wejściowej dla układu, co przekłada się również na równomierny spadek impedancji wyjściowej.

Zaletą jest również łatwość tworzenia tego obwodu. Można go po prostu wykonać z dwoma oddzielnymi tranzystorami NPN (lub PNP), a także jest dostępny w różnych pojedynczych obudowach.

Niedogodności

Wadą jest przybliżone podwojenie napięcia baza-emiter. Ponieważ istnieją dwa złącza między bazą a emiterem tranzystora Darlingtona, równoważne napięcie baza-emiter jest sumą obu napięć baza-emiter:

${\ Displaystyle V_ {BE} = V_ {BE1} + V_ {BE2} \ około 2V_ {BE1} \!}$

W przypadku technologii opartej na krzemie, gdzie każdy V _BEi wynosi około 0,65 V, gdy urządzenie działa w obszarze aktywnym lub nasyconym, niezbędne napięcie baza-emiter pary wynosi 1,3 V.

Kolejną wadą pary Darlingtona jest zwiększone napięcie „nasycenia”. Tranzystor wyjściowy nie może się nasycić (tj. jego złącze baza-kolektor musi pozostać spolaryzowane zaporowo), ponieważ po nasyceniu pierwszy tranzystor ustanawia pełne (100%) równoległe ujemne sprzężenie zwrotne między kolektorem a podstawą drugiego tranzystora. Ponieważ napięcie kolektor-emiter jest równe sumie własnego napięcia baza-emiter i napięcia kolektor-emiter pierwszego tranzystora, obie wielkości dodatnie podczas normalnej pracy, zawsze przekracza napięcie baza-emiter. (W symbolach $\ Displaystyle \ operatorname {V_ {CE2} = V_ {CE1} + V_ {BE2 }>V_{BE2}} \Rightarrow \mathrm {V_{C2}>V_{B2}} }$ zawsze.) Zatem napięcie „nasycenia” tranzystora Darlingtona jest o jeden V _BE (około 0,65 V w krzemie) wyższe niż napięcie nasycenia pojedynczego tranzystora, które zwykle wynosi 0,1 - 0,2 V w przypadku krzemu. Przy równych prądach kolektora ta wada przekłada się na wzrost mocy rozpraszanej przez tranzystor Darlingtona w stosunku do pojedynczego tranzystora. Zwiększony niski poziom wyjściowy może powodować problemy podczas sterowania obwodami logicznymi TTL.

Innym problemem jest zmniejszenie szybkości przełączania lub odpowiedzi, ponieważ pierwszy tranzystor nie może aktywnie hamować prądu bazowego drugiego, co powoduje powolne wyłączanie się urządzenia. Aby to złagodzić, drugi tranzystor często ma rezystor o wartości kilkuset omów podłączony między jego bazą a zaciskami emitera. Rezystor ten zapewnia ścieżkę rozładowania o niskiej impedancji dla ładunku zgromadzonego na złączu baza-emiter, umożliwiając szybsze wyłączenie tranzystora.

Para Darlingtona ma większe przesunięcie fazowe przy wysokich częstotliwościach niż pojedynczy tranzystor i dlatego może łatwiej stać się niestabilna przy ujemnym sprzężeniu zwrotnym (tj. systemy wykorzystujące tę konfigurację mogą mieć słabą wydajność z powodu dodatkowego opóźnienia tranzystora).

Opakowania

Pary Darlingtona są dostępne jako zintegrowane pakiety lub mogą być wykonane z dwóch dyskretnych tranzystorów; Tranzystor Q ₁ , lewy tranzystor na schemacie, może być typu małej mocy, ale zwykle tranzystor Q ₂ (po prawej) będzie musiał mieć dużą moc. Maksymalny prąd kolektora I _C (max) pary jest równy prądowi Q ₂ . Typowym zintegrowanym urządzeniem zasilającym jest 2N6282, które zawiera rezystor wyłączający i ma wzmocnienie prądowe 2400 przy I _C = 10 A.

Zintegrowane urządzenia mogą zajmować mniej miejsca niż dwa pojedyncze tranzystory, ponieważ mogą korzystać ze wspólnego kolektora. Zintegrowane pary Darlingtona są pakowane pojedynczo w obudowy podobne do tranzystorów lub jako tablica urządzeń (zwykle osiem) w układzie scalonym .

Trójka Darlingtona

Trzeci tranzystor można dodać do pary Darlingtona, aby uzyskać jeszcze większe wzmocnienie prądu, tworząc trójkę Darlingtona. Emiter drugiego tranzystora w parze jest połączony z bazą trzeciego, tak jak emiter pierwszego tranzystora jest połączony z bazą drugiego, a kolektory wszystkich trzech tranzystorów są ze sobą połączone. Daje to wzmocnienie prądu w przybliżeniu równe iloczynowi wzmocnień trzech tranzystorów. Jednak zwiększone wzmocnienie prądu często nie usprawiedliwia problemów z czułością i prądem nasycenia, więc ten obwód jest rzadko używany.

Aplikacje

Pary Darlingtona są często używane w stopniach wyjściowych przeciwsobnych we wzmacniaczach mocy audio , które napędzają większość systemów dźwiękowych. W całkowicie symetrycznym obwodzie przeciwsobnym dwie pary Darlingtona są połączone jako wtórniki emitera sterujące wyjściem z dodatniego i ujemnego zasilania: para Darlingtona NPN podłączona do dodatniej szyny dostarczającej prąd dla dodatnich skoków wyjścia, a para Darlingtona PNP podłączona do ujemnej szyny dostarczającej prąd dla ujemnych skoków.

Zanim pojawiły się dobrej jakości tranzystory mocy PNP, stosowano quasi-symetryczny układ przeciwsobny , w którym tylko dwa tranzystory podłączone do dodatniej szyny zasilającej były parą NPN Darlington, a para z szyny ujemnej to dwa kolejne tranzystory NPN połączone jako wzmacniacze ze wspólnym emiterem.

Bezpieczeństwo

Para Darlingtona może być wystarczająco czuła, aby reagować na prąd przepływający przez kontakt ze skórą, nawet przy bezpiecznych napięciach strefy. W ten sposób może tworzyć nowy stopień wejściowy przełącznika dotykowego.

Wzmocnienie

Tranzystory Darlingtona można stosować w obwodach wysokoprądowych, takich jak regulator napięcia LM1084. Inne aplikacje wysokoprądowe mogą obejmować takie, które wymagają komputerowego sterowania silnikami lub przekaźnikami, gdzie prąd jest wzmacniany od bezpiecznego niskiego poziomu linii wyjściowej komputera do wartości wymaganej przez podłączone urządzenie.

Zobacz też

• Tranzystor bipolarny z izolowaną bramką
• ULN2003A
• Para Sziklai , czasami nazywana „komplementarnym Darlingtonem”, podobna konfiguracja, ale z tranzystorami przeciwnego typu (jeden NPN i jeden PNP)
• Zintegrowana logika wtrysku (I2L)

Linki zewnętrzne

• Media związane z tranzystorami Darlingtona w Wikimedia Commons
• Patent USA 2 663 806 „Urządzenie do translacji sygnału półprzewodnikowego” (tranzystor Darlingtona)
• Obwód sterowania prędkością silnika parą Darlingtona
• ECE 327: Procedury laboratorium filtrowania wyjścia - sekcja 4 („Wzmacniacz mocy”) szczegółowo omawia pary Darlingtona w projekcie sterownika prądowego klasy AB opartego na BJT.