Configurația de tranzistor Darlington a două tranzistoare bipolare oferă o comutare de curent crescută pentru un curent de bază dat.

Tranzistorul Darlington numit după inventatorul său, Sidney Darlington este un aranjament special a două tranzistoare cu joncțiune bipolare (BJT) standard, NPN sau PNP, conectate împreună. Emitorul unui tranzistor este conectat la Baza celuilalt pentru a produce un tranzistor mai sensibil cu un câștig de curent mult mai mare, fiind util în aplicațiile în care este necesară amplificarea sau comutarea de curent.

Perechile de tranzistoare Darlington pot fi fabricate din două tranzistoare bipolare conectate individual sau dintr-un singur dispozitiv realizat comercial într-un singur pachet cu legături de conectare standard: Bază, Emitor și Colector și sunt disponibile într-o gamă largă de stiluri de carcase și tensiuni (și curenți) nominale în ambele versiuni NPN și PNP.

Așa cum am văzut în tutorialul nostru Tranzistor ca Switch, dar și ca un amplificator, tranzistorul bipolar cu joncțiune (BJT) poate fi făcut ca să funcționeze ca un comutator ON-OFF așa cum se arată.

Tranzistor bipolar ca switch (comutator)

Când baza tranzistorului NPN este legată la masă (0 volți) și nu are curent de bază Ib, nu circulă curent de la emitor la colector și tranzistorul este, prin urmare, comutat "OFF". Dacă baza este polarizată direct cu mai mult de 0,7 volți, un curent va circula de la emitor la colector și se va spune că tranzistorul este comutat "ON". Când funcționează în aceste două moduri, tranzistorul funcționează ca un întrerupător.

Problema aici este că Baza tranzistorului trebuie să fie comutată între zero și o valoare mare, pozitivă pentru ca tranzistorul să devină saturat, în acest moment un curent de bază crescut Ib circulă în dispozitiv, rezultând curent colector Ic devenind mare în timp ce VCE este mic. Deci vedem că un mic curent pe bază poate controla un curent mult mai mare care circulă între colector și emitor.

Raportul dintre curentul de colector și curentul de bază (β) este cunoscut ca câștigul de curent al tranzistorului. O valoare tipică a lui β pentru un tranzistor bipolar standard poate fi cuprinsă între 50 și 200 și variază chiar și între tranzistoare cu același număr de componentă. În unele cazuri, când câștigul de curent al unui singur tranzistor este prea mic pentru a comanda direct o sarcină, o modalitate de a crește câștigul este utilizarea unei perechi Darlington.

O configurație de tranzistor Darlington, cunoscută ca o „pereche Darlington“, sau „circuit super-alfa“, constă din două tranzistoare NPN sau PNP conectate împreună, astfel încât curentul de emitor al primului tranzistor TR1 devine curent de bază la al doilea tranzistor TR2. Deci, tranzistorul TR1 este conectat ca un repetor pe emitor și TR2 ca un amplificator cu emitor-comun, așa cum se arată mai jos.

Rețineți că în această configurație de pereche Darlington, curentul de colector al tranzistorului slave sau de comandă TR1 este "în fază" cu cel al tranzistorului master TR2 de comutare.

Configurația tranzistorului Darlington

Folosind perechea NPN Darlington ca exemplu, colectoarele celor două tranzistoare sunt conectate împreună, iar emitorul lui TR1 comandă baza lui TR2. Această configurație realizează o multiplicare β deoarece pentru un curent de Bază IB, curentul de colector este β*IB, unde câștigul de curent este mai mare decât unu (sau unitatea), și acesta este definit de:

Dar curentul de bază IB2 este egal cu curentul de emitor al tranzistorului TR1, IE1 deoarece emitorul lui TR1 este conectat la baza lui TR2. Prin urmare:

I_B2 = I_E1 = I_C1 + I_B = β₁I_B + I_B = (β₁ + 1).I_B

Atunci, înlocuind în prima ecuație:

unde β1 și β2 sunt câștigurile tranzistoarelor individuale.

Aceasta înseamnă că câștigul global de curent β este dat de câștigul primului tranzistor înmulțit cu câștigul celui de al doilea tranzistor, deoarece câștigurile de curent ale celor două tranzistoare se înmulțesc. Cu alte cuvinte, o pereche de tranzistoare bipolare combinate pentru a realiza o singură pereche de tranzistoare Darlington pot fi considerate ca un singur tranzistor cu o valoare foarte mare a lui β și, prin urmare, o rezistență ridicată de intrare.

Tranzistor Darlington. Exemplul nr. 1

Două tranzistoare NPN sunt conectate împreună sub forma unei perechi Darlington, pentru a comuta o lampă cu halogen de 12 V și 75 W. Dacă câștigul de curent direct al primului tranzistor este de 25 și câștigul de curent direct (Beta) al celui de-al doilea tranzistor este de 80, ignorând orice cădere de tensiune pe cele două tranzistoare, calculați curentul de bază maxim necesar pentru a comuta complet lampa.

În primul rând, curentul consumat de lampă va fi egal cu curentul de colector al celui de-al doilea tranzistor, deci:

Folosind ecuația de mai sus, curentul de bază este dat de:

Atunci vedem că un curent de bază foarte mic, de numai 3,0 mA, cum ar fi cel furnizat de o poartă logică digitală sau portul de ieșire al unui microcontroler, poate fi utilizat pentru comutarea "ON" și "OFF" a lămpii de 75 W .

Dacă se utilizează două tranzistoare bipolare identice pentru a realiza un singur dispozitiv Darlington, atunci β1 este egal cu β2 și câștigul global de curent va fi dat de:

În general, valoarea lui β² este mult mai mare decât cea a 2β, caz în care acesta din urmă poate fi ignorat pentru a simplifica matematica un pic. Atunci, ecuația finală pentru două tranzistoare identice configurate ca o pereche Darlington poate fi scrisă ca:

Tranzistoare Darlington identice

Deci, putem vedea că pentru două tranzistoare identice, β² este folosit în loc de β, acționând ca un tranzistor mare cu o cantitate imensă de câștig. Perechi de tranzistor Darlington cu câștiguri de curente de mai mult de o mie cu curenți de colector maxim de mai mulți amperi sunt ușor disponibile. De exemplu: TIP120 NPN și echivalentul lui, TIP125 PNP.

Avantajul utilizării unui astfel de aranjament este acela că tranzistorul de comutare este mult mai sensibil, deoarece doar un mic curent de bază este necesar pentru comutarea unui curent de sarcină mult mai mare, deoarece câștigul tipic al unei configurații Darlington poate fi peste 1.000, în timp ce în mod normal, un singur etaj cu tranzistor produce un câștig de aproximativ 50 la 200.

Atunci vedem că o pereche Darlington cu un câștig de 1000: 1 ar putea comuta un curent de ieșire de 1 amper în circuitul colector-emițător cu un curent de bază de intrare de doar 1 mA. Acest lucru face ca tranzistoarele Darlington să fie ideale pentru interfațarea cu relee, lămpi și motoare cu microcontroler de putere mică, controler de calculator sau logic, după cum se arată.

Aplicații ale tranzistorului Darlington

Baza tranzistorului Darlington este suficient de sensibilă pentru a răspunde la orice mic curent de intrare de la un comutator sau direct de la o poartă logică TTL sau CMOS de 5V. Curentul maxim de colector Ic (max) pentru orice pereche Darlington este același cu cel al tranzistorului principal de comutare TR2 astfel încât poate fi utilizat pentru a acționa relee, motoare DC, solenoizi și lămpi etc.

Unul dintre dezavantajele principale ale unei perechi de tranzistoare Darlington este căderea minimă de tensiune între bază și emițător atunci când este complet saturată. Spre deosebire de un singur tranzistor care are o cădere de tensiune saturată între 0,3V și 0,7V atunci când este complet ON, un dispozitiv Darlington are o cădere dublă a tensiunii bază-emitor (de 1,2 V în loc de 0,6 V) deoarece căderea de tensiune bază-emitor este suma căderilor pe diodele bază-emitor ale celor două tranzistoare individuale care pot fi între 0,6V și 1,5V în funcție de curentul prin tranzistor.

Această cădere mare de tensiune bază-emitor înseamnă că tranzistorul Darlington poate deveni mai fierbinte decât un tranzistor bipolar normal pentru un curent de sarcină dat și, prin urmare, necesită un radiator bun de căldurii. De asemenea, tranzistoarele Darlington au timpi de răspuns ON-OFF mai lenți, deoarece tranzistorul slave TR1 este mai lent pentru a comuta tranzistorul master TR2 fie complet ON, fie complet OFF.

Pentru a depăși răspunsul lent, căderea de tensiune crescută și dezavantajele termice ale unui dispozitiv standard de Transistor Darlington, tranzistoarele complementare NPN și PNP pot fi utilizate în același aranjament în cascadă pentru a produce un alt tip de tranzistor Darlington numit Configurație Sziklai.

Pereche de tranzistori complementari Sziklai

Perechea Darlington Sziklai, numită după inventatorul maghiar George Sziklai, este un dispozitiv complementar sau compus Darlington, care constă din tranzistoare complementare diferite NPN și PNP conectate împreună așa cum se arată mai jos.

Această combinație în cascadă a tranzistorilor NPN și PNP are avantajul că perechea Sziklai îndeplinește aceeași funcție de bază a unei perechi Darlington, cu excepția faptului că ea necesită doar 0,6V pentru a comuta ON și ca la configurația standard Darlington, câștigul de curent este egal cu β² pentru tranzistoare egal potrivite sau este dat de produsul celor două câștiguri de curent pentru tranzistoare individuale diferite.

Configurația tranzistorului Darlington Sziklai

Putem vedea cum căderea de tensiune bază-emitor a dispozitivului Sziklai este egală cu căderea pe dioda din calea de semnal a unui singur tranzistor. Totuși, configurația Sziklai nu se poate satura la mai puțin de o cădere de tensiune pe diodă, adică 0,7 V în loc de 0,2 V obișnuit.

De asemenea, ca și perechea Darlington, perechea Sziklai are timpi de răspuns mai lenți decât un singur tranzistor. Tranzistoarele complementare pereche Sziklai sunt utilizate în mod obișnuit în etajele de ieșire ale amplificatoarelor audio push-pull și clasă AB, care permit o singură polaritate a tranzistorului de ieșire. Ambele perechi de tranzistoare Darlington și Sziklai sunt disponibile în ambele configurații NPN și PNP.

IC-uri cu tranzistoare Darlington

În majoritatea aplicațiilor electronice este suficient ca circuitul de comandă să comute direct o tensiune de ieșire DC sau curent "ON" sau "OFF", deoarece unele dispozitive de ieșire precum LED-urile sau afișajele necesită doar câțiva miliamperi pentru a funcționa la tensiuni joase DC și pot fi comandate direct de ieșirea unei porți logice standard.

Cu toate acestea, așa cum am văzut mai sus, uneori este nevoie de mai multă putere pentru a acționa dispozitivul de ieșire, cum ar fi un motor DC, decât poate fi alimentat de o poartă logică obișnuită sau de un microcontroler. Dacă dispozitivul logic digital nu poate furniza curent suficient, atunci vor fi necesare circuite suplimentare pentru a comanda dispozitivul.

Un astfel de chip, utilizat în mod obișnuit, cu tranzistor Darlington este matricea ULN2003. Familia matricelor Darlington constă din ULN2002A, ULN2003A și ULN2004A care sunt toate matrici Darlington de înaltă tensiune și curent mare, conținând fiecare câte șapte perechi Darlington open-colector, într-un singur pachet IC.

Fiecare canal al matricei este evaluat la 500 mA și poate rezista la curenți de vârf de până la 600 mA, ceea ce îl face ideal pentru controlul motoarelor mici sau a lămpilor sau a porților și a bazelor de semiconductori de înaltă putere. Sunt incluse diode suplimentare de suprimare pentru comanda sarcinii inductive și intrările sunt fixate opus ieșirilor pentru a simplifica conexiunile și aspectul plăcii.

Matricea ULN2003A cu tranzistoare Darlington

ULN2003A este o matrice ieftină cu tranzistoare Darlington unipolare, cu eficiență ridicată și un consum redus de energie, ceea ce o face utilă pentru comanda unei game largi de sarcini, incluzând solenoizi, relee, display-uri cu LED sau lămpi cu incandescență, motoare DC. ULN2003A conține șapte perechi de tranzistoare Darlington, fiecare cu un pin de intrare în stânga și un pin de ieșire opus acestuia în dreapta, așa cum se arată.

Driverul ULN2003A Darlington are o impedanță de intrare extrem de ridicată și câștig de curent care poate fi comandat direct fie de la o poartă logică TTL, fie de CMOS cu 5 V. Pentru logica CMOS de +15 V folosiți ULN2004A și pentru tensiuni de comutare mai mari de până la 100 V este mai bine să folosiți matricea SN75468 Darlington.

Când o intrare (pinii 1 la 7) este acționată "HIGH", ieșirea corespunzătoare va comuta curent de absorbție "LOW". De asemenea, atunci când intrarea este comandată "LOW", ieșirea corespunzătoare se comută la o stare de impedanță ridicată. Această stare de impedanță ridicată "OFF" blochează curentul de sarcină și reduce curentul de scăpări prin dispozitiv îmbunătățind eficiența.

Pinul 8 (GND) este conectat la masa sarcinii sau 0 volți, în timp ce pinul 9 (Vcc) se conectează la sursa sarcinii. Deci, orice sarcină trebuie să fie conectată între +Vcc și un pin de ieșire, pinii 10 la 16. Pentru sarcini inductive cum ar fi motoare, relee și solenoizi, etc, pinul 9 ar trebui să fie întotdeauna conectat la Vcc.

ULN2003A este capabil să comute 500 mA (0,5 A) pe canal, dar dacă este necesară o capacitate mai mare de comutare, ambele intrări și ieșiri de perechi Darlington pot fi legate paralel împreună pentru capacitatea de curent mai mare. De exemplu, pinii de intrare 1 și 2 conectați împreună și pinii de ieșire 16 și 15 conectați împreună pentru a comuta sarcina.

Rezumat Transistor Darlington

Tranzistorul Darlington este un dispozitiv semiconductor de mare putere cu tensiuni și curenți nominali de multe ori mai mari decât tranzistoarele convenționale cu joncțiune de semnal mic.

Valorile câștigului de curent DC pentru tranzistoare NPN sau PNP de putere mare standard sunt relativ scăzute, până la 20 sau chiar mai puțin, comparativ cu tranzistoarele de comutare a semnalului mic. Aceasta înseamnă că sunt necesari curenți de bază mari pentru comutarea unei sarcini date.

Aranjamentul Darlington utilizează două tranzistoare spate în spate, dintre care unul este principalul tranzistor care transportă curent, în timp ce celălalt fiind un tranzistor mult mai mic "de comutare", asigură curentul de bază pentru a comanda tranzistorul principal. Ca rezultat, un curent de bază mai mic poate fi utilizat pentru comutarea unui curent de sarcină mult mai mare, deoarece câștigurile de curent DC ale celor două tranzistoare se înmulțesc împreună. Atunci combinația celor două tranzistoare poate fi privită ca un singur tranzistor cu o valoare foarte mare a β și, prin urmare, o rezistență ridicată la intrare.

Pe lângă perechile de tranzistoare Darlington standard PNP și NPN, sunt disponibile și tranzistoare complementare Sziklai Darlington care constau din tranzistoare complementare NPN și PNP care se leagă între ele în cadrul aceleiași perechi Darlington pentru a îmbunătăți eficiența.

De asemenea, sunt disponibile matrici Darlington, cum ar fi ULN2003A, care permit sarcini de mare putere sau inductive cum ar fi lămpi, solenoizi și motoare să fie comandate în siguranță de microprocesoare și microcontrolere în aplicații robotice și mecatronice.