Складовий транзистор (транзистор Дарлінгтон)

Для того, щоб заглибитися в тематику різних видів транзисторів, а саме в нашому випадку дізнатися більше про транзистор Дарлінгтона, пропоную спочатку дізнатися все про найпростіший транзистор. Давайте розберемося, навіщо він потрібний і як працює.

Почати хотілося б із такого поняття, як тріод. Це така лампа, яка може керувати струмом в ланцюгу. Так от транзистор це теж такий напівпровідниковий тріод, тільки вже без лампи. У нього є цілих 3 висновки. Навіщо воно треба? Транзистори використовуються для комутації та перетворення струму в ланцюзі, при цьому живлячись від невеликого вхідного струму. В електроніці вони використовуються дуже часто. Наприклад, їх застосовують у всіх керуючих схемах різних електронних пристроїв (у тих самих комп'ютерних платах). Звичайно, іноді їх ще можна замінити реле і тиристорами, але ті теж мають свої істотні недоліки, але це вже, як ви розумієте, зовсім інша історія. Ось так виглядає звичайнісінький транзистор:

Як працює транзистор

Коли ми з вами, мої друзі, розібралися в тому, що взагалі таке цей транзистор, давайте дізнаємося, як він працює. Влаштований він досить просто, потрібно просто зрозуміти принцип. Для цього введемо два дуже важливі поняття: емітер та колектор. Еміттер (як і в слові емісія) випускає заряди і вони рухаються у бік колектора. Так от, у стані спокою, коли, грубо кажучи, все вимкнено, струм у транзисторі не протікає, бо між емітером та колектором є напівпровідниковий перехід. Однак, коли подається незначна напруга на базу транзистора, струм починає текти і при цьому навіть його можна посилювати.Як? Коливання невеликого струму точно повторюються, але вже з більшою амплітудою. Ось схема простого транзистора:

Чим відрізняються різні транзистори

На прикладі простого транзистора ми розібрали його принцип роботи, проте їх буває безліч. Давайте навчимося їх відрізняти і дізнаємося, навіщо кожен із них потрібен.

Біполярні

Біполярні транзистори – це найпопулярніші. У напівпровідника у таких транзисторах є два p-n переходи. Заряд через них переноситься дірками та електронами.

Серед них також розрізняють кілька підвидів (вони залежать від розташування переходів та кількості електродів), серед яких:

• складовий транзистор pnp тип;
• складовий транзистор npn тип;
• більш складні багатоелектродні (можливо відразу 2 емітера);
• транзистори на гетеропереходах

Лавинні транзистори

Це справді цікавий вид транзисторів, адже він працює дуже ефективно і дуже швидко. Їхні основні плюси — це висока робоча напруга і, звичайно ж, швидкість включення, а це дуже важливо в електроніці. Вчені досі ламають голову, як можна використовувати ці транзистори з максимальним ККД, хоча вони і зараз показують чудові результати.

Одноперехідні транзистори

Існують у світі й такі транзистори. Тут лише один перехід, тому і класифікація набагато простіше:

Транзистори з керуючим переходом

Це теж дуже цікавий і незвичайний вид транзисторів, адже у нього, як і випливає з назви, керований перехід, що робить його ще більш універсальним, а й приводить його до подорожчання. На підвидах ми зупинятися не будемо, то вони всі приблизно такі самі, як і в попередніх.

Транзистори із ізольованим затвором

А це що за затвор, могли б ви подумати. Розповідаю.Як я вже писав вище, транзистор починає працювати, коли на нього подають невелику напругу. Так от, той електрод, на які напруга подається і називається затвором. Тут нічого особливого, просто сам затвор ізолюється, що дає більше можливостей для керування транзистором і для деяких завдань це справді дуже корисно.

Тепер, коли ми знаємо досить багато про транзисторів, пропонуємо вам заглибитися в історію і дізнатися, як з'явився цей транзистор Дарлінгтона.

Історія появи транзисторів

На зорі минулих століть кінця 19 століття вчені фізики та практики (Гутрі, Браун, Едісон, Боус, Пікард, Флемінг) різних країн зробили принципове відкриття і отримали патенти на «детектор», «випрямляч» так тоді називали діод. Після діодом пішло епохальне відкриття транзистора. Перелік імен вчених різних країн, які доклали голову та руки до відкриття транзистора, зайняло б багато рядків.

Основними теоретиками вважаються Шоклі, який працював у Bell Telephone Laboratories, а також його колеги Бардін та Браттейн.

Зліва направо: Шоклі, Бардін та Браттейн

У результаті їхніх робіт, в 1947 році, отримано перший зразок працюючого точкового германієвого транзистора, і на його основі, в тому ж році, був розроблений перший підсилювач, що мав коефіцієнт посилення 20 дБ (10 разів) на частоті 10 МГц.

Серійний випуск точкових транзисторів фірмою Western Electric розпочався 1951 року і досяг близько 10 000 штук на місяць 1952 року. У СРСР перший точковий транзистор було створено 1949 р. Серійний випуск точкових транзисторів було налагоджено 1952 року, а площинних — 1955 року.Потім були такі відкриття в теорії та технологіях: транзистори на вирощених переходах (1950 р.), сплавні транзистори (1952 р.), дифузні мета-транзистори (1958 р.), планарні транзистори (1960 р.), епітаксійні9 тра6 .), багатоемітерні транзистори (1965 р.) і т.д.

Як же з'явився у тому числі наш герой — транзистор Дарлінгтона (далі за текстом ТД)? Дарлінгтон (англ. Darlingtone) — місто у Великій Британії. Однак і люди можуть мати прізвища на ім'я міст або навпаки. Таким є співробітник тієї ж фірми Bell — Сідні Дарлінгтон.

Статтю про транзистор Дарлінгтон на англ. мовою можна прочитати тут.

Навіщо ж знадобилася ця «солодка парочка»? Справа в тому, що перші транзистори мали дуже посередні характеристики, якщо дивитися на успіхи. Насамперед — невисокий коефіцієнт посилення. Зараз це здається дивним - подумаєш, каскадне з'єднання - це просто! Але тоді, 1953 року, це були піонерські роботи.

Позначення параметрів транзистора

Давайте домовимося про позначення тих чи інших параметрів, абревіатурах, які нам будуть потрібні при обговоренні, розрахунках та моделюванні схем. Використовуватимемо для цього загальноприйняті в даташитах (datasheet - технічний опис або паспорт на радіоелемент) позначення.

Основні параметри транзистора по датасіту:

Параметри (задані, виміряні чи розрахункові):

Транзисторні основи

Що ми можемо тут сказати нового? Та нічого! Але повторити основи все ж таки корисно, чи не так? ;-)

Основні догми про біполярний транзистор:

1. Транзистор це струмовий прилад. Струм бази керуємо струмом колектора.
2. Транзистор має лише три висновки. База (Б), колектор (К) та емітер (Е) і відповідно на англ.B (Base), C (Collector), E (Emitter).
3. Струм емітера - це сума струмів колектора та бази.
4. Коефіцієнт посилення струму в схемі з ОЕ - це відношення приростів струму колектора до струму бази.
5. h21e залежить від струму колектора. При мінімальних або максимальних значеннях h21e прагне нуля.
6. По входу (при зворотній напрузі) транзистор нагадує діод у прямому включенні.
7. По входу (при зворотній напрузі) транзистор нагадує стабілітрон.
8. Транзистор у закритому стані все ж таки піддається і дає струм витоку.
9. Не підключена нікуди база транзистора, яка висить у повітрі – це його смерть. Тому треба обов'язково садити базу на землю через високоомний резистор.
10. Транзистор у відкритому стані забезпечить ненульове падіння напруги на переході База-Емітер і воно приблизно становитиме сотні міліВольт, а точніше від 0,5-0,7 Вольт.
11. Транзистор не любить високих частот.
12. При великій потужності навантаження корпус транзистора виготовляється певним чином, щоб можна було його поставити на радіатор.
13. Область безпечної роботи (ОБР) — це транзисторні обмеження при поєднанні граничних струму і напруги
14. Мінімальні шуми транзистора досягаються при мінімально-оптимальних струмах колектора
15. Максимальна швидкодія транзистора досягається при максимально оптимальних струмах колектора.

Добре дізнавшись багато про історію транзисторів і освіживши в голові основи транзисторів ми повертаємося до транзистора Дарлінгтона, адже ми ще досі не зрозуміли, чим він такий примітний.

Спочатку про те, чому складник

Як ви вже зрозуміли, транзистор винайшов інженер Дарлінгтон, але в результаті цей винахід отримав подвійне ім'я.З одного боку, це транзистор Дарлінгтона, але з іншого ж, складовий транзистор. То чому ж складовий? Адже коли ми говорили про види, ні про які складові не йшлося. Все просто, мої друзі. Дарлінгтон вирішив використати відразу 2 біполярні транзистори. Вони були реалізовані на одному кристалі, зробленому з кремнію і там, звичайно, було 2 переходи. На Заході цей винахід звикли називати транзистором Дарлінгтона, а в нас його просто називають складовим. Ну що, дізнаємося про нього ще більше.

То як же він влаштований?

Я вже сказав, що цей транзистор по суті складається з 2 транзисторів в одному загальному корпусі, а ланцюг емітера першого транзистора доданий резистор. У плані пристрою він дуже схожий на звичайнісінький транзистор, адже тут той самий емітер, та ж база і той самий колектор, тільки тут дещо складніше. Ось погляньте на схему:

На схемі видно, що тут цілих 2 транзистори, але насправді їх може бути ще більше, все залежить від напруги, з яким потрібно працювати.

Ну і що тут такого особливого?

Щоб розібратися в головних перевагах складеного транзистора, треба згадати, навіщо взагалі потрібен транзистор. Звичайно, він посилює струм. І в кожного транзистора свій коефіцієнт посилення, тобто у скільки разів посилюється струм даним транзистором. Так ось, уявімо, що в одного транзистора це число дорівнює 60, а в іншого 100. Зазначу, що кожен новий транзистор не підсумовує коефіцієнт, а множить, а значить, у результаті ми отримаємо підсумкове зусилля в 6000 і це дуже більше цифри.

Навіть це ще можна покращити

Один не дуже відомий інженер, який називає себе Шиклаї побачивши, як працює складовий транзистор був дуже вражений.Спочатку він думав, що це справді межа досконалості, але якось до нього прийшло осяяння і він придумав, як можна зробити цей пристрій ще ефективнішим. Підсумковий транзистор, який назвали комплементарним транзистором Дарлінгтон. Він складається з біполярних транзисторів різної провідності. Що дає? Іноді це допомагає ще більше збільшувати коефіцієнт посилення, а це якраз те, що потрібно. Ось погляньте на схему:

Плюси та мінуси складеного транзистора

Якщо говорити про плюси цього чудового пристрою, то це, звичайно, дуже високий коефіцієнт посилення, який дозволяє запускати транзистор навіть з дуже низьким струмом на базі. Проте є і мінуси, як і завжди. Здавалося б, що тут може бути не так, а може. Справа в тому, що швидкодія тут і не пахне, тому в основному транзистор Дарлінгтона використовується в низькочастотних схемах. Зазвичай їх ставлять на вихідних каскадах схем, а також у блоках керування електродвигунами – там вони справді на своєму місці. Також без них не обійтись і багатьом сучасним авто, адже вони є найважливішою частиною комутатора електронних схем у системі запалювання.

Ось таку схему використовують радіоаматори, коли роблять складовий транзистор своїми руками (використовуючи транзистор Дарлінгтона разом із електродвигуном):

Порівняємо складовий транзистор та двотактний

Розглянемо попередню схему, у якій використовується складовий транзистор. Якщо на базу подати струм 1 мА, то ця схема посилить його в 1000 разів, і в результаті колектор прийде струм в 1000 мА. Зазначу, що замість електродвигуна ми можемо підключити реле, і лампочку, наприклад, а за допомогою них вже можна комутувати великі навантаження.

А якщо простого транзистора Дарлінгтона ми поставимо транзистор інженера Шиклаї? Тоді в нас вийде щось на зразок двотактного підсилювача. Це так, тому що відкритим одночасно може бути лише один із двох транзисторів. Складовий транзистор схема:

Тут вхідна напруга інвертуватиметься і на виході буде назад вихідному. Для того щоб зробити схему більш універсальною, на вході зазвичай ставлять інвертор. Таким чином, струм інвертується двічі.

А де ще застосовується складовий транзистор?

Дуже часто використовується складовий транзистор із транзистором Шиклаї в парі в одній схемі. Наприклад, 2 електродвигуни у багатьох відеомагнітофонах керувалися саме цими транзисторами.

Також на основі схеми Дарлінгтон створена мікросхема ULN2003A, яка часто використовується в збірках радіоаматорів.

Можете ще подивитися відео, де докладно розповідають про складові транзистори:

Навіщо потрібний транзистор Дарлінгтона?

У цій статті ми детально поговоримо про транзистор Дарлінгтон і пару Шіклаї - Дарлінгтон. Розберемо принцип роботи, доступні конфігурації, а також застосування транзистора Дарлінгтон.

Опис та принцип роботи

Транзистор Дарлінгтон, названий на честь його винахідника Сіднея Дарлінгтона, складається з двох стандартних NPN або PNP-біполярних транзисторів, з'єднаних між собою. Емітер одного транзистора з'єднаний з базою іншого, щоб створити більш чутливий транзистор з більшим коефіцієнтом посилення струму, корисний в додатках, де потрібно посилення або перемикання струму.

Пари транзисторів Дарлінгтона можуть бути виготовлені з двох індивідуально підключених біполярних транзисторів або з одного пристрою, що є у продажу в одній упаковці зі стандартом: з'єднувальні дроти бази, емітера та колектора. Елементи доступні в широкому розмаїтті стилів корпусу та різних номіналів напруги (і струму) та доступні у версіях NPN та PNP.

Біполярний перехідний транзистор може працювати як вимикач у режимі "вкл.-вимк.", як показано на малюнку.

Коли база NPN-транзистора заземлена (0 вольт) і струм бази Ib відсутня - не тече від емітера до колектора, і тому транзистор переключається в положення "викл.". Якщо база зміщена в прямому напрямку більш ніж на 0,7 В, струм тектиме від емітера до колектора, і транзистор, як кажуть, буде увімкнено. Працюючи у цих двох режимах транзистор працює як перемикач.

Проблема тут полягає в тому, що транзисторна база повинна перемикатися між нулем і деяким великим позитивним значенням, щоб транзистор насичувався, і в цей момент підвищений базовий струм Ib протікає в пристрій, в результаті чого колектор Ic стає великим, а напруга Vce маленьким. Тоді ми можемо бачити, що невеликий струм на базі може контролювати набагато більший струм, що протікає між колектором та емітером.

Відношення струму колектора до базового струму (β) відоме як коефіцієнт посилення струму транзистора. Типове значення β для стандартного біполярного транзистора може бути в діапазоні від 50 до 200 і варіюється навіть між транзисторами з однаковим номером деталі.У деяких випадках, коли коефіцієнт посилення струму одного транзистора занадто малий для прямого управління навантаженням, одним із способів збільшення коефіцієнта посилення є використання пари Дарлінгтона.

Конфігурація транзистора Дарлінгтона, також відома як «Дарлінгтон пара» або «суперальфа»-ланцюг, складається з двох NPN- або PNP-транзисторів, з'єднаних між собою таким чином, що струм емітера першого транзистора TR₁ стає базовим струмом другого транзистора TR₂. Потім транзистор TR₁ підключається як повторювач емітера, а TR₂ - загальний підсилювач емітера, як показано нижче.

Також зверніть увагу, що в цій конфігурації пари Дарлінгтона струм колектора веденого або керуючого транзистора, TR₁ «синфазен» зі струмом головного перемикаючого транзистора TR₂.

Базова конфігурація транзистора Дарлінгтон

У парі NPN Дарлінгтона як приклад колектори двох транзисторів з'єднані разом, а емітер TR₁ управляє основою TR₂. У цій конфігурації досягається множення на β, тому що для базового струму i _b Струм колектора дорівнює β * i _b, де коефіцієнт посилення струму більше одиниці або дорівнює одиниці, і це визначається як:

Але базовий струм I _B2 дорівнює струму емітера транзистора TR₁, I _E1, оскільки емітер TR₁ підключений до бази TR₂. Отже:

Потім підставимо у перше рівняння:

Де β ₁ та β ₂ - Коефіцієнти посилення струму окремих транзисторів.

Це означає, що загальне посилення струму визначається коефіцієнтом посилення першого транзистора, помноженим на коефіцієнт посилення другого транзистора, коли коефіцієнти посилення струму двох транзисторів множаться.Іншими словами, пара біполярних транзисторів, об'єднаних разом для створення однієї пари транзисторів Дарлінгтон, може розглядатися як один транзистор з дуже високим значенням β і, отже, з високим вхідним опором.

Приклад транзистора Дарлінгтон

Два NPN-транзистори з'єднані разом у вигляді пари Дарлінгтона для перемикання галогенної лампи 12 75 Вт. Коефіцієнт підсилення прямого струму першого транзистора дорівнює 25, а коефіцієнт підсилення прямого струму (бета) другого транзистора дорівнює 80. Ігноруючи будь-які падіння напруги на двох транзисторах, розрахуйте максимальний базовий струм, необхідний повного включення лампи.

Спочатку струм, споживаний лампою, дорівнюватиме струму колектора другого транзистора, потім:

Використовуючи наведене вище рівняння, базовий струм визначають як:

Потім ми бачимо, що дуже маленький базовий струм всього 3,0 мА, такий як струм, що подається цифровим логічним вентилем або вихідним портом мікроконтролера, може використовуватися для включення та вимикання лампи потужністю 75 Вт.

Якщо два однакові біполярні транзистори використовуються для створення одного пристрою Дарлінгтона, то β₁ одно β₂, і загальне посилення струму матиме вигляд:

Зазвичай, значення β 2 набагато більше, ніж значення 2β, і в цьому випадку його можна ігнорувати, щоб трохи спростити математику. Тоді остаточне рівняння для двох ідентичних транзисторів, налаштованих як пара Дарлінгтона, можна записати у вигляді:

Тоді ми можемо бачити, що для двох однакових транзисторів 2 використовується замість р, що діє як один великий транзистор з величезною кількістю вигоди. Легко доступні пари транзисторів Дарлінгтон з посиленням струму більше тисячі з максимальними струмами колектора в кілька ампер.Наприклад: NPN TIP120 та його PNP еквівалентні TIP125.

Перевага використання такого пристрою, полягає в тому, що перемикаючий транзистор набагато чутливіший, оскільки для перемикання значно більшого струму навантаження потрібно лише невеликий базовий струм, так як типове посилення конфігурації Дарлінгтона може перевищувати 1000, тоді як зазвичай одиночний ступінь транзистора дає посилення від 50 до 200

Потім бачимо, що пара Дарлінгтона з коефіцієнтом посилення 1 000 : 1 може перемикати вихідний струм 1 А ланцюга колектор — емітер з вхідним базовим струмом всього 1 мА. Тоді це робить транзистори Дарлінгтона ідеальними для взаємодії з реле, лампами та двигунами з мікроконтролером малої потужності, комп'ютером чи логічними контролерами, як показано на малюнку.

Застосування транзисторів Дарлінгтон

База транзистора Дарлінгтона досить чутлива, щоб реагувати на будь-який невеликий вхідний струм від комутатора або безпосередньо від логічного елемента КМОП TTL або 5 В. Максимальний струм колектора Ic (max) для будь-якої пари Дарлінгтона такий же, як і для основного транзистора TR ₂тому його можна використовувати для керування реле, двигунами постійного струму, соленоїдами і лампами і т.д.

Одним з основних недоліків пари транзисторів Дарлінгтон є мінімальне падіння напруги між базою і емітером при повному насиченні.На відміну від одного транзистора, у якого падіння напруги насичення становить від 0,3 до 0,7 В при повному включенні, пристрій Дарлінгтон має подвоєне падіння напруги базового емітера (1,2 В замість 0,6 В), оскільки падіння напруги базового емітера - це сума падінь діодів базового емітера двох окремих транзисторів, яка може становити від 0,6 до 1,5 В залежно від струму, що тече через транзистор.

Таке високе падіння напруги на базі емітера означає, що для даного струму навантаження транзистор Дарлінгтона може нагріватися сильніше, ніж звичайний транзистор біполярний, і, отже, вимагає хорошого відведення тепла. Крім того, транзистори Дарлінгтона мають більш повільний час відгуку «вкл.-викл.», оскільки TR тразиторові TR₁ потрібно більше часу, щоб головний транзистор TR₂ повністю увімкнувся.

Щоб подолати повільний відгук, підвищене падіння напруги та теплові недоліки стандартного транзисторного пристрої Дарлінгтона, додаткові транзистори NPN і PNP можуть використовуватися в одній і тій же каскадній схемі для створення транзистори Дарлінгтон іншого типу, званого конфігурацією Шиклаї.

Транзисторна пара Шіклаї (Sziklai)

З'єднання транзисторів за схемою Шиклаї, названої на честь винахідника Джорджі Шиклаї, являє собою особливий транзистор Дарлінгтона, що складається з окремих NPN і PNP комплементарних транзисторів, з'єднаних між собою, як показано нижче.

Ця каскадна комбінація транзисторів NPN і PNP має ту перевагу, що пара Шиклаї виконує основну функцію пари Дарлінгтона, за винятком того, що для її включення потрібно лише 0,6 В, і, як і в стандартній конфігурації Дарлінгтона, коефіцієнт посилення струму дорівнює β 2 для однаково узгоджених транзисторів або задається добутком двох коефіцієнтів посилення струму для неузгоджених окремих транзисторів

Конфігурація транзистора Шиклаї - Дарлінгтон

Ми можемо бачити, що падіння напруги бази-емітера пристрою Шиклаї дорівнює падінню діода одного транзистора в тракті сигналу. Проте конфігурація Шиклаї не може наситити менше одного повного падіння напруги на діоді, тобто 0,7 замість звичайних 0,2 в.

Крім того, як і у випадку пари Дарлінгтона, пара Шіклаї має повільніший відгук, ніж один транзистор. Комплементарні парні транзистори Шиклаї зазвичай використовуються у двотактних вихідних каскадах аудіопристрою класу AB, що допускають лише одну полярність вихідного транзистора. Обидві пари транзисторів Дарлінгтона та Шиклаї доступні як у конфігурації NPN, так і конфігурації PNP.

Транзисторні ІС Дарлінгтон

У більшості електронних додатків керуючого ланцюга достатньо для безпосереднього перемикання вихідної напруги або постійного струму "вкл." або «вимк.», оскільки для деяких вихідних пристроїв, таких як світлодіоди або дисплеї, потрібно лише кілька міліампер для роботи при низьких напругах постійного струму. Як наслідок, можуть керуватися безпосередньо виходом стандартного логічного елемента.

Однак, як ми бачили вище, іноді для роботи пристрою виведення, такого як двигун постійного струму, потрібно більше енергії, ніж може бути забезпечене звичайним логічним вентилем або мікроконтролером. Якщо цифровий логічний пристрій не може подавати достатній струм, для керування пристроєм потрібні додаткові схеми.

Одним з таких широко використовуваних транзисторних чіпів Дарлінгтон є масив ULN2003. Сімейство масивів Дарлінгтона складається з ULN2002A, ULN2003A і ULN2004A, які є високовольтні і сильноточні масиви Дарлінгтона, кожен з яких містить сім пар Дарлінгтона з відкритим колектором в одному пакеті ІС.

Кожен канал масиву розрахований на 500 мА і може витримувати пікові струми до 600 мА, що робить його ідеальним для керування невеликими двигунами, лампами або затворами та потужними базами напівпровідників. Додаткові діоди придушення включені для індуктивного керування навантаженням, а входи прикріплені навпроти виходів, щоб спростити з'єднання та розташування плати.

ULN2003A Дарлінгтонський транзисторний масив

ULN2003A є недорогим однополярним масивом транзисторів Дарлінгтона з високою ефективністю та низьким споживанням енергії, що робить його корисним для руху широкого діапазону навантажень, включаючи електромагніти, реле постійного струму двигуна і світлодіодні дисплеї або лампи розжарювання. ULN2003A містить сім пар транзисторів Дарлінгтона, кожна з вхідним контактом зліва та вихідним контактом праворуч від нього, як показано нижче.

ULN2003A Транзисторна матриця Дарлінгтона

Драйвер Дарлінгтона ULN2003A має надзвичайно високий вхідний імпеданс і коефіцієнт посилення струму, який може керуватися безпосередньо від логічного елемента CMOS TTL або + 5V. Для логіки CMOS + 15 В використовуйте ULN2004A, а для більш високих комутуючих напруг до 100 В краще використовувати масив Дарлінгтон SN75468.

Коли вхід (контакти 1–7) переходить у режим «високий», відповідний вихід перемкне «низький» струм витоку. Аналогічно, коли вхід приводиться в дію «низький», відповідний вихід переходить у стан високого імпедансу. Цей стан із високим імпедансом «вимк.» блокує струм навантаження та знижує струм витоку через пристрій, підвищуючи ефективність.

Контакт 8 (GND) підключено до заземлення навантаження або 0 вольт, а контакт 9 (Vcc) підключено до джерела живлення навантаження. Потім будь-яке навантаження має бути підключене між + Vcc та вихідним контактом, контактами 10–16. Для індуктивних навантажень, таких як двигуни, реле, соленоїди тощо контакт 9 завжди повинен бути підключений до Vcc.

ULN2003A здатний комутувати 500 мА (0,5 А) на канал, але якщо потрібно більше можливостей перемикання струму, то і входи, і виходи пар Дарлінгтон можуть бути паралельні один одному для більш високої здатності струму. Наприклад, вхідні контакти 1 і 2 з'єднані разом, вихідні контакти 16 і 15 також об'єднані для перемикання навантаження.

Резюме транзистора Дарлінгтон

Дарлінгтон транзистор — це напівпровідниковий пристрій найвищої потужності, що показує силу струму і напругу набагато вище, ніж звичайні невеликі площинні транзистори сигналу.

Значення коефіцієнта посилення постійного струму для стандартних транзисторів NPN або PNP великої потужності відносно низькі, аж до 20 або навіть менше, ніж транзистори з малим сигналом перемикання. Це означає, що для перемикання навантаження потрібні великі базові струми.

У схемі Дарлінгтона використовуються два об'єднані транзистори , один з яких є основним токонесущим транзистором, а інший, що є набагато меншим транзистором, що перемикає, забезпечує базовий струм для управління головним транзистором. В результаті менший базовий струм може використовуватися для перемикання набагато більшого струму навантаження, оскільки коефіцієнти посилення постійного струму двох транзисторів множаться. Тоді комбінація двох транзисторів може розглядатися як один єдиний транзистор з дуже високим значенням β і, отже, з високим вхідним опором.

Поряд зі стандартними парами транзисторів PNP і NPN Дарлінгтона є також додаткові транзистори Шиклаї - Дарлінгтона, які складаються з окремих узгоджувальних транзисторів NPN і PNP, з'єднаних разом в одній парі Дарлінгтона для підвищення ефективності.

Також доступні масиви Дарлінгтона, наприклад ULN2003A, які дозволяють безпечно керувати потужними або індуктивними навантаженнями, такими як лампи, соленоїди та двигуни. Управління здійснюється за допомогою мікропроцесорних та мікроконтролерних пристроїв у роботизованих та мехатронних додатках.

Що таке транзистор Дарлінгтона. Куточок радіоаматора

У цій статті ми розповімо про транзистора Дарлінгтона або пару Дарлінгтона, наведемо кілька прикладів схем, покажемо варіанти застосування, переваги та недоліки.

На сучасному ринку доступні найрізноманітніші транзистори Дарлінгтона, які різняться за провідністю, струмом колектора, потужністю розсіювання, типом корпусу, максимальною напругою CE і т.д. буд.

Ці транзистори зустрічаються в різних типах пристроїв, таких як регулятори потужності, контролери двигуна, аудіопідсилювачі тощо. буд. Багато оптико-ізоляторних схем виготовляються на транзисторах Дарлінгтона, щоб мати високе струмове навантаження на вихідному каскаді.

Чому ми використовуємо транзистор Дарлінгтон?

Як відомо, для переведення транзистора в режим провідності потрібен невеликий базовий струм у схемі із загальним емітером. Іноді цього малого струму бази (коефіцієнт посилення струму) може бути недостатньо, щоб перевести транзистор у стан провідності.

Коефіцієнт посилення струмом чи бета транзистора — це ставлення струму колектора до струму бази.

Коефіцієнт посилення транзистора або коефіцієнт посилення струму (β) = струм навантаження або колектора / вхідний або базовий струм.

Струм навантаження = коефіцієнт посилення струму (β) × базовий струм

Для звичайного транзистора значення становить приблизно 100. Наведене вище співвідношення говорить про те, що струм навантаження перевищує в 100 разів базовий струм транзистора.

Розглянемо схематичний рисунок, наведений нижче. Тут транзистор із змінним резистором, підключеним між джерелом живлення та базою транзистора, використовується для зміни яскравості лампи.

У цій схемі базовий струм є єдиним фактором, який визначає струм, що протікає через колектор - емітер. Таким чином, змінюючи опір змінного резистора, можна змінити яскравість світіння лампи.

Якщо значення опору змінного резистора більше, базовий струм зменшується — транзистор вимикається. Коли опір занадто мало, достатня кількість струму протікатиме через базу, що призведе до збільшення струму колектор-емітер, відповідно лампа світитиме яскравіше. Це посилення струму у транзисторі.

У наведеному вище прикладі бачили управління навантаженням (лампою) з допомогою одного транзистора. Але в деяких схемах вхідний базовий струм джерела може бути недостатнім для управління навантаженням. Ми знаємо, що величина струму, що протікає через колектор-емітер, є добутком струму бази та коефіцієнта посилення транзистора.

Оскільки збільшення струму джерела неможливе, єдиний спосіб збільшити струм навантаження — це збільшити коефіцієнт посилення транзистора. Для кожного транзистора це постійний коефіцієнт. Однак, ми можемо збільшити посилення, використовуючи комбінацію з двох транзисторів. Ця конфігурація називається конфігурацією Дарлінгтон.

Транзистор Дарлінгтона є з'єднанням двох транзисторів певним чином. Пара біполярних транзисторів забезпечує дуже високе посилення струму в порівнянні з одним стандартним транзистором, як згадано вище.

Пара цих транзисторів може бути PNP чи NP. На малюнку нижче показана конфігурація пари Дарлінгтон з NPN, а також з транзисторами PNP.

Зміни транзисторів Дарлінгтона

Розглянемо конфігурацію NPN транзистора Дарлінгтон. У цьому випадку дуже маленький базовий струм викликає перебіг великого струму емітера, який потім подається на базу наступного транзистора.

Посилений струм у першому транзисторі знову посилюється другим транзистором.Отже, струм колектор-емітер другого транзистора стає значним.

Припустимо, що якщо коефіцієнт посилення струму першого транзистора дорівнює β1, а коефіцієнт посилення струму другого транзистора дорівнює β2, то загальний коефіцієнт посилення струму транзисторів буде дорівнювати добутку β1 і β2. Якщо взяти два транзистори з ?

Як правило, для включення транзистора базова напруга повинна бути більше 0,7 В. Оскільки в цій конфігурації використовуються два транзистори, базова напруга повинна бути не менше 1,4 Ст.

З малюнка, посилення струму першого транзистора

Аналогічно, коефіцієнт посилення струму наступного транзистора

базовий струм другого транзистора

Підставляючи вищенаведене рівняння

У наведеному вище співвідношенні можна дійти невтішного висновку, що

Приклад транзисторної схеми Дарлінгтон

Розглянемо наступну схему, де пара Дарлінгтона використовується для перемикання навантаження, яке розраховане на 12 В та 80 Вт. Посилення струму першого та другого транзисторів візьмемо як 50 та 60 відповідно. Таким чином, базовий струм, необхідний повного включення лампи, розраховується так.

Струм колектора дорівнює струму навантаження,

Вихідний струм транзистора Дарлінгтона визначається як Ic = I _B (β ₁ + β ₂ + β ₁ β ₂ ),

Коефіцієнт посилення струму, β₁ = 50 and β₂ = 60

Отже, I_B= 6.67 / (50 + 60 + (60 × 50))

I_B = 2.2 mA

З наведеного вище розрахунку ясно, що з невеликому базовому струмі ми можемо перемикати великі навантаження. Цей базовий струм може подаватися з будь-якого виходу мікроконтролера або будь-яких цифрових логічних схем.

Застосування транзистора Дарлінгтон

Транзистори Дарлінгтона в основному використовуються в схемах комутації та посилення для забезпечення дуже високого посилення постійного струму. Деякі з ключових схем – це перемикачі на стороні високого та низького рівня, сенсорні підсилювачі та підсилювачі звуку. Для світлочутливих пристроїв використовують фотодарлінгтон. Погляньмо на роботу транзистора Дарлінгтона на конкретному прикладі.

Транзистор Дарлінгтон (NPN) як перемикач

На малюнку нижче показано керування світлодіодом з використанням транзистора Дарлінгтон. Перемикач на базі також може бути замінений сенсорним датчиком, так що при торканні сенсора світиться світлодіод. Резистор на 100 ком діє як захисний резистор для пари транзисторів.

Дарлінгтонський транзистор як перемикач

Коли перемикач замкнутий, на транзистор Дарлінгтон подається напруга більше 1,4 Ст. Це призводить до того, що пара Дарлінгтон стає активною і пропускає струм через навантаження. Це призводить до того, що світлодіоди починають світитися дуже яскраво, навіть за зміни опору в бази.

Коли перемикач розімкнуто, обидва біполярні транзистори знаходяться в режимі відсічення, і струм через навантаження дорівнює нулю. Таким чином, світлодіод гасне.

Також можна використовувати пару Дарлінгтона для управління індуктивними навантаженнями, такими як реле, двигуни. У порівнянні з одним транзистором, керування індуктивними навантаженнями за допомогою пари Дарлінгтона є більш ефективним, оскільки забезпечується високий струм навантаження при невеликому вхідному струмі бази.

На малюнку нижче показана пара Дарлінгтон, яка керує котушкою реле.При комутації індуктивного навантаження необхідно паралельно підключити діод, щоб захистити ланцюг від індукованих струмів. Як і в наведеній вище схемі роботи світлодіодів, котушка реле отримує живлення при подачі струму бази. Ми також можемо використовувати двигун постійного струму як індуктивне навантаження замість котушки реле.

Транзистор Дарлінгтон (PNP) як перемикач

Ми можемо використовувати PNP-транзистори як пару Дарлінгтон, але найчастіше використовуються NPN-транзистори. Немає великої різниці у схемі з використанням NPN або PNP. Нижче на малюнку показано просту схему датчика, яка видає аварійний сигнал з використанням пари Дарлінгтона.

Цей контур є простим індикатором рівня води, в якому пара Дарлінгтона використовується як перемикач. Ми знаємо, що ця конфігурація транзистора забезпечує великий струм колектора, тому він може керувати зуммером на виході.

Коли рівень води недостатній для замикання датчика, транзистор Дарлінгтон знаходиться у вимкненому стані. Отже, ланцюг розірваний, і через нього не протікає струм.

У міру підвищення рівня води датчик замикається, у результаті надходить необхідний базовий струм на пару Дарлінгтона. Отже, ланцюг замикається, і струм навантаження протікає так, що зумер подає сигнал.

Переваги пари Дарлінгтон

Пара Дарлінгтон має кілька переваг в порівнянні зі стандартним одиночним транзистором. Ось деякі з них:

• Він забезпечує дуже високий коефіцієнт посилення струму, ніж стандартний одиночний транзистор
• Він забезпечує дуже високий вхідний імпеданс чи хороше перетворення імпедансу.
• Вони можуть бути двома окремими транзисторами або поставляються в одному корпусі.
• Проста та зручна конфігурація схеми, оскільки використовується лише кілька компонентів.
• У випадку пари фотодарлінгтон зовнішній шум набагато менший у порівнянні з фототранзистором із зовнішнім підсилювачем.

Недоліки пари Дарлінгтон

• Низька швидкість перемикання
• Пропускна спроможність обмежена
• На певних частотах ланцюга негативної зворотний зв'язок ця конфігурація вводить фазовий зсув.
• Необхідна напруга бази-емітера висока і вдвічі більша, ніж у стандартного транзистора.
• Високе розсіювання потужності через високу напругу насичення.
• Загальний струм витоку високий, тому що струм витоку першого транзистора посилюється наступним транзистором. Ось чому три або більше ступенів Дарлінгтон неможливі.

Отже, пара Дарлінгтона дуже корисна в більшості додатків, оскільки вона забезпечує високий коефіцієнт посилення струму при низьких базових струмах.

Хоча це має деякі обмеження, ці пари широко використовуються в додатках, де не потрібна високочастотна характеристика, а потрібні високі рівні посилення струму. У разі схем підсилювача потужності звуку ця конфігурація забезпечує найкращу вихідну потужність.

Складовий транзистор - Вікіпедія.

Складовий транзистор - Електричне з'єднання двох (або більше) біполярних транзисторів, польових транзисторів або IGBT-транзисторів, з метою поліпшення їх електричних характеристик. До цих схем відносять так звану пару Дарлінгтона, пару Шиклаї, каскодну схему включення транзисторів, схему так званого струмового дзеркала та ін.

Пара Дарлінгтона

Складовий транзистор (або схема) Дарлінгтона (часто пара Дарлінгтона) була запропонована в 1953 році інженером Bell Laboratories Сідні Дарлінгтоном (Sidney Darlington). Схема є каскадним з'єднанням двох (рідко - трьох або більше) біполярних [1] транзисторів, включених таким чином, що навантаженням в емітерному ланцюзі попереднього каскаду є перехід база-емітер транзистора наступного каскаду (тобто емітер попереднього транзистора) цьому колектори транзистори з'єднані. У цій схемі струм емітера попереднього транзистора є базовим струмом наступного транзистора.

Коефіцієнт посилення струму пари Дарлінгтона дуже високий і приблизно дорівнює добутку коефіцієнтів посилення струму транзисторів складових таку пару. У потужних транзисторів включених за схемою пари Дарлінгтона, що конструктивно випускається в одному корпусі (наприклад, транзистор КТ825) гарантований коефіцієнт посилення струму за нормальних умов експлуатації) не менше 750 [2] .

У пар Дарлінгтона, зібраних на малопотужних транзисторах, цей коефіцієнт може досягати значення 50000.

Високий коефіцієнт посилення струму забезпечує управління малим струмом, поданим на керуючий вхід складеного транзистора, вихідними струмами перевищують вхідний на кілька порядків.

Досягти підвищення коефіцієнта посилення по струму можна також зменшивши товщину бази при виготовленні транзистори, такі транзистори випускаються промисловістю і називаються «супербету транзистор», але процес їх виготовлення представляє певні технологічні труднощі і такі транзистори мають дуже низькі колекторні робочі напруги, що не перевищують кількох.Прикладами супербета транзисторів можуть бути серії одиночних транзисторів КТ3102, КТ3107. Однак такі транзистори іноді об'єднують у схемі Дарлінгтона. Тому в відносно сильноточних і високовольтних схемах, де потрібно знизити струм, що управляє, використовуються пари Дарлінгтона або пари Шиклаї.

Іноді і схему Дарлінгтона не зовсім коректно називають "супербету транзистор" [3] .

Складові транзистори Дарлінгтона використовуються в сильноточних схемах, наприклад, схемах лінійних стабілізаторів напруги, вихідних каскадах підсилювачів потужності) і у вхідних каскадах підсилювачів, якщо необхідно забезпечити великий вхідний імпеданс і малі вхідні струми.

Складовий транзистор має три електричні висновки, які еквівалентні висновкам бази, емітера та колектора звичайного одиночного транзистора. Іноді у схемі для прискорення закривання вихідного транзистора та зниження впливу початкового струму вхідного транзистора використовується резистивне навантаження емітера вхідного транзистора, як показано на малюнку.

Пару Дарлінгтона електрично в цілому розглядають як один транзистор, коефіцієнт посилення струму якого, при роботі транзисторів в лінійному режимі, приблизно дорівнює добутку коефіцієнтів посилення всіх транзисторів, наприклад, двох:

βD≈β1⋅β2\approx \beta _\cdot \beta _> де βD> - коефіцієнт посилення по струму пари Дарлінгтона; β1,<\displaystyle \beta _,> β2<\displaystyle \beta _> - коефіцієнти посилення по струму транзисторів пари.

Покажемо, що складовий транзистор дійсно має коефіцієнт β значно більший, ніж у його обох транзисторів. Аналіз проведено для схеми без емітерного резистора R1> (див. рисунок).

Струм емітера IE> будь-якого транзистора через базовий струм IB,> статичний коефіцієнт передачі струму бази β і з 1-го правила Кірхгофа виражається формулою:

Так як струм емітера другого транзистора IE2>, знову ж таки з 1-го правила Кірхгофа дорівнює:

βD=β1+β2+β1⋅β2,=\beta _+\beta _+\beta _\cdot \beta _,> де β1,<\displaystyle \beta _,> β2,<\displaystyle \beta _,> - Статичні коефіцієнти передачі струму бази на колектор транзисторів 1 і 2.

Коефіцієнти ? а статичний коефіцієнт передачі струму транзистора помітно залежить від струму колектора і може різнитися багато в чому раз за різних струмів [4] .

Пара Шиклаї

Парі Дарлінгтона подібно до з'єднання транзисторів за схемою Шиклаї (Sziklai pair), назване так на честь його винахідника Джорджа К. Шиклаї, також іноді зване комплементарним транзистором Дарлінгтону [5] . На відміну від схеми Дарлінгтона, що складається з двох транзисторів одного типу провідності, схема Шикла містить транзистори різного типу провідності (p-n-p і n-p-n). Пара Шиклаї електрично еквівалентна n-p-n-транзистору з великим коефіцієнтом посилення. Вхідна напруга – це напруга між базою та емітером транзистора Q1, а напруга насичення дорівнює принаймні падіння напруги на діоді [уточнити]. Між базою та емітером транзистора Q2 зазвичай включають резистор із невеликим опором. Така схема застосовується у потужних двотактних вихідних каскадах при використанні вихідних транзисторів однієї провідності. [уточнити]

Каскодна схема

Основна стаття: Каскодний підсилювач

Складовий транзистор, виконаний за так званою каскодною схемою, характеризується тим, що транзистор VT1 включений за схемою із загальним емітером, а транзистор VT2 - За схемою із загальною базою. Такий складовий транзистор еквівалентний одиночному транзистору, включеному за схемою із загальним емітером, але при цьому він має набагато кращі частотні властивості, високий вихідний опір і більший лінійний діапазон, тобто менше спотворює сигнал, що передається. вхідного транзистора практично не змінюється, це суттєво пригнічує небажаний вплив ефекту Міллера та розширює робочий діапазон за частотою.

Переваги та недоліки складених транзисторів

Високі значення коефіцієнта посилення у складових транзисторах реалізуються тільки в статичному режимі, тому складові транзистори знайшли широке застосування у вхідних каскадах операційних підсилювачів. ці ж параметри для кожного з транзисторів VT1 і VT2.

Переваги складових пар Дарлінгтона та Шиклаї:

• Високий коефіцієнт посилення струму.
• Схема Дарлінгтона виготовляється у складі інтегральних схем і за однаковому струмі площа займана парою лежить на поверхні кристала кремнію менше, ніж в одиночного біполярного транзистора.
• Застосовуються при відносно високих напругах.

Недоліки складеного транзистора:

• Низька швидкодія, особливо в ключовому режимі при переході з відкритого стану в закритий.На високих частотах їх частотні параметри гірші, ніж одиночний транзистор.
• Пряме падіння напруги U_бе складеного транзистора у схемі Дарлінгтона майже удвічі більше [6] , ніж в одиночного транзистора, і становить кремнієвих транзисторів близько 1,2 — 1,4 У, оскільки дорівнює сумі падінь напруги на прямозміщених p-n переходах двох транзисторів.
• Велика напруга насичення колектор-емітер для кремнієвого транзистора близько 0,9 В (порівняно з 0,2 В у звичайних транзисторів) для малопотужних транзисторів і близько 2 В для транзисторів великої потужності, так як не може бути менше ніж падіння напруги на прямозміщеному p-n переході плюс падіння напруги на насиченому вхідному транзисторі. [уточнити]

Застосування резистора навантаження R1 дозволяє покращити деякі характеристики складеного транзистора. Величина резистора вибирається з таким розрахунком, щоб струм колектор-емітер транзистора VT1 у закритому стані (початковий струм колектора) створював на резисторі падіння напруги, недостатнє для відкриття транзистора VT2. Таким чином, струм витоку транзистора VT1 не посилюється транзистором VT2тим самим зменшується загальний струм колектор-емітер складеного транзистора в закритому стані. Крім того, застосування резистора R1 сприяє збільшенню швидкодії складеного транзистора за рахунок форсування закриття транзистора, оскільки неосновні носії, накопичені в основі VT2 при його замиканні з режиму насичення як розсмоктуються, а й стікають через цей резистор. Зазвичай опір R1 вибирають величиною сотням в потужному транзисторі Дарлінгтона і кілька кілоом в малопотужному транзисторі Дарлінгтона.Прикладом схеми Дарлінгтона виконаної в одному корпусі з вбудованим емітерним резистором служить потужний n-p-n транзистор Дарлінгтон типу КТ827, його типовий коефіцієнт посилення по струму близько 1000 при колекторному струмі 10 А.

Примітки

1. ↑ Польові транзистори, на відміну від біполярних, не використовуються у складовому включенні, оскільки володіючи високим вхідним опором, керуються напругою, а не струмом і таке включення недоцільно.
2. ↑ Технічний паспорт транзистора КТ825.
3. ↑ Супербета (супер-β) транзисторами називають транзистори з надвеликим значенням коефіцієнта посилення по струму, отриманим за рахунок дуже малої товщини бази, а не за рахунок складового включення. При цьому робочий базовий струм одиночного транзистора можна знизити до десятків пА. першому каскаді операційних підсилювачів із надмалими вхідними струмами, наприклад, типів LM111 та LM316.
4. ↑ Степаненко І. П. Основи теорії транзисторів і транзисторних схем. - 4-е вид., Перероб. і доп.
5. ↑ Хоровіц П., Хілл У. Мистецтво схемотехніки: У 3-х томах: Пер. .- 50 000 екз.
6. ↑ Це не завжди (не у всіх застосуваннях) є недоліком, але завжди — особливістю, яку треба враховувати при розрахунку схеми постійного струму, і яка не дозволяє безпосередньо замінити одиночний транзистор на складовий Дарлінгтона.

Підсилювач Дарлінгтону

Підсилювач, називається саме так, не через те, що його автор ДАРЛІНГТОН, а тому, що вихідний каскад підсилювача потужності побудований на дарлінгтонівських (складених) транзисторах.

Для довідки: два транзистори однакової структури з'єднані спеціальним чином високого посилення. Таке з'єднання транзисторів утворює складовий транзистор, або транзистор Дарлінгтона - на ім'я винахідника цього схемного рішення. Такий транзистор використовується у схемах працюючих з великими струмами (наприклад, схемах стабілізаторів напруги, вихідних каскадів підсилювачів потужності) і у вхідних каскадах підсилювачів, якщо необхідно забезпечити великий вхідний імпеданс. Складовий транзистор має три висновки (база, емітер та колектор), які еквівалентні висновкам звичайного одиночного транзистора. Коефіцієнт посилення струму типового складеного транзистора, у потужних транзисторів ≈1000 і у малопотужних транзисторів ≈50000.

Переваги транзистора Дарлінгтона

- Високий коефіцієнт посилення струму.

- Cхема Дарлінгтона виготовляється у вигляді інтегральних схем і при однаковому струмі робоча поверхня кремнію менша, ніж у біполярних транзисторів. Дані схеми становлять великий інтерес при високих напругах.

Недоліки складеного транзистора

— Низька швидкодія, особливо переходу з відкритого стану до закритого. Тому складові транзистори використовуються переважно в низькочастотних ключових і підсилювальних схемах, на високих частотах їх параметри гірші, ніж у одиночного транзистори.

- Пряме падіння напруги на переході база-емітер у схемі Дарлінгтона майже вдвічі більше, ніж у звичайному транзисторі, і становить для кремнієвих транзисторів близько 1,2 - 1,4 В.

— Велика напруга насичення колектор-емітер для кремнієвого транзистора близько 0,9 В для малопотужних транзисторів і близько 2 В для транзисторів великої потужності.

Принципова схема УНЧ

Підсилювач можна назвати найдешевшим варіантом самостійної побудови сабвуферного підсилювача. Найцінніше у схемі - вихідні транзистори, ціна яких не перевищує 1$. За ідеєю, такий підсилювач можна зібрати за 3-5$ без блоку живлення. Давайте зробимо невелике порівняння, який із мікросхем може дати потужність 100-200 ват на навантаження 4 Ом? Відразу в думках знамениті TDA7294. Але якщо порівняти ціни, то дарлінгтонівська схема і дешевша і потужніша TDA7294!

Сама мікросхема без комплектуючих компонентів коштує 3$ як мінімум, а ціна активних компонентів дарлінгтонівської схеми не більше 2-2,5$! При тому, що дарлінгтонівська схема на 50-70 ват потужніша за TDA7294!

При навантаженні 4 Ом підсилювач віддає 150 Вт, це найдешевший і непоганий варіант сабвуферного підсилювача. У схемі підсилювача використані недорогі випрямні діоди, які можна дістати у будь-якому електронному пристрої.

Підсилювач може забезпечувати таку потужність за рахунок того, що на виході використано саме складові транзистори, але за бажання вони можуть бути замінені на звичайні. Зручно використовувати комплементарну пару КТ827/25, але, звичайно, потужність підсилювача спаде до 50-70 ватів. У диференціальному каскаді можна використовувати вітчизняні КТ361 або КТ3107.

Повний аналог транзистора TIP41 наш КТ819А, Цей транзистор служить для посилення сигналу з диффкаскадів і розгойдування вихідників Емітерні резистори можна використовувати з потужністю 2-5 ват, вони для захисту вихідного каскаду. Докладніше про технічні характеристики транзистора TIP41C. Даташит для TIP41 та TIP42 скачайте тут.

- Матеріал p-n-переходу: Si

- Структура транзистора: NPN

— Гранична постійна потужність колектора (Pc) транзистора, що розсіюється: 65 W

- Гранична постійна напруга колектор-база (Ucb): 140 V

- Гранична постійна напруга колектор-емітер (Uce) транзистора: 100 V

- Гранична постійна напруга емітер-база (Ueb): 5 V

— Постійний граничний струм колектора транзистора (Ic max): 6 A

- Гранична температура p-n переходу (Tj): 150 C

- Гранична частота коефіцієнта передачі струму (Ft) транзистора: 3 MHz

- Ємність колекторного переходу (Cc): pF

— Статичний коефіцієнт передачі струму у схемі із загальним емітером (Hfe), min: 20

Такий підсилювач може бути використаний як в якості сабвуферного, так і для широкосмугової акустики. Характеристики підсилювача теж непогані. з живленням +/-50 вольт.

Сподобалася схема - лайкни!

ПРИНЦИПНІ СХЕМИ УНЧ

Дивитись ще схеми підсилювачів

ПІДСИЛЮВАЧІ НА ЛАМПАХ ПІДСИЛЮВАЧІ НА ТРАНЗИСТОРАХ

ПІДСИЛЮВАЧІ НА МІКРОСХЕМАХ СТАТТІ ПРО ПІДСИЛЮВАЧІВ

2.16. Складовий транзистор

РОЗДІЛ 2. ТРАНЗИСТОРИ

Деякі типи підсилювальних каскадів

Якщо з'єднати транзистори, як показано на рис. 2.60, то отримана схема буде працювати як один транзистор, причому його коефіцієнт буде дорівнювати добутку коефіцієнтів складових транзисторів. каскадів підсилювачів потужності) або для вхідних каскадів підсилювачів, якщо необхідно забезпечити великий вхідний Імпеданс.

2.60. Складовий транзистор

У транзисторі Дарлінгтона падіння напруги між базою і емітером вдвічі більше звичайного, а напруга насичення дорівнює принаймні падінню напруги на діоді (бо потенціал емітера транзистора Т₁ має перевищувати потенціал емітера транзистора Т₂, на величину падіння напруги на діоді) Крім того, з'єднані таким чином транзистори поводяться як один транзистор з досить малою швидкодією, оскільки транзистор T₁ не може швидко вимкнути транзистор Т₂. З урахуванням цієї властивості зазвичай між базою та емітером транзистора Т₂ включають резистор (рис. 2.61). Резистор R запобігає змішанню транзистора Т.₂ в область провідності за рахунок струмів витоку транзисторів Т₁ і Т₂Опір резистора вибирають так, щоб струми витоку (вимірювані в наноамперах для малосигнальних транзисторів і в сотнях мікроампер для потужних транзисторів) створювали на ньому падіння напруги, що не перевищує падіння напруги на діоді, і разом з тим щоб через нього протікав струм. з базовим струмом транзистора Т₂Зазвичай опір R становить кілька сотень у потужному транзисторі Дарлінгтона і кілька тисяч у малосигнальному транзисторі Дарлінгтона.

Рис. 2.61.

Промисловість випускає транзистори Дарлінгтона у вигляді закінчених модулів, що включають, як правило, і емітерний резистор.

З'єднання транзисторів за схемою Шіклаї (Sziklai). З'єднання транзисторів за схемою Шиклаї є схемою, подібною до тієї.яку ми щойно розглянули. Вона також забезпечує збільшення коефіцієнта β. Іноді таку сполуку називають комплементарним транзистором Дарлінгтона (рис. 2.62). Схема поводиться як транзистор n-p-n - типу, що має великий коефіцієнт β. У схемі діє одна напруга між базою і емітером, а напруга насичення, як і в попередній схемі, дорівнює принаймні падіння напруги на діоді. Між базою та емітером транзистора Т₂ рекомендується включати резистор із невеликим опором. Розробники застосовують цю схему у потужних двотактних вихідних каскадах, коли хочуть використовувати вихідні транзистори лише однієї полярності. Приклад такої схеми показано на рис. 2.63. Як і раніше, резистор є колекторним резистором транзистора T₁ Транзистор Дарлінгтона, утворений транзисторами Т₂ і Т₃. поводиться як один транзистор n-p-n - типу. з великим коефіцієнтом посилення струму. Транзистори Т₄ і Т₅, Сполучені за схемою Шиклаї, поводяться як потужний транзистор p-n-p - типу. з більшим коефіцієнтом посилення. Як і раніше, резистори R₃ та R₄ мають невеликий опір. Цю схему іноді називають двотактним повторювачем із квазідодатковою симетрією. У цьому каскаді з додатковою симетрією (комплементарним) транзистори Т₄ і Т₅, були б з'єднані за схемою Дарлінгтон.

Мал. 2.62. З'єднання транзисторів за схемою Шиклаї (додатковий транзистор Дарлінгтона).

Мал. 2.63. Потужний двотактний каскад, у якому використані вихідні транзистори лише n-p-n – типу.

Транзистор з надвеликим значенням коефіцієнта посилення струму. Складові транзистори - транзистор Дарлінгтона і йому подібні - не слід плутати з транзисторами з надвеликим значенням коефіцієнта посилення струму, в яких дуже велике значення коефіцієнта h_21е одержують у ході технологічного процесу виготовлення елемента. Приклад такого елемента служить транзистор типу 2N5962. для якого гарантується мінімальний коефіцієнт посилення струму, рівний 450, при зміні колекторного струму в діапазоні від 10 мкА до 10 мА; цей транзистор належить до серії елементів 2N5961-2N5963, яка характеризується діапазоном максимальної напруги U_ке від 30 до 60 В (якщо колекторна напруга має бути більшою, слід піти на зменшення значення C). Промисловість випускає узгоджені пари транзисторів із надвеликим значенням коефіцієнта β. Їх використовують у підсилювачах з низьким рівнем сигналу, для яких транзистори повинні мати узгоджені характеристики; цьому питанню присвячений розд. 2.18. Прикладами подібних стандартних схем є схеми типу LM394 і МАТ-01; вони є транзисторними парами з великим коефіцієнтом посилення, в яких напруга U_бе узгоджено до часток мілівольта (в найкращих схемах забезпечується узгодження до 50 мкВ), а коефіцієнт h_21е - До 1%. Схема типу МАТ-03 є узгодженою парою p-n-p — транзисторів.

Транзистори з надвеликим значенням коефіцієнта можна об'єднувати за схемою Дарлінгтона. При цьому базовий струм зсуву можна зробити рівним лише 50 пкА (прикладами таких схем служать операційні підсилювачі типу LM111 і LM316).

Деякі типові транзисторні схеми

Схема Дарлінгтона принцип дії Техніка та Програми

Позначення складеного транзистора, виконаного ! із двох окремих транзисторів, з'єднаних за схемою Дарлінгтона, зазначено на рис. 2Л,а. Перший зі згаданих транзисторів включений за схемою емітерного повторювача, сигнал з емітера першого транзистора надходить на базу другого транзистора. Перевагою цієї схеми є винятково високий коефіцієнт посилення. Загальний коефіцієнт посилення струму р для цієї схеми дорівнює добутку коефіцієнтів посилення струму окремих транзисторів: р = р_гр₂. Наприклад, якщо вхідний транзистор пари Дарлінгтона має коефіцієнт посилення, рівний 120, а коефіцієнт посилення другого транзистора дорівнює 50, то загальне р становить 6000. Насправді посилення буде навіть дещо більшим, так як загальний колекторний струм складеного транзистора дорівнює сумі колекторних струмів па нього транзисторів.

Повна схема складеного транзистора показано на рис. 2.1,6. У цій схемі резистори R₁ і R₂ складають дільник напруги, що створює зміщення на основі першого транзистора. Резистор Rн, підключений до емітера складеного транзистора, утворює вихідний ланцюг. Такий прилад широко .застосовується практично, особливо у випадках, коли потрібно великий коефіцієнт посилення струму. Схема має високу чутливість до вхідного сигналу та відрізняється високим рівнем вихідного колекторного струму, що дозволяє використовувати цей струм як керуючий (особливо при низькій напрузі живлення). Застосування схеми Дарлінгтон сприяє зменшенню числа компонентів у схемах.

Мал. 2.1. Схема Дарлінгтон.

Схему Дарлінгтона використовують в підсилювачах низької частоти, в генераторах і пристроях, що перемикають.Вихідний опір схеми Дарлінгтона набагато нижче вхідного. У цьому сенсі її характеристики подібні до характеристик знижуючого трансформатора. Однак на відміну від трансформатора схема Дарлінгтона дозволяє отримати велике посилення по потужності. Вхідний опір схеми приблизно дорівнює $ 2 Rn, а її вихідний опір зазвичай менший за R_н. У пристроях, що перемикають, схема Дарлінгтона застосовується в області частот до 25 кГц.

Що таке Складовий транзистор?

Складовий транзистор (Транзистор Дарлінгтона) - об'єднання двох або більше біполярних транзисторів [1] з метою збільшення коефіцієнта посилення по струму [2] . Такий транзистор використовується у схемах працюючих з великими струмами (наприклад, схемах стабілізаторів напруги, вихідних каскадів підсилювачів потужності) і у вхідних каскадах підсилювачів, якщо необхідно забезпечити великий вхідний імпеданс.

Складовий транзистор має три висновки (база, емітер та колектор), які еквівалентні висновкам звичайного одиночного транзистора. Коефіцієнт посилення струму типового складеного транзистора, (іноді помилково званого «супербету» [3] , у потужних транзисторів (наприклад - КТ825) ≈1000 і у малопотужних транзисторів (типу КТ3102 і т. п.) Це означає, ≈50000. струму бази достатньо для того, щоб складовий транзистор відкрився.

Схема Дарлінгтона

Винахід одного з видів такого транзистора є справою рук інженера-електрика Сідні Дарлінгтон (Sidney Darlington).

Складовий транзистор є каскадним з'єднанням кількох транзисторів, включених таким чином, що навантаженням в емітері попереднього каскаду є перехід база-емітер транзистора наступного каскаду, тобто транзистори з'єднуються колекторами, а вхідний емітер вихідного транзистора з'єднується. Крім того, у складі схеми для прискорення закривання може використовуватися резистивне навантаження першого транзистора. Таке з'єднання в цілому розглядають як один транзистор, коефіцієнт посилення струму якого при роботі транзисторів в активному режимі приблизно дорівнює добутку коефіцієнтів посилення першого і другого транзисторів:

Покажемо, що складовий транзистор дійсно має коефіцієнт β значно більший, ніж у його обох компонентів. Задаючи приріст dI_б=dI_б1, отримуємо:

Діля dI_r на dI_б, знаходимо результуючий диференціальний коефіцієнт передачі:

Оскільки завжди можна вважати:

Слід підкреслити, що коефіцієнти можуть відрізнятися навіть у разі однотипних транзисторів, оскільки струм емітера I_е2 в 1+β₂ разів більше струму емітера I_е1 (це випливає з очевидної рівності I_б2=I_е1) [4] .

Схема Шиклаї

Парі Дарлінгтона подібно до з'єднання транзисторів за схемою Шиклаї (Sziklai pair), назване так на честь його винахідника Джорджа К. Шиклаї також іноді називається комплементарним транзистором Дарлінгтона [5] . На відміну від схеми Дарлінгтона, що складається з двох транзисторів одного типу провідності, схема Шикла містить транзистори різної полярності (p-n-p і n-p-n). Пара Шиклаї поводиться як n-p-n-транзистор з великим коефіцієнтом посилення.У схемі діє одна напруга між базою та емітером, а напруга насичення дорівнює принаймні падінню напруги на діоді. Між базою та емітером транзистора Q2 рекомендується включати резистор із невеликим опором. Така схема застосовується у потужних двотактних вихідних каскадах під час використання вихідних транзисторів однієї полярності.

Складовий транзистор, виконаний за так званою каскодною схемою, характеризується тим, що транзистор VT1 включений за схемою із загальним емітером, а транзистор VT2 - За схемою із загальною базою. Такий складовий транзистор еквівалентний одиночному транзистору, включеному за схемою із загальним емітером, але при цьому він має набагато кращі частотні властивості та велику неспотворену потужність у навантаженні, а також дозволяє значно зменшити ефект Міллера.

Переваги та недоліки складених транзисторів

Високі значення коефіцієнта посилення у складових транзисторах реалізуються лише статичному режимі, тому складові транзистори знайшли широке застосування у вхідних каскадах операційних підсилювачів. У схемах на високих частотах складові транзистори вже не мають таких переваг — гранична частота посилення струму і швидкодія складових транзисторів менша, ніж ці параметри для кожного з транзисторів VT1 і VT2.

Переваги складеного транзистора:

• Високий коефіцієнт посилення струму.
• Cхема Дарлінгтона виготовляється як інтегральних схем і за однаковому струмі робоча поверхня кремнію менше, ніж в біполярних транзисторів. Дані схеми становлять великий інтерес при високих напругах.

Недоліки складеного транзистора:

• Низька швидкодія, особливо переходу з відкритого стану до закритого.Тому складові транзистори використовуються переважно в низькочастотних ключових і підсилювальних схемах, на високих частотах їх параметри гірші, ніж у одиночного транзистори.
• Пряме падіння напруги на переході база-емітер у схемі Дарлінгтона майже вдвічі більше ніж у звичайному транзисторі, і становить для кремнієвих транзисторів близько 1,2 - 1,4 (не може бути менше, ніж подвоєне падіння напруги на p-n переході).
• Велика напруга насичення колектор-емітер для кремнієвого транзистора близько 0,9 В (порівняно з 0,2 В у звичайних транзисторів) для малопотужних транзисторів і близько 2 В для транзисторів великої потужності (не може бути менше ніж падіння напруги на p-n переході плюс падіння напруги на насиченому вхідному транзисторі).

Застосування резистора навантаження R1 дозволяє покращити деякі характеристики складеного транзистора. Величина резистора вибирається з таким розрахунком, щоб струм колектор-емітер транзистора VT1 у закритому стані створював на резисторі падіння напруги, недостатнє для відкриття транзистора VT2. Таким чином, струм витоку транзистора VT1 не посилюється транзистором VT2тим самим зменшується загальний струм колектор-емітер складеного транзистора в закритому стані. Крім того, застосування резистора R1 сприяє збільшенню швидкодії складеного транзистора за рахунок форсування закриття транзистора VT2. Зазвичай опір R1 становить сотні Ом у потужному транзисторі Дарлінгтона і кілька ком в малосигнальному транзисторі Дарлінгтона.Прикладом схеми з емітерним резистором служить потужний n-p-n - транзистор Дарлінгтон типу 2N6282, його коефіцієнт посилення по струму дорівнює 4000 (типове значення) для колекторного струму, що дорівнює 10 А.

Примітки

1. ↑ На відміну від біполярних, польові транзистори не використовують у складовому включенні. Об'єднувати польові транзистори немає необхідності, оскільки вони і без того мають надзвичайно малий вхідний струм. Однак існують схеми (наприклад, IGBT), де спільно застосовуються польові та біполярні транзистори. У певному сенсі, такі схеми можна вважати складовими транзисторами.
2. ↑ Досягти підвищення значення коефіцієнта посилення можна також зменшивши товщину бази, але це становить певні технологічні труднощі.
3. ↑ Супербета (супер-β) транзисторами називають транзистори з надвеликим значенням коефіцієнта посилення струму, отриманим рахунок малої товщини бази, а чи не рахунок складового включення. Прикладом таких транзисторів може бути серія КТ3102, КТ3107. Однак їх також можна поєднувати за схемою Дарлінгтона. При цьому базовий струм зміщення можна зробити рівним лише 50 пкА (прикладами таких схем служать операційні підсилювачі типу LM111 і LM316).
4. ↑Степаненко І.П. Основи теорії транзисторів та транзисторних схем. - 4-те вид., Перероб. та дод. - М.: Енергія, 1977. - С. 233, 234. - 672 с.
5. ↑Хоровіц П., Хілл У. Мистецтво схемотехніки: У 3-х томах: Пров. с. англ. - 4-те вид., Перероб. та дод. - М.: Світ, 1993. - Т. 1. - С. 104, 105. - 413 с. - 50 000 прим. - ISBN 5-03-002337-2