Транзистор Дарлингтона

В электронике ( конфигурация Дарлингтона обычно называемая парой Дарлингтона ) представляет собой схему, состоящую из двух биполярных транзисторов с эмиттером одного транзистора, подключенным к базе другого, так что ток, усиленный первым транзистором, дополнительно усиливается второй. ^[1] Коллекторы обоих транзисторов соединены между собой. Эта конфигурация имеет гораздо больший коэффициент усиления по току , чем каждый транзистор, взятый отдельно. Он действует как одиночный транзистор и часто упаковывается в него. Его изобрел в 1953 году Сидни Дарлингтон .

Поведение

Пара Дарлингтона ведет себя как одиночный транзистор, то есть у нее одна база, коллектор и эмиттер. Обычно это создает высокий коэффициент усиления по току (приблизительно являющийся произведением коэффициентов усиления двух транзисторов из-за того, что их значения β умножаются вместе). Общая связь между составным коэффициентом усиления по току и отдельными коэффициентами усиления определяется следующим образом:

\beta _{\mathrm {Darlington} }=\beta _{1}\cdot \beta _{2}+\beta _{1}+\beta _{2}

Если β ₁ и β ₂ достаточно велики (сотни), это соотношение можно аппроксимировать следующим образом:

\beta _{\mathrm {Darlington} }\approx \beta _{1}\cdot \beta _{2}

Типичный транзистор Дарлингтона имеет коэффициент усиления по току 1000 или более, поэтому требуется лишь небольшой базовый ток, чтобы пара переключалась на гораздо более высокие коммутируемые токи. ^[2] Другое преимущество заключается в обеспечении очень высокого входного сопротивления схемы, что также приводит к равному уменьшению выходного сопротивления. Простота создания этой схемы также дает преимущество. Его можно просто сделать из двух отдельных NPN (или PNP) транзисторов, а также он доступен в различных отдельных корпусах.

Одним из недостатков является приблизительное удвоение напряжения база-эмиттер. Поскольку между базой и эмиттером транзистора Дарлингтона имеется два перехода, эквивалентное напряжение база-эмиттер представляет собой сумму обоих напряжений база-эмиттер:

V_{BE}=V_{BE1}+V_{BE2}\approx 2V_{BE1}\!

Для кремниевой технологии, где каждый VBEi _{составляет} около 0,65 В при работе устройства в активной или насыщенной области, необходимое напряжение пары база-эмиттер составляет 1,3 В.

Еще одним недостатком пары Дарлингтона является повышенное напряжение «насыщения». Выходной транзистор не может насыщаться (т. е. его переход база-коллектор должен оставаться смещенным в обратном направлении), поскольку первый транзистор при насыщении устанавливает полную (100%) параллельную отрицательную обратную связь между коллектором и базой второго транзистора. ^[3] Поскольку напряжение коллектор-эмиттер равно сумме собственного напряжения база-эмиттер и напряжения коллектор-эмиттер первого транзистора, которые при нормальной работе являются положительными величинами, оно всегда превышает напряжение база-эмиттер. (В символах $\mathrm {V_{CE2}=V_{CE1}+V_{BE2}>V_{BE2}} \Rightarrow \mathrm {V_{C2}>V_{B2}}$ всегда.) Таким образом, напряжение «насыщения» транзистора Дарлингтона на один В _BE (около 0,65 В в кремнии) выше, чем напряжение насыщения одного транзистора, которое обычно составляет 0,1–0,2 В в кремнии. При равных токах коллектора этот недостаток приводит к увеличению рассеиваемой мощности транзистора Дарлингтона по сравнению с одним транзистором. Повышенный низкий выходной уровень может вызвать проблемы при работе логических схем TTL.

Другая проблема — снижение скорости переключения или отклика, поскольку первый транзистор не может активно подавлять ток базы второго, что замедляет выключение устройства. Чтобы облегчить эту проблему, второй транзистор часто имеет резистор сопротивлением в несколько сотен Ом, подключенный между его базой и выводами эмиттера. ^[1] Этот резистор обеспечивает низкоомный путь разряда заряда, накопленного на переходе база-эмиттер, что позволяет ускорить выключение транзистора.

Пара Дарлингтона имеет больший фазовый сдвиг на высоких частотах, чем одиночный транзистор, и, следовательно, может легче стать нестабильной при отрицательной обратной связи (т. е. системы, использующие эту конфигурацию, могут иметь низкую производительность из-за дополнительной задержки транзистора).

Упаковка

Пары Дарлингтона доступны в виде интегрированных корпусов или могут быть изготовлены из двух дискретных транзисторов; Q ₁ , левый транзистор на схеме, может быть маломощным, но обычно Q ₂ (справа) должен быть высокомощным. Максимальный ток коллектора I _C (max) пары равен току Q ₂ . Типичным интегрированным силовым устройством является 2N6282, который включает в себя отключающий резистор и имеет коэффициент усиления по току 2400 при I _C =10 А.

Интегрированные устройства могут занимать меньше места, чем два отдельных транзистора, поскольку они могут использовать общий коллектор. Интегрированные пары Дарлингтона поставляются отдельно в транзистороподобных корпусах или в виде массива устройств (обычно восемь) в интегральной схеме .

тройка Дарлингтона

К паре Дарлингтона можно добавить третий транзистор, чтобы обеспечить еще больший коэффициент усиления по току, образуя тройку Дарлингтона. Эмиттер второго транзистора в паре соединен с базой третьего, так же как эмиттер первого транзистора соединен с базой второго, а коллекторы всех трех транзисторов соединены между собой. Это дает коэффициент усиления по току, примерно равный произведению коэффициентов усиления трех транзисторов. Однако увеличенный коэффициент усиления по току часто не оправдывает проблемы с чувствительностью и током насыщения, поэтому эта схема используется редко.

Приложения

Пары Дарлингтона часто используются в двухтактных выходных каскадах усилителей мощности , которые управляют большинством звуковых систем. В полностью симметричной двухтактной схеме две пары Дарлингтона подключены как эмиттерные повторители, управляющие выходным сигналом от положительного и отрицательного источника питания: пара NPN Дарлингтона, подключенная к положительной шине, обеспечивающая ток для положительных отклонений выходного сигнала, и пара Дарлингтона PNP, подключенная к к отрицательной шине, обеспечивающей ток для отрицательных отклонений.

До того, как появились силовые транзисторы PNP хорошего качества, использовалась квазисимметричная двухтактная схема, в которой только два транзистора, подключенные к положительной шине питания, представляли собой пару NPN Дарлингтона, а пара от отрицательной шины представляла собой еще два NPN-транзистора. подключены как усилители с общим эмиттером.

Пара Дарлингтона может быть достаточно чувствительной, чтобы реагировать на ток, проходящий при контакте с кожей, даже при напряжениях в безопасной зоне. Таким образом, он может сформировать новый входной каскад сенсорного переключателя.

Транзисторы Дарлингтона можно использовать в сильноточных цепях, таких как стабилизатор напряжения LM1084. ^[4] Другие сильноточные приложения могут включать в себя компьютерное управление двигателями или реле, где ток усиливается от безопасного низкого уровня выходной линии компьютера до величины, необходимой подключенному устройству.

См. также

Биполярный транзистор с изолированным затвором
УЛН2003А
Пара Шиклаи , иногда называемая «дополнительной Дарлингтоном», аналогичной конфигурации, но с транзисторами противоположного типа (один NPN и один PNP).
Интегрированная логика впрыска (I2L)

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Горовиц, Пол; Уинфилд Хилл (1989). Искусство электроники . Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-37095-7 .
^ Бойлестад, Роберт Л.; Нашельский, Луи (2013). Электронные устройства и теория цепей (11-е изд.). Pearson Education, Inc., стр. 305–314. ISBN 978-0-13-262226-4 .
^ Точно так же эмиттерный повторитель никогда не насыщается из-за отрицательной обратной связи 100% серии. Другим примером является «активный диод», выполненный из транзистора с соединенными базой и коллектором (например, токозадающая часть токового зеркала ).
^ «Техническое описание LM1084» (PDF) . Техасские инструменты . Проверено 22 ноября 2020 г.

Внешние ссылки

СМИ, связанные с транзисторами Дарлингтона, на Викискладе?
Патент США 2663806 «Полупроводниковое устройство преобразования сигналов» (транзистор Дарлингтона).
Схема управления скоростью двигателя пары Дарлингтона
ECE 327: Процедуры лаборатории выходной фильтрации - Раздел 4 («Усилитель мощности») подробно обсуждает пары Дарлингтона при разработке формирователя тока класса AB на основе биполярного транзистора.

[TAoE-1] Jump up to: ^а ^б Горовиц, Пол; Уинфилд Хилл (1989). Искусство электроники . Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-37095-7 .

[Boylestad-2] Бойлестад, Роберт Л.; Нашельский, Луи (2013). Электронные устройства и теория цепей (11-е изд.). Pearson Education, Inc., стр. 305–314. ISBN 978-0-13-262226-4 .

[3] Точно так же эмиттерный повторитель никогда не насыщается из-за отрицательной обратной связи 100% серии. Другим примером является «активный диод», выполненный из транзистора с соединенными базой и коллектором (например, токозадающая часть токового зеркала ).

[LM1084_DataSheet-4] «Техническое описание LM1084» (PDF) . Техасские инструменты . Проверено 22 ноября 2020 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

v т и Транзисторные усилители
	Bipolar junction transistor:	Common emitter Common collector Common base
	Field-effect transistor:	Common source Common drain Common gate
	Multiple transistors:	Darlington transistor Complementary feedback pair Cascode Long-tailed pair