Складовий транзистор. Транзисторне складання Дарлінгтона

Складовий транзистор Дарлінгтона компонується з пари стандартних транзисторів, об'єднаних кристалом і загальним захисним покриттям. Зазвичай на кресленнях для позначення положення подібного транзистора не застосовують жодних спеціальних символів, тільки той, яким відзначають транзистори стандартного типу.

До емітерного ланцюга одного з елементів приєднано резистор навантаження. Висновки транзистора Дарлінгтона аналогічні біполярному напівпровідниковому тріоду:

• база;
• емітер;
• колектор.

Крім загальноприйнятого варіанта складеного транзистора існує кілька його різновидів.

Пара Шиклаї та каскодна схема

Інша назва складового напівпровідникового тріода – пара Дарлінгтон. Крім неї існує пара Шиклаї. Це подібна комбінація діади основних елементів, яка відрізняється тим, що включає різнотипні транзистори.

Щодо каскодної схеми, то це також варіант складеного транзистора, в якому один напівпровідниковий тріод включається за схемою з ОЕ, а інший за схемою з ПРО. Такий пристрій аналогічно простому транзистору, який включений у схему з ОЕ, але має більш хороші показники за частотою, високим вхідним опором і великим лінійним діапазоном з меншими спотвореннями сигналу, що транслюється.

Переваги та недоліки складених транзисторів

Потужність та складність транзистора Дарлінгтона може регулюватися через збільшення кількості включених до нього біполярних транзисторів. Існує також , який включає біполярний і , використовується у сфері високовольтної електроніки.

Головною перевагою складових транзисторів вважається їхня здатність давати великий коефіцієнт посилення по струму. Справа в тому, що, якщо коефіцієнт посилення у кожного з двох транзисторів буде по 60, то при їх спільній роботі в складовому транзисторі загальний коефіцієнт посилення дорівнюватиме добутку коефіцієнтів транзисторів, що входять до його складу (у даному випадку — 3600). Як результат — для відкриття транзистора Дарлінгтона буде потрібно невеликий струм бази.

Недоліком складеного транзистора вважається їхня низька швидкість роботи, що робить їх придатними для використання тільки в схемах працюючих на низьких частотах. Найчастіше складові транзистори фігурують як компонент вихідних каскадів потужних низькочастотних підсилювачів.

Особливості роботи пристрою

У складових транзисторів поступове зменшення напруги вздовж провідника на переході база-емітер удвічі перевищує стандартне. Рівень зменшення напруги на відкритому транзисторі приблизно дорівнює тому падінню напруги, що має діод.

За цим показником складовий транзистор схожий з понижувальним трансформатором. Але щодо характеристик трансформатора транзистор Дарлінгтона має набагато більше посилення за потужністю. Подібні транзистори можуть обслуговувати роботу перемикачів частотою до 25 Гц.

Система промислового випуску складових транзисторів налагоджена таким чином, що модуль повністю укомплектований та оснащений емітерним резистором.

Як перевірити транзистор Дарлінгтона

Найпростіший спосіб перевірки складеного транзистора полягає в наступному:

• Емітер приєднується до «мінусу» джерела живлення;
• Колектор приєднується до одного з висновків лампочки, другий її висновок перенаправляється на "плюс" джерела живлення;
• З допомогою резистора до бази передається плюсова напруга, лампочка світиться;
• З допомогою резистора до бази передається мінусова напруга, лампочка не світиться.

Якщо все вийшло так, як описано, транзистор справний.

Пишіть коментарі, доповнення до статті, може, я щось пропустив. Загляньте на , буду радий якщо ви знайдете на моєму ще щось корисне.

При проектуванні схем радіоелектронних пристроїв часто бажано мати транзистори з параметрами краще за ті моделі, які пропонують фірми виробники радіоелектронних компонентів (або краще, ніж дозволяє реалізувати доступна технологія виготовлення транзисторів). Ця ситуація найчастіше зустрічається під час проектування інтегральних мікросхем. Нам зазвичай потрібні більший коефіцієнт посилення струму h 21 , більше значення вхідного опору h 11 або менше значення вихідної провідності h 22 .

Поліпшити параметри транзисторів дозволяють різні схеми складених транзисторів. Існує багато можливостей реалізувати складовий транзистор з польових або біполярних транзисторів різної провідності, покращуючи його параметри. Найбільшого поширення набула схема Дарлінгтона. У найпростішому випадку це поєднання двох транзисторів однакової полярності. Приклад схеми Дарлінгтона на npn транзисторах наведено малюнку 1.

Малюнок 1 Схема Дарлінгтона на npn транзисторах

Наведена схема еквівалентна одиночному npn транзистору. У цій схемі струм емітера транзистора VT1 є струмом бази транзистора VT2. Струм колектора складеного транзистора визначається в основному струмом транзистора VT2. Основною перевагою схеми Дарлінгтона є високе значення коефіцієнта посилення струму h 21 , яке можна визначити як твір h 21 транзисторів, що входять у схему:

(1)

Однак слід мати на увазі, що коефіцієнт h 21 досить сильно залежить від струму колектора. Тому за малих значень струму колектора транзистора VT1 його значення може значно зменшитися. Приклад залежності h 21 від струму колектора для різних транзисторів наведено малюнку 2

Рисунок 2 Залежність коефіцієнта посилення транзисторів від струму колектора

Як видно з цих графіків, коефіцієнт h 21е практично не змінюється лише у двох транзисторів: вітчизняний КТ361В та іноземний BC846A. В інших транзисторів коефіцієнт посилення струму значно залежить від струму колектора.

У разі коли базовий струм транзистора VT2 виходить досить малий, струм колектора транзистора VT1 може виявитися недостатнім для забезпечення необхідного значення коефіцієнта посилення струму h 21 . У цьому випадку збільшення коефіцієнта h 21 і, відповідно, зменшення струму бази складеного транзистора можна досягти збільшенням струму колектора транзистора VT1. Для цього між базою та емітером транзистора VT2 включають додатковий резистор, як показано на малюнку 3.

Рисунок 3 Складовий транзистор Дарлінгтона з додатковим резистором у ланцюзі емітера першого транзистора

Наприклад, визначимо елементи для схеми Дарлінгтона, зібраної на транзисторах BC846A Нехай струм транзистора VT2 дорівнюватиме 1 мА. Тоді його струм бази дорівнюватиме:

(2)

При такому струмі коефіцієнт посилення струму h 21 різко падає і загальний коефіцієнт посилення струму може виявитися значно менше розрахункового. Збільшивши струм колектора транзистора VT1 за допомогою резистора, можна значно виграти у значенні загального коефіцієнта посилення. h 21 . Оскільки напруга з урахуванням транзистора є константою (для кремнієвого транзистора uбе = 0,7 В), то розрахуємо за законом Ома:

(3)

У цьому випадку ми маємо право очікувати коефіцієнт посилення по струму до 40000. Саме таким чином виконані багато вітчизняних та іноземних супербетта транзистори, такі як КТ972, КТ973 або КТ825, TIP41C, TIP42C. Схема Дарлінгтон широко використовується у вихідних каскадах підсилювачів низької частоти (), операційних підсилювачів і навіть цифрових , наприклад, .

Слід зазначити, що схема Дарлінгтона має такий недолік, як підвищена напруга Uке. Якщо у звичайних транзисторах Uке становить 0,2 В, то в складовому транзисторі ця напруга зростає до 0,9 В. Це пов'язано з необхідністю відкривати транзистор VT1, а для цього на його базу слід подати напругу 0,7 (якщо ми розглядаємо кремнієві транзистори).

Для того, щоб усунути зазначений недолік, була розроблена схема складеного транзистора на комплементарних транзисторах. У російському Інтернеті вона дістала назву схеми Шіклаї. Ця назва прийшла з книги Тітце та Шенка, хоча ця схема раніше мала іншу назву. Наприклад, у радянській літературі вона називалася парадоксною парою. У книзі В.Е.Хелейн і В.Х.Холмс складовий транзистор на комплементарних транзисторах називається схемою Уайта, тому її називатимемо просто складеним транзистором. Схема складеного pnp транзистора на комплементарних транзисторах наведено малюнку 4.

Рисунок 4 Складовий pnp транзистор на комплементарних транзисторах

Так само утворюється npn транзистор. Схема складеного npn транзистора на комплементарних транзисторах наведено малюнку 5.

Рисунок 5 Складовий npn транзистор на комплементарних транзисторах

У списку літератури першому місці наведена книга 1974 року видання, але є КНИГИ та інші видання. Є основи, які не старіють тривалий час і безліч авторів, які просто повторюють ці основи. Розповісти зрозуміло треба вміти! За весь час професійної діяльності я зустрів менш ніж десять КНИГ. Я завжди рекомендую вивчати аналогову схемотехніку цієї книги.

Дата останнього оновлення файлу 18.06.2018

Література:

Разом із статтею "Складовий транзистор (схема Дарлінгтона)" читають:

http://сайт/Sxemoteh/ShVklTrz/kaskod/

http://сайт/Sxemoteh/ShVklTrz/OE/

Якщо з'єднати транзистори, як показано на рис. 2.60, то отримана схема буде працювати як один транзистор, причому його коефіцієнт (3 дорівнюватиме добутку коефіцієнтів складових транзисторів. Цей прийом корисний для схем, що працюють з великими струмами (наприклад, для стабілізаторів напруги або вихідних каскадів підсилювачів потужності) або для вхідних каскадів підсилювачів якщо необхідно забезпечити великий вхідний імпеданс.

Мал. 2.60. Складовий транзистор Дарлінгтон.

Мал. 2.61. Підвищення швидкості вимикання у складовому транзисторі Дарлінгтона.

У транзисторі Дарлінгтона падіння напруги між базою і емітером вдвічі більше звичайного, а напруга насичення дорівнює принаймні падіння напруги на діоді (оскільки потенціал емітера транзистора повинен перевищувати потенціал емітера транзистора на величину падіння напруги на діоді). Крім того, з'єднані таким чином транзистори поводяться як один транзистор з досить малою швидкодією, так як транзистор не може швидко вимкнути транзистор . З урахуванням цієї властивості зазвичай між базою та емітером транзистора включають резистор (рис. 2.61). Резистор R запобігає зсуву транзистора в область провідності за рахунок струмів витоку транзисторів і . Опір 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, малий порівняно з базовим струмом транзистора. Зазвичай опір R становить кілька сотень в потужному транзисторі Дарлінгтона і кілька тисяч в малосигнальному транзисторі Дарлінгтона.

Промисловість випускає транзистори Дарлінгтона як закінчених модулів, які включають, зазвичай, і емітерний резистор. Прикладом такої стандартної схеми служить потужний п-р-п-транзистор Дарлінгтона типу його коефіцієнт посилення по струму дорівнює 4000 (типове значення) для колекторного струму, рівного 10 А.

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

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. Іноді таку сполуку називають комплементарним транзистором Дарлінгтона (рис. 2.62). Схема поводиться як транзистор п-р-п-типу, що має великий коефіцієнт. 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 рекомендується включати резистор з 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 Транзистор Дарлінгтона, утворений транзисторами , поводиться як один транзистор п-р-п-типу з великим коефіцієнтом посилення по струму. Транзистори, з'єднані за схемою Шиклаї, поводяться як потужний транзистор р-п-р-тііа з великим коефіцієнтом посилення.

Мал. 2.63. Потужний двотактний каскад, в якому використані вихідні транзистори тільки .

Як і раніше, резистори і мають невеликий опір. Цю схему іноді називають двотактним повторювачем із квазідодатковою симетрією. У цьому каскаді з додатковою симетрією (комплементарним) транзистори були з'єднані за схемою Дарлінгтона.

Транзистор з надвеликим значенням коефіцієнта посилення струму.

Складові транзистори - транзистор Дарлінгтона і подібні йому не слід плутати з транзисторами з надвеликим значенням коефіцієнта посилення струму, у яких дуже велике значення коефіцієнта отримують під час технологічного процесу виготовлення елемента. Прикладом такого елемента служить транзистор типу , для якого гарантується мінімальний коефіцієнт посилення по струму, рівний 450, при зміні колекторного струму в діапазоні від цього транзистор належить до серії елементів , яка характеризується діапазоном максимальних напруг від 30 до 60 В (якщо колекторна напруга більше, слід піти зменшення значення ). Промисловість випускає узгоджені пари транзисторів із надвеликим значенням коефіцієнта. 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 служать схеми типу вони є транзисторні пари з великим коефіцієнтом посилення, в яких напруга узгоджена до часток мілівольта (у найкращих схемах забезпечується узгодження до , а коефіцієнт Схема типу являє собою узгоджену пару .

Транзистори з надвеликим значенням коефіцієнта можна поєднувати за схемою Дарлінгтона. При цьому базовий струм усунення можна зробити рівним лише (прикладами таких схем служать операційні підсилювачі типу ).

Якщо відкрити будь-яку книгу з електронної техніки, відразу видно, як багато елементів названо за іменами їх творців: діод Шоттки, діод Зенера (він же стабілітрон), діод Ганна, транзистор Дарлінгтона.

Інженер-електрик Сідні Дарлінгтон (Sidney Darlington) експериментував із колекторними двигунами постійного струму та схемами управління для них. У схемах використовувалися підсилювачі струму.

Інженер Дарлінгтон винайшов і запатентував транзистор, що складається з двох біполярних і виконаний на одному кристалі кремнію з дифундованими n(негатив) та p(позитив) переходами. Новий напівпровідниковий пристрій був названий його ім'ям.

У вітчизняній технічній літературі транзистор Дарлінгтон називають складовим. Отже, познайомимося з ним ближче!

Влаштування складеного транзистора.

Як уже говорилося, це два або більше транзисторів, виготовлених на одному напівпровідниковому кристалі та запаковані в один загальний корпус. Там же знаходиться навантажувальний резистор у ланцюзі емітера першого транзистора.

У транзистора Дарлінгтона самі висновки, як і в усьому знайомого біполярного: база (Base), емітер (Emitter) і колектор (Collector).

Схема Дарлінгтона

Як бачимо, такий транзистор є комбінацією декількох. Залежно від потужності у його складі може бути й більше двох біполярних транзисторів. Варто зазначити, що у високовольтній електроніці також застосовується транзистор, що складається з біполярного та польового. Це IGBT транзистор. Його також можна зарахувати до складових, гібридних напівпровідникових приладів.

Основні особливості транзистора Дарлінгтон.

Основна перевага складеного транзистора це великий коефіцієнт посилення струму.

Слід згадати один із основних параметрів біполярного транзистора. Це коефіцієнт посилення ( h 21). Він ще позначається буквою β («Бета») грецького алфавіту. Він завжди більше або дорівнює 1. Якщо коефіцієнт посилення першого транзистора дорівнює 120, а другого 60 то коефіцієнт посилення складового вже дорівнює добутку цих величин, тобто 7200, а це дуже непогано. В результаті досить невеликого струму бази, щоб транзистор відкрився.

Інженер Шіклаї (Sziklai) дещо видозмінив з'єднання Дарлінгтона та отримав транзистор, який назвали комплементарний транзистор Дарлінгтона. Згадаємо, що комплементарною парою називають два елементи з абсолютно однаковими електричними параметрами, але різної провідності. Такою парою свого часу були КТ315 та КТ361. На відміну від транзистора Дарлінгтона, складовий транзистор за схемою Шиклаї зібраний з біполярних різної провідності: p-n-pі n-p-n. Ось приклад складеного транзистора за схемою Шиклаї, який працює як транзистор з n-p-n провідністю, хоч і складається з двох різних структур.

схема Шиклаї

До недоліків складених транзисторів слід віднести невисока швидкодіятому вони знайшли широке застосування тільки в низькочастотних схемах. Такі транзистори чудово зарекомендували себе у вихідних каскадах потужних підсилювачів низької частоти, у схемах керування електродвигунами, у комутаторах електронних схем запалювання автомобілів.

Основні електричні параметри:

Напруга колектор – емітер 500 V;

Напруга емітер - основа 5 V;

Струм колектора – 15 А;

Струм колектора максимальний – 30 А;

Потужність розсіювання при 250С – 135W;

Температура кристала (переходу) – 175°С.

На принципових схемах немає спеціального значка-символу для позначення складових транзисторів. У переважній більшості випадків він позначається на схемі як транзистор. Хоча бувають і винятки. Ось одна з його можливих позначень на принциповій схемі.

Нагадаю, що складання Дарлінгтона може мати як p-n-p структуру, так n-p-n. У зв'язку з цим виробники електронних компонентів випускають комплементарні пари. До таких можна віднести серії TIP120-127 та MJ11028-33. Так, наприклад, транзистори TIP120, TIP121, TIP122 мають структуру n-p-n, а TIP125, TIP126, TIP127 - p-n-p.

Також на принципових схемах можна зустріти і таке позначення.

Приклади застосування складеного транзистора.

Розглянемо схему керування колекторним двигуном за допомогою транзистора Дарлінгтона.

При подачі на базу першого транзистора струму порядку 1мА через колектор потече струм вже в 1000 разів більше, тобто 1000мА. Виходить, що нескладна схема має пристойний коефіцієнт посилення. Замість двигуна можна підключити електричну лампочку або реле, за допомогою якого можна комутувати потужні навантаження.

Якщо замість складання Дарлінгтона використовувати складання Шиклаї, то навантаження підключається в ланцюг емітера другого транзистора і з'єднується не з плюсом, а з мінусом живлення.

Якщо поєднати транзистор Дарлінгтона та складання Шиклаї, то вийде двотактний підсилювач струму. Двотактним він називається тому, що в конкретний момент часу відкритим може бути лише один із двох транзисторів, верхній чи нижній. Дана схема інвертує вхідний сигнал, тобто вихідна напруга буде вхідному назад.

Це не завжди зручно і тому на вході підсилювача двотактного струму додають ще один інвертор. У цьому випадку вихідний сигнал точно повторює сигнал на вході.

Застосування збирання Дарлінгтона в мікросхемах.

Широко використовують інтегральні мікросхеми, що містять кілька складових транзисторів. Однією з найпоширеніших є інтегральне складання L293D. Її часто застосовують у своїх саморобках любителі робототехніки. Мікросхема L293D - це чотири підсилювачі струму в загальному корпусі. Оскільки у розглянутому вище двотактному підсилювачі завжди відкритий лише один транзистор, вихід підсилювача по черзі підключається або до плюсу або до мінусу джерела живлення. Це залежить від величини вхідної напруги. По суті, ми маємо електронний ключ. Тобто мікросхему L293 можна визначити як чотири електронні ключі.

Ось "шматочок" схеми вихідного каскаду мікросхеми L293D, взятого з її даташита (довідкового листа).

Як бачимо, вихідний каскад складається із комбінації схем Дарлінгтона та Шиклаї. Верхня частина схеми - це складовий транзистор за схемою Шиклаї, а нижня частина виконана за схемою Дарлінгтон.

Багато хто пам'ятає ті часи, коли замість DVD-плеєрів були відеомагнітофони. І з допомогою мікросхеми L293 здійснювалося управління двома електродвигунами відеомагнітофона, причому у повнофункціональному режимі. У кожного двигуна можна було керувати не лише напрямом обертання, але подаючи сигнали з ШІМ-контролера можна було у великих межах керувати швидкістю обертання.

Дуже широке застосування отримали спеціалізовані мікросхеми з урахуванням схеми Дарлінгтона. Прикладом може бути мікросхема ULN2003A (аналог К1109КТ22). Ця інтегральна схема є матрицею із семи транзисторів Дарлінгтона. Такі універсальні складання можна легко застосовувати в радіоаматорських схемах, наприклад, радіокерованому реле. Про це я.

Дарлінгтона), часто є складовим елементів радіоаматорських конструкцій. Як відомо, при такому включенні коефіцієнт посилення струму, як правило, збільшується в десятки разів. Однак домогтися значного запасу працездатності з напруги, що впливає на каскад, не завжди вдається. Підсилювачі, що складаються з двох біполярних транзисторів (Рис. 1.23), часто виходять з ладу при впливі імпульсної напруги, навіть якщо вона не перевищує значення електричних параметрів, зазначених у довідковій літературі.

З цим неприємним ефектом можна боротися різними способами. Одним з них – найпростішим – є наявність у парі транзистора з великим (у кілька разів) запасом ресурсу за напругою колектор-емітер. Відносно висока вартість таких високовольтних транзисторів призводить до збільшення собівартості конструкції. Можна, звичайно, придбати спеціальні складові кремнієві в одному корпусі, наприклад: КТ712, КТ829, КТ834, КТ848, КТ852, КТ853, КТ894, КТ897, КТ898, КТ973 та ін. Цей список включає потужні і середньої потужності при радіотехнічних пристроїв. А можна скористатися класичною – з двома паралельно включеними польовими транзисторами типу КП501В – або використовувати прилади КП501А…В, КП540 та інші з аналогічними електричними характеристиками (Рис. 1.24). При цьому виведення затвора підключають замість бази VT1, а висновок витоку замість емітера VT2, виведення стоку замість об'єднаних колекторів VT1, VT2.

Мал. 1.24. Заміна польовими транзисторами складеного транзистора по

Після такого нескладного доопрацювання, тобто. заміни вузлів в електричних схемах, універсального застосування, струму на транзисторах VT1, VT2 не виходить з ладу навіть за 10-кратного і більше перевантаження по напрузі. Причому обмежувального резистора ланцюга затвора VT1 також збільшується в кілька разів. Це призводить до того, що мають вищу вхідну і, як наслідок, витримують навантаження при імпульсному характері управління цим електронним вузлом.

Коефіцієнт посилення струму отриманого каскаду щонайменше 50. Збільшується прямо пропорційно збільшення напруги живлення вузла.

VT1, VT2. За відсутності дискретних транзисторів типу КП501А ... можна без втрати якості роботи пристрою використовувати мікросхему 1014КТ1В. На відміну, наприклад, від 1014КТ1А і 1014КТ1Б ця витримує вищі перевантаження за прикладеним напругою імпульсного характеру - до 200 В постійної напруги. Цоколівка включення транзисторів мікросхеми 1014КТ1А ... 1014К1В показано на Мал. 1.25.

Так само, як і в попередньому варіанті (Рис. 1.24), включають паралельно.

Цоколівка польових транзисторів у мікросхемі 1014КТ1А…В

Автор випробував десятки електронних вузлів, включених за . Такі вузли використовуються в радіоаматорських конструкціях як струмові ключі аналогічно складовим транзисторам, включеним по . До перелічених вище особливостей польових транзисторів можна додати їх енергоекономічність, тому що в закритому стані через високий вхідний вони практично не споживають струму. Що стосується вартості таких транзисторів, то сьогодні вона практично така ж, як і вартість середньопотужних транзисторів типу (і аналогічним їм), які прийнято використовувати як підсилювач струму для управління пристроями навантаження.