Что такое транзистор дарлингтона?

Каскодная схема

Каскодный усилитель на биполярных n-p-n транзисторах.

Основная статья: Каскодный усилитель

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, высокое выходное сопротивление и больший линейный диапазон, то есть меньше искажает передаваемый сигнал. Так как потенциал коллектора входного транзистора практически не изменяется, это существенно подавляет нежелательное влияние эффекта Миллера и расширяет рабочий диапазон по частоте.

Принцип работы

В активном усилительном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт).

В транзисторе типа n-p-n основные носители заряда в эмиттере (электроны) проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками). Однако, из-за того, что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, бо́льшая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора, так как время рекомбинации относительно велико. Сильное электрическое поле обратносмещённого коллекторного перехода захватывает неосновные носители из базы (электроны) и переносит их в коллекторный слой. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (I_э=I_б + I_к).

Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (I_к = α I_э), называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α = 0,9—0,999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α/(1 − α), от 10 до 1000. Таким образом, малый ток базы управляет значительно бо́льшим током коллектора.

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 составных пар Дарлингтона и Шиклаи:

• Высокий коэффициент усиления по току.
• Схема Дарлингтона изготавливается в составе интегральных схем и при одинаковом токе площадь занимаемая парой на поверхности кристалла кремния меньше, чем у одиночного биполярного транзистора.
• Применяются при относительно высоких напряжениях.

Недостатки составного транзистора:

• Низкое быстродействие, особенно в ключевом режиме при переходе из открытого состояния в закрытое. Поэтому составные транзисторы используются преимущественно в низкочастотных ключевых и усилительных схемах, работающих в линейном режиме. На высоких частотах их частотные параметры хуже, чем у одиночного транзистора.
• Прямое падение напряжения U_бэ составного транзистора в схеме Дарлингтона почти в два раза больше, чем у одиночного транзистора, и составляет для кремниевых транзисторов около 1,2 — 1,4 В, так как равна сумме падений напряжения на прямосмещённых p-n переходах двух транзисторов.
• Большое напряжение 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, так как не может быть меньше чем падение напряжения на прямосмещённом p-n переходе плюс падение напряжения на насыщенном входном транзисторе.[уточнить]

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 (начальный ток коллектора) 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, так как неосновные носители, накопленные в базе VT2 при его запирании из режима насыщения не только рассасываются, но и стекают через этот резистор. Обычно сопротивление R1 выбирают величиной сотни ом в мощном транзисторе Дарлингтона и несколько килоом в маломощном транзисторе Дарлингтона. Примером схемы Дарлингтона, выполненной в одном корпусе со встроенным эмиттерным резистором, служит мощный n-p-n-транзистор Дарлингтона типа КТ827, его типовой коэффициент усиления по току около 1000 при коллекторном токе 10 А.

Транзисторные ИС Дарлингтона

В большинстве электронных приложений управляющей цепи достаточно для непосредственного переключения выходного напряжения или постоянного тока «вкл.» или «выкл.», поскольку для некоторых выходных устройств, таких как светодиоды или дисплеи, требуется лишь несколько миллиампер для работы при низких напряжениях постоянного тока. Как следствие, они могут управляться непосредственно выходом стандартного логического элемента.

Однако, как мы видели выше, иногда для работы устройства вывода, такого как двигатель постоянного тока, требуется больше энергии, чем может быть обеспечено обычным логическим вентилем или микроконтроллером. Если цифровое логическое устройство не может подавать достаточный ток, то для управления устройством потребуются дополнительные схемы.

Одним из таких широко используемых транзисторных чипов Дарлингтона является массив ULN2003. Семейство массивов Дарлингтона состоит из ULN2002A, ULN2003A и ULN2004A, которые представляют собой высоковольтные и сильноточные массивы Дарлингтона, каждый из которых содержит семь пар Дарлингтона с открытым коллектором в одном пакете ИС.

Каждый канал массива рассчитан на 500 мА и может выдерживать пиковые токи до 600 мА, что делает его идеальным для управления небольшими двигателями, лампами или затворами и базами мощных полупроводников. Дополнительные диоды подавления включены для индуктивного управления нагрузкой, а входы прикреплены напротив выходов, чтобы упростить соединения и расположение платы.

Резюме транзистора Дарлингтона

Дарлингтона транзистор — это полупроводниковое устройство наивысшей мощности, показывающий силу тока и напряжение во много раз выше, чем обычные небольшие плоскостные транзисторы сигнала.

Значения коэффициента усиления постоянного тока для стандартных транзисторов NPN или PNP большой мощности относительно низкие, вплоть до 20 или даже меньше по сравнению с транзисторами с малым сигналом переключения. Это означает, что для переключения данной нагрузки требуются большие базовые токи.

В схеме Дарлингтона используются два объединенных транзистора , один из которых является основным токонесущим транзистором, а другой, являющийся гораздо меньшим «переключающим» транзистором, обеспечивает базовый ток для управления главным транзистором. В результате меньший базовый ток может использоваться для переключения гораздо большего тока нагрузки, поскольку коэффициенты усиления постоянного тока двух транзисторов умножаются. Тогда комбинация из двух транзисторов может рассматриваться как один единственный транзистор с очень высоким значением β и, следовательно, с высоким входным сопротивлением.

Наряду со стандартными парами транзисторов PNP и NPN Дарлингтона имеются также дополнительные транзисторы Шиклаи — Дарлингтона, которые состоят из отдельных согласующих транзисторов NPN и PNP, соединенных вместе в одной и той же паре Дарлингтона для повышения эффективности.

Также доступны массивы Дарлингтона, например ULN2003A, которые позволяют безопасно управлять мощными или индуктивными нагрузками, такими как лампы, соленоиды и двигатели. Управление осуществляется с помощью микропроцессорных и микроконтроллерных устройств в роботизированных и мехатронных приложениях.

Практика работы составного транзистора

На рис. 3 показаны три варианта построения выходного каскада (эмиттерный повторитель). При подборе транзисторов надо стремится к b1~b2 и b3~b4 . Различие можно компенсировать за счёт подбора пар по равенству коэффициентов усиления СТ b13~b24 (см. табл. 1).

• Схема на рис. 3а имеет наибольшее входное сопротивление, но это худшая из приведённых схем: требует изоляцию фланцев мощных транзисторов (или раздельные радиаторы) и обеспечивает наименьший размах напряжения, поскольку между базами СТ должно падать ~2 В, в противном случае сильно проявятся искажения типа «ступенька».
• Схема на рис. 3б досталась в наследство с тех времён, когда ещё не выпускались комплементарные пары мощных транзисторов. Единственный плюс по сравнению с предыдущим вариантом – меньшее падение напряжения ~1,8 В и больше размах без искажений.
• Схема на рис. 3в наглядно демонстрирует преимущества СТШ: между базами СТ падает минимум напряжения, а мощные транзисторы можно посадить на общий радиатор без изоляционных прокладок.

На рис. 4 показаны два параметрических стабилизатора. Выходное напряжение для варианта с СТД равно:

Поскольку Uбэ гуляет в зависимости от температуры и коллекторного тока, то у схемы с СТД разброс выходного напряжения будет больше, а потому вариант с СТШ предпочтительней.

Рис. 3. Варианты выходных эмиттерных повторителей на СТ

Рис. 4. Применение СТ в качестве регулятора в линейном стабилизаторе

   Обсудить статью ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СОСТАВНОГО ТРАНЗИСТОРА

Типовые схемы составных транзисторов

На рисунке изображены две основные схемы составных транзисторов. Обе схемы можно считать эквивалентными npn транзистору с большим коэффициентом передачи тока. Первая схема называется ‘Составной транзистор Дарлингтона‘, вторая — ‘Составной транзистор Шиклаи‘

Резистор между базой и эмиттером второго транзистора используется в качестве источника тока. Действительно, падение напряжения между базой и эмиттером транзистора мало зависит от тока и является практически неизменным. [Ток через резистор] = [Напряжение на резисторе] / [Сопротивление резистора]. Таким образом, через этот резистор течет ток практически постоянной силы.

Сопротивление данного резистора рассчитывается исходя из выбора рабочей точки транзисторов, входящих в составной. Рабочая точка выбирается исходя из соображений линейности, рассеиваемой мощности и ряда других. Обсуждение этих соображений находится за рамками этой статьи.

Выберем рабочую точку транзисторов, определимся с желаемыми силами токов коллекторов транзисторов. Тогда [Сопротивление резистора] = [Напряжение насыщения база — эмиттер второго транзистора при токе базы Iб] / ([Iб] — [Ток коллектора второго транзистора в выбранной рабочей точке] / [Коэффициент передачи тока второго транзистора]).

Для первой схемы [Iб] = [Ток коллектора первого транзистора в выбранной рабочей точке] * (1 + 1/[Коэффициент передачи тока первого транзистора])

Для второй схемы [Iб] = [Ток коллектора первого транзистора в выбранной рабочей точке]

Мощные биполярные транзисторы Дарлингтона

Мощные транзисторы Дарлингтона (МТД), обладая высокими коэффициентами усиления по току h21Э и не требующие энергоемких управляющих цепей, довольно прочно занимают свое место на рынке полупроводниковых приборов

Прежде всего- это системы автоматики, усилители мощности, управление электроприводом двигателей, низковольтный сервопривод и регуляторы напряжения генераторов автомобилей, электронные схемы коммутаторов систем зажигания автомобилей и другие низкочастотные устройства для которых прежде всего важно сочетание стоимости и качества

Серия транзисторов КТД8252 со встроенным диодом и стабилитроном- аналог BU941Z, BU941ZT— разработана и выпускается для систем электронного зажигания автомобилей. Внедрение усовершенствованного конструктивно-технологического варианта и ужесточение системы функционального контроля позволили улучшить статические и динамические характеристики транзисторов.

Для маломощных транзисторных систем электронного зажигания мотоблоков разработаны и выпускаются транзисторы Дарлингтона с I_к=7А, U_{кэо_гр}>350В:

• КТД8262 со встроенным диодом и стабилитроном, резисторами R1, R2;
   
• КТД8279 — аналог SEC80 со встроенным диодом, резисторами R1, R2.
   

Серия транзисторов Дарлингтона КТД8278 дополняет ряд отечественных транзисторов Дарлингтона, предназначенных для коммутации тока в обмотке возбуждения генераторов переменного тока— КТ829АТ, КТ8116, КТ8246, КТД8253. Отличительными особенностями серии транзисторов Дарлингтона КТД8278 (зарубежный аналог SGSD93ST) являются:

• сочетание низкого напряжения насыщения U_{кэо_нас}<1,1В (I_К=5А/I_Б=8мА) с высоким граничным напряжением U_{кэо_гр}=120-180В;
   
• высокий коэффициент усиления h_21Э>1000 на начальной стадии характеристики h_21Э=f(I_К) (h_21Э>1000 при токе коллектора I_К=200мА).
   

Транзисторы имеют внутренний диод в цепи коллектор — эмиттер, резисторы R1, R2 в цепях база — эмиттер. Улучшены статические и динамические характеристики транзистора.

Серия транзисторов Дарлингтона КТД8257 — npn, аналог массово продаваемой комплиментарной пары SGSD100 npn/ SGSD200 pnp низковольтной серии фирмы ST, разработана для применения в линейных и импульсных промышленных устройствах, аудио усилителях, драйверах, мощных регуляторах напряжения автотракторной электроники.

Транзисторы КТД8278, КТД8257, собираемые в корпус ТО-3 заменяют известный транзистор 2Т827.

Серии транзисторов Дарлингтона КТД8280 (npn), КТД8281 (pnp)— комплиментарная пара на токи коллектора I_к 25-50А, U_{кэо_гр} 60, 80, 100В с низкими напряжениями насыщения- разработана для применения в схемах управления двигателями, низковольтных DC/DC и DC/AC преобразователях, источниках бесперебойного питания и источниках лазерной накачки.

Статические характеристики транзисторов этого класса приведены на Рис.1 и 2.

Диоды

Диод КД401 pn разработан и выпускается для регуляторов напряжения генераторов автомобилей. U_обр= 200, 150, 100В; U_пр<1,4В I_пр=10А.

Диод DSB150 np разработан и выпускается для систем солнечных батарей. U_обр=200, 160В; U_пр<0.8В I_пр=1А.

Серия КД662 (аналог: SKSD47C120I, SEMICRON) — быстро восстанавливающиеся диоды с «мягкой» характеристикой восстановления обратного сопротивления изготавливаются по Controll Axial Lifetime технологии. Назначение- защита силовых элементов регулирования в т.ч. ключевыэ биполярных и IGBT транзисторов, работающих на индуктивную нагрузку. Особенности диодов:

• обратное напряжение V_RRM 1200-1700В;
• средний прямой ток I_F(AV) 50A;
• импульсный прямой ток I_FSM 550А;
• прямое падение напряжения U_FM (I_FM=50A) 1,5-3В;
• время обратного восстановления t_rr (I_FM=50A) 100-300нсек;
• положительный температурный коэффициент прямой характеристики.

Последовательное включение транзисторов

Во время работы силового транзистора на его переходе коллектор – эмиттер падает напряжение, представляющее собой разность входного и выходного напряжений. В отдельных случаях эта разность может превышать максимально допустимое напряжений коллектор – эмиттер транзистора, имеющегося в распоряжении. В этом случае необходимо использовать последовательное соединение нескольких транзисторов.

Схема последовательного включения транзисторов

Эквивалентный транзистор будет иметь следующие параметры:

Для симметрирования напряжений, которые будут падать на переходе коллектор – эмиттер транзисторов вводят симметрирующие резисторы R1 и R2 сопротивление, которых можно определить по формуле

где I_B – ток базы составного регулирующего транзистора.

Где применяются транзисторы Дарлингтона

Транзисторы Дарлингтона получили широкое применение в схемах управления двигателями постоянного тока и реле. Их также используют для выключения и включения отдельных элементов схем, например, ламп. Данные радиоэлектронные элементы популярны из-за своей чувствительности даже к небольшому входящему току, что позволяет создавать точные и качественные схемы.

Для управления двигателями, лампами или электромагнитами большой мощности используются массивы Дарлингтона, которые не только безопасно работают с индукционными нагрузками, но и потребляют небольшое количество энергии. Но такое управление не может обеспечиваться только массивом – в схеме также применяются элементы на микропроцессорной базе.

Массив Дарлингтона ULN 2003A