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 .
(1906-1997)
Инженер-электрик и изобретатель
продвинул теорию сети
Используется там где требуется усиление тока или мощная коммутация. Может 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
Недорогая 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.
