Транзистор дарлингтона что это
Перейти к содержимому

Транзистор дарлингтона что это

  • автор:

Выходные каскады усилителей мощности — Дарлингтон против Шиклаи

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).

Варианты составных транзисторов

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.

Повторители на парах Шиклая и 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.

Характеристики искажений повторителей на парах Шиклая и Дарлингтона

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 и проверим сказанное выше.

Схемы для проверки температурной зависимости Шиклая и Дарлингтона

Рис.4 Схемы для проверки температурной зависимости составных транзисторов

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.

Схемы для проверки температурной зависимости Шиклая и Дарлингтона

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.

Транзистор Дарлингтона или «пара Дарлингтона»

Транзистор назван в честь его изобретателя Сидни Дарлингтона, представляет собой устройство из двух стандартных биполярных транзисторов NPN или PNP (BJT), соединенных вместе. Еще его называют составной транзистор. Эмиттерный ток первого транзистора TR1 становится базовым током второго транзистора TR2 . Затем транзистор TR1 подключается как эмиттерный повторитель, а TR2 — как общий эмиттерный усилитель, как показано ниже. Ток коллектора подчиненного или управляющего транзистора TR1 является «синфазным» с током главного переключающего транзистора TR2 .

Инженер-электрик и изобретатель

продвинул теорию сети

Используется там где требуется усиление тока или мощная коммутация. М ожет быть изготовлен из двух индивидуально соединенных биполярных транзисторов или одного единственного устройства, выполненного в едином корпусе со стандартными соединительными выводами Base, Emitter и

Базовая конфигурация транзистора Дарлингтона

Используя пару NPN Darlington в качестве примера, коллекторы двух транзисторов соединены вместе, а эмиттер TR1 управляет базой TR2 . Эта конфигурация достигает β- умножения, потому что для базового тока i b ток коллектора равен β.i b, где текущий коэффициент усиления больше единицы или равен единице, и это определяется как:

Но базовый ток I B2 равен току эмиттера транзистора TR1 , I E1 , поскольку эмиттер TR1 подключен к базе TR2 . Следовательно:

Тогда подставляя в первое уравнение:

Где β 1 и β 2 — коэффициенты усиления отдельных транзисторов.

Это означает, что общее усиление тока, β определяется коэффициентом усиления первого транзистора, умноженным на коэффициент усиления второго транзистора, когда коэффициенты усиления тока двух транзисторов умножаются. Другими словами, пара биполярных транзисторов, объединенных вместе, чтобы сделать одну пару транзисторов Дарлингтона, можно рассматривать как единственный транзистор с очень высоким значением β и, следовательно, с высоким входным сопротивлением.

Пример транзистора Дарлингтона

Два транзистора NPN соединены вместе в виде пары Дарлингтона для переключения галогенной лампы 12 В 75 Вт. Если коэффициент усиления прямого тока первого транзистора равен 25, а коэффициент усиления прямого тока второго транзистора равен 80. Игнорируя любые падения напряжения на двух транзисторах, рассчитайте максимальный ток базы, необходимый для полного включения лампы.

Во-первых, ток, потребляемый лампой, будет равен току коллектора второго транзистора, тогда:

Используя приведенное выше уравнение, базовый ток задается как:

Затем мы можем видеть, что очень малый ток базы, составляющий всего 3,0 мА, например, обеспечиваемый цифровым логическим вентилем или выходным портом микроконтроллера, может использоваться для переключения лампы 75 Вт «ВКЛ» и «ВЫКЛ». Если для создания единственного устройства Дарлингтона используются два одинаковых биполярных транзистора, то β 1 равно β 2, а общее усиление по току будет указано как:

Как правило, значение β 2 намного больше, чем значение 2β , и в этом случае его можно игнорировать, чтобы упростить математику. Тогда окончательное уравнение для двух идентичных транзисторов, сконфигурированных как пара Дарлингтона, может быть записано в виде:

Идентичные транзисторы Дарлингтона

Тогда мы можем видеть, что для двух одинаковых транзисторов используется β 2 вместо β , действующий как один большой транзистор с огромным коэффициентом усиления. Доступны пары транзисторов Дарлингтона с текущими коэффициентами усиления более тысячи с максимальными токами коллектора в несколько ампер. Например: NPN TIP120 и его PNP эквивалент TIP125 . Преимущество использования такой схемы состоит в том, что переключающий транзистор является гораздо более чувствительным, так как для переключения гораздо больший ток нагрузки требуется только крошечный ток базы, поскольку типичный коэффициент усиления конфигурации Дарлингтона может быть более 1000, тогда как обычно один Транзисторная ступень дает усиление приблизительно от 50 до 200. Затем мы видим, что пара Дарлингтона с коэффициентом усиления 1000: 1 может переключать выходной ток 1 ампер в схеме коллектор-эмиттер с током входной базы всего 1 мА. Это делает транзисторы Дарлингтона идеальными для сопряжения с реле, лампами и двигателями для маломощного микроконтроллера, компьютерных или логических контроллеров, как показано.

Применения транзистора Дарлингтона

База транзистора Дарлингтона достаточно чувствительна, чтобы реагировать на любой малый входной ток от коммутатора или непосредственно от TTL или 5V CMOS логических вентилей. Максимальный ток коллектора Ic (макс.) Для любой пары Дарлингтона такой же, как для главного коммутирующего транзистора, TR2, поэтому его можно использовать для работы реле, двигателей постоянного тока, соленоидов и ламп и т. Д. Одним из основных недостатков пары транзисторов Дарлингтона является минимальное падение напряжения между базой и эмиттером, когда он полностью насыщен. В отличие от одиночного транзистора, который имеет полное падение напряжения от 0,3 В до 0,7 В при полностью включенном состоянии, устройство Дарлингтона имеет удвоенное падение напряжения базы-эмиттера (1,2 В вместо 0,6 В), поскольку падение напряжения базы-эмиттера является Сумма потерь диода базового эмиттера от двух отдельных транзисторов, которая может находиться в диапазоне от 0,6 до 1,5 В в зависимости от тока через транзистор. Это высокое падение напряжения базы-эмиттера означает, что Дарлингтонский транзистор может нагреваться больше, чем обычный биполярный транзистор при заданном токе нагрузки, и поэтому требует хорошего теплоотвода. Кроме того, транзисторы Дарлингтона имеют более медленное время отклика ВКЛ-ВЫКЛ, так как ведомому транзистору TR1 требуется больше времени, чтобы главный транзистор TR1 был полностью включен или полностью выключен.

Пара Шикли (Sziklai)

Пара Шикли, названная в честь ее венгерского изобретателя Джорджа Шиклая, представляет собой комплементарное или составное устройство Дарлингтона, состоящее из отдельных транзисторов NPN и PNP, соединенных вместе. Эта каскадная комбинация транзисторов NPN и PNP имеет то преимущество, что пара Шиклая выполняет ту же основную функцию пары Дарлингтона, за исключением того, что для ее включения требуется только 0,6 В как и стандартная конфигурация Дарлингтона, коэффициент усиления тока равен Β 2 для одинаково согласованных транзисторов или задается произведением двух коэффициентов усиления тока для несогласованных отдельных транзисторов.

Конфигурация транзистора Sziklai Darlington

Мы можем видеть, что падение напряжения базы-эмиттера устройства Sziklai равно падению диода отдельного транзистора в тракте сигнала. Однако конфигурация Sziklai не может быть насыщена менее чем одним полным падением диода, то есть 0.7v вместо обычных 0.2v. Кроме того, как и пара Дарлингтона, у пары Шиклая более медленное время отклика, чем у одного транзистора. Пара дополнительных транзисторов Sziklai обычно используется в двухтактных выходных каскадах аудио усилителя класса AB, что позволяет использовать только одну полярность выходного транзистора. Как транзисторные пары Дарлингтона, так и Шикли доступны в конфигурациях NPN и PNP.

ИС на транзисторах Дарлингтона

В большинстве применений электроники достаточно, чтобы управляющая схема непосредственно переключала выходное напряжение или ток «ON» или «OFF», поскольку некоторые устройства вывода, такие как светодиоды или дисплеи, требуют только несколько миллиампер для работы при низких напряжениях постоянного тока и поэтому могут Управляться непосредственно выходом стандартного логического вентиля.Однако, как мы видели выше, для работы устройства вывода, такого как двигатель постоянного тока, иногда требуется больше мощности, чем может быть обеспечено обычным логическим вентилем или микроконтроллером. Если цифровое логическое устройство не может обеспечить достаточный ток, то для управления устройством потребуются дополнительные схемы.Одним из таких широко используемых транзисторов Дарлингтона является массив ULN2003 . Семейство массивов Дарлингтона состоит из ULN2002A, ULN2003A и ULN2004A, которые представляют собой высоковольтные массивные массивы Дарлингтона, каждая из которых содержит семь открытых пар коллекторов Дарлингтона в одном корпусе ИС. Каждый канал массива рассчитан на 500 мА и выдерживает пиковые токи до 600 мА, что делает его идеальным для управления малыми двигателями или лампами или воротами и основаниями мощных полупроводников. Дополнительные диоды подавления включены для возбуждения индуктивной нагрузки, а входы закреплены напротив выводов, чтобы упростить соединение и расположение платы.

ULN2003A транзисторный массив Дарлингтона

Н едорогая монополярная транзисторная схема Дарлингтона с высокой эффективностью и низким потреблением энергии, что делает его полезным для управления широким спектром нагрузок, включая соленоиды, реле постоянного тока и светодиодные дисплеи или лампы накаливания. ULN2003A содержит семь пар транзисторов Дарлингтона, каждый со входным контактом слева и выходным контактом напротив него справа, как показано.

ULN2003A Дарлингтонский транзисторный массив

Драйвер ULN2003A имеет чрезвычайно высокий входной импеданс и коэффициент усиления по току, который может управляться напрямую с логических вентилей TTL или + 5V CMOS. Для логики + 15V CMOS используйте ULN2004A и для более высоких коммутирующих напряжений до 100V лучше использовать SN75468. Когда вход (контакты 1 — 7) управляется «ВЫСОКИМ», соответствующий выход переключает ток «LOW». Аналогичным образом, когда вход управляется «LOW», соответствующий выход переключается в состояние с высоким импедансом. Это высокоимпедансное состояние «ВЫКЛЮЧЕНО» блокирует ток нагрузки и уменьшает ток утечки через устройство, повышая эффективность. Контакт 8, (GND) подключен к заземлению нагрузки или 0 вольт, в то время как контакт 9 (Vcc) подключается к нагрузке. Затем любая нагрузка должна быть подключена между + Vcc и выходным контактом, контакты 10-16. Для индуктивных нагрузок, таких как двигатели, реле и соленоиды, и т.д., вывод 9 всегда должен быть подключен к Vcc. ULN2003A способен коммутировать 500 мА (0,5 А) на канал, но если требуется большее количество тока переключения, то оба входа и выходы пар Дарлингтона могут быть параллельно соединены для повышения тока. Например, входные контакты 1 и 2, соединенные вместе, и выходные контакты 16 и 15, соединенные вместе, переключают нагрузку.

Составной транзистор. Транзисторная сборка Дарлингтона

Особенности и области применения составных транзисторов

Составной транзистор

Если открыть любую книгу по электронной технике, сразу видно как много элементов названы по именам их создателей: диод Шоттки, диод Зенера (он же стабилитрон), диод Ганна, транзистор Дарлингтона.

Инженер-электрик Сидни Дарлингтон (Sidney Darlington) экспериментировал с коллекторными двигателями постоянного тока и схемами управления для них. В схемах использовались усилители тока.

Инженер Дарлингтон изобрёл и запатентовал транзистор, состоящий из двух биполярных и выполненный на одном кристалле кремния с диффундированными n (негатив) и p (позитив) переходами. Новый полупроводниковый прибор был назван его именем.

В отечественной технической литературе транзистор Дарлингтона называют составным. Итак, давайте познакомимся с ним поближе!

Устройство составного транзистора.

Как уже говорилось, это два или более транзисторов, изготовленных на одном полупроводниковом кристалле и запакованные в один общий корпус. Там же находится нагрузочный резистор в цепи эмиттера первого транзистора.

У транзистора Дарлингтона те же выводы, что и у всем знакомого биполярного: база (Base), эмиттер (Emitter) и коллектор (Collector).

Схема составного транзистора (схема Дарлингтона)

Схема Дарлингтона

Как видим, такой транзистор представляет собой комбинацию нескольких. В зависимости от мощности в его составе может быть и более двух биполярных транзисторов. Стоит отметить, что в высоковольтной электронике также применяется транзистор, состоящий из биполярного и полевого. Это IGBT транзистор. Его также можно причислить к составным, гибридным полупроводниковым приборам.

Основные особенности транзистора Дарлингтона.

Основное достоинство составного транзистора это большой коэффициент усиления по току.

Следует вспомнить один из основных параметров биполярного транзистора. Это коэффициент усиления (h21). Он ещё обозначается буквой β («бета») греческого алфавита. Он всегда больше или равен 1. Если коэффициент усиления первого транзистора равен 120, а второго 60 то коэффициент усиления составного уже равен произведению этих величин, то есть 7200, а это очень даже неплохо. В результате достаточно очень небольшого тока базы, чтобы транзистор открылся.

Инженер Шиклаи (Sziklai) несколько видоизменил соединение Дарлингтона и получил транзистор, который назвали комплементарный транзистор Дарлингтона. Вспомним, что комплементарной парой называют два элемента с абсолютно одинаковыми электрическими параметрами, но разной проводимости. Такой парой в своё время были КТ315 и КТ361. В отличие от транзистора Дарлингтона, составной транзистор по схеме Шиклаи собран из биполярных разной проводимости: p-n-p и n-p-n. Вот пример составного транзистора по схеме Шиклаи, который работает как транзистор с n-p-n проводимостью, хотя и состоит из двух различной структуры.

схема Шиклаи

К недостаткам составных транзисторов следует отнести невысокое быстродействие, поэтому они нашли широкое применение только в низкочастотных схемах. Такие транзисторы прекрасно зарекомендовали себя в выходных каскадах мощных усилителей низкой частоты, в схемах управления электродвигателями, в коммутаторах электронных схем зажигания автомобилей.

Хорошо зарекомендовал себя для работы в электронных схемах зажигания мощный n-p-n транзистор Дарлингтона BU931.

Цоколёвка и структура транзистора BU931

Основные электрические параметры:

  • Напряжение коллектор – эмиттер 500 V;
  • Напряжение эмиттер – база 5 V;
  • Ток коллектора – 15 А;
  • Ток коллектора максимальный – 30 А;
  • Мощность рассеивания при 25°C – 135 W;
  • Температура кристалла (перехода) – 175°C.

На принципиальных схемах нет какого-либо специального значка-символа для обозначения составных транзисторов. В подавляющем большинстве случаев он обозначается на схеме как обычный транзистор. Хотя бывают и исключения. Вот одно из его возможных обозначений на принципиальной схеме.

Обозначение транзистора Дарлингтона на схеме

Напомню, что сборка Дарлингтона может иметь как p-n-p структуру, так n-p-n. В связи с этим, производители электронных компонентов выпускают комплементарные пары. К таким можно отнести серии TIP120-127 и MJ11028-33. Так, например, транзисторы TIP120, TIP121, TIP122 имеют структуру n-p-n, а TIP125, TIP126, TIP127 — p-n-p.

Также на принципиальных схемах можно встретить и вот такое обозначение.

Примеры применения составного транзистора.

Рассмотрим схему управления коллекторным двигателем с помощью транзистора Дарлингтона.

Схема управления двигателем на базе транзистора Дарлингтона

При подаче на базу первого транзистора тока порядка 1мА через его коллектор потечёт ток уже в 1000 раз больше, то есть 1000мА. Получается, что несложная схема обладает приличным коэффициентом усиления. Вместо двигателя можно подключить электрическую лампочку или реле, с помощью которого можно коммутировать мощные нагрузки.

Если вместо сборки Дарлингтона использовать сборку Шиклаи то нагрузка подключается в цепь эмиттера второго транзистора и соединяется не с плюсом, а с минусом питания.

Если совместить транзистор Дарлингтона и сборку Шиклаи, то получится двухтактный усилитель тока. Двухтактным он называется потому, что в конкретный момент времени открытым может быть только один из двух транзисторов, верхний или нижний. Данная схема инвертирует входной сигнал, то есть выходное напряжение будет обратно входному.

Двухтактный усилитель тока (Дарлингтон + Шиклаи)

Это не всегда удобно и поэтому на входе двухтактного усилителя тока добавляют ещё один инвертор. В этом случае выходной сигнал в точности повторяет сигнал на входе.

Применение сборки Дарлингтона в микросхемах.

Широко используются интегральные микросхемы, содержащие несколько составных транзисторов. Одной из самых распространённых является интегральная сборка L293D. Её частенько применяют в своих самоделках любители робототехники. Микросхема L293D — это четыре усилителя тока в общем корпусе. Поскольку в рассмотренном выше двухтактном усилителе всегда открыт только один транзистор, то выход усилителя поочерёдно подключается или к плюсу или к минусу источника питания. Это зависит от величины входного напряжения. По сути дела мы имеем электронный ключ. То есть микросхему L293 можно определить как четыре электронных ключа.

Вот «кусочек» схемы выходного каскада микросхемы L293D, взятого из её даташита (справочного листа).

Выходной каскад микросхемы L293D

Как видим, выходной каскад состоит из комбинации схем Дарлингтона и Шиклаи. Верхняя часть схемы — это составной транзистор по схеме Шиклаи, а нижняя часть выполнена по схеме Дарлингтона.

Многие помнят те времена, когда вместо DVD-плееров были видеомагнитофоны. И с помощью микросхемы L293 осуществлялось управление двумя электродвигателями видеомагнитофона, причём в полнофункциональном режиме. У каждого двигателя можно было управлять не только направлением вращения, но подавая сигналы с ШИМ-контроллера можно было в больших пределах управлять скоростью вращения.

Весьма обширное применение получили и специализированные микросхемы на основе схемы Дарлингтона. Примером может служить микросхема ULN2003A (аналог К1109КТ22). Эта интегральная схема является матрицей из семи транзисторов Дарлингтона. Такие универсальные сборки можно легко применять в радиолюбительских схемах, например, радиоуправляемом реле. Об этом я поведал тут.

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.

Darlington основы ldsound_ru (1)

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).

Darlington основы ldsound_ru (1)

Фото типичного усилителя на составных транзисторах

Схема Дарлингтона

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

Darlington основы ldsound_ru (2)

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:

Покажем, что составной транзистор действительно имеет коэффициент β , значительно больший, чем у его обоих компонентов. Задавая приращение d l б = d l б1 , получаем:

d l э1 = (1 + β1) ∙ d l б = d l б2

d l к = d l к1 + d l к2 = β1 ∙ d l б + β2 ∙ ((1 + β1) ∙ d l б )

Деля d lк на dl б , находим результирующий дифференциальный коэффициент передачи:

Поскольку всегда β >1 , можно считать:

βΣ = β 1 β 1

Следует подчеркнуть, что коэффициенты β 1 и β 1 могут различаться даже в случае однотипных транзисторов, поскольку ток эмиттера Iэ2 в 1 + β2 раз больше тока эмиттера Iэ1 (это вытекает из очевидного равенства Iб2 = Iэ1 ).

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.

Darlington основы ldsound_ru (5)

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.

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.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *