Tranzystory Darlingtona – Układ Darlingtona

Tranzystor Darlingtona, swoja nazwę biorą od nazwiska wynalazcy Sidney Darlingtona, jest to w skrócie mówiąc układ dwóch połączonych ze sobą tranzystorów bipolarnych NPN lub PNP. Emiter jednego z tranzystorów jest połączony bezpośrednio z bazą drugiego tranzystora, wszystko to aby uzyskać bardziej czuły tranzystor. Uzyskujemy dzięki temu znacznie zwiększenie  wzmocnienie prądowego. Układy Darlingtona wykonywane z dwóch indywidualnie połączonych tranzystorów bipolarnych. Mogą też posiadać formę pojedynczego urządzenia produkowanego komercyjnie w pojedynczej obudowie ze standardowymi wyprowadzeniami: emiter, baza oraz kolektor.

Podstawowa konfiguracja Darlingtona

Używając tranzystor NPN w układzie Darlingtona, jak na przykładzie powyżej, kolektory (C) tranzystorów łączymy razem, a baza tranzystora TR₂ jest sterowana poprzez emiter TR₁. Ta konfiguracja zapewnia zwielokrotnienie współczynnika β, ponieważ wzmocnienie prądowe każdego z tranzystorów jest większe lub równe 1. Całkowity prąd kolektora wyniesie zatem:

 

I_C = I_C1 + I_C2

I_C = β₁ x I_B + β₂ x I_B2

Jednak prąd bazy I_B2 jest równy prądowi emitera TR₁, ponieważ są ze sobą połączone, zatem:

I_B2 = I_E1 = I_C1 + I_B = β₁ x I_B + I_B = ( β₁ + 1) x I_B

Podstawiając powyższe do pierwszego równania uzyskamy:

I_C = β₁ x I_B + β₂ x ( β₁+1) x I_B

I_C = β₁ x I_B + β₂ x β₁ x I_B + β₂ x I_B

I_C = (β₁ +( β₂ x β₁) + β₂) x I_B

Gdzie β₁ i β₂ jest to  wzmocnienia prądowe poszczególnych tranzystorów.

Resumując znaczy to, że całkowite wzmocnienie prądowe β jest równe, w przybliżeniu, iloczynowi wzmocnień prądowych obu tranzystorów. Para tranzystorów bipolarnych połączonych ze sobą w celu utworzenia pary Darlingtona może być traktowana jako pojedynczy tranzystor o bardzo wysokiej wartości β z zarazem wysokiej rezystancji wejściowej.

Dobra dobra co by nie było, że latamy tylko wzorami, przykład pierwszy dla dwóch tranzystorów NPN połączonych w układnie Dirlingtona. Jako przykład weźmiemy do sterowania lampę po załóżmy idealnych parametrach 12V / 70W. I do tego założymy, że pierwszy tranzystor będzie miał wzmocnienie prądowe wynoszące 30, a 2 tranzystor 60 . Nie będziemy tu brali pod uwagę spadków napięć na tranzystora.

Oblicz minimalny prąd bazy wymagany do załączenia lampy.

Po pierwsze, prąd pobierany przez lampę jest równy prądowi obu kolektorów a zatem:

I_C = I_lapmy

I_lapmy = P/V = 70/12 = 5,83A

 

Używając wcześniejszych równań, prąd bazy wyniesie:

β₁ = 30, β₂ = 60

I_C = (β₁ +( β₂ x β₁) + β₂) x I_B

_____I_B = _______I_C____ =    5,83 = 3,08mA
β1 + (β2 x β1) + β2    1890

Dzięki powyższym obliczeniom wiemy, żeby załączyć jak i wyłączyć lampę o mocy 70W wystarczy prąd o natężeniu tylko 3,08mA. Tak mały prąd może być dostarczony z wyjścia bramki cyfrowej lub bezpośrednio z wyprowadzenia mikrokontrolera.

Jeżeli do wykonania pary Darlingtona weźmiemy dwa identyczne tranzystory, to β₁ i β₂ są sobie równe, to całkowite ich wzmocnienie prądowe wyniesie wówczas:

I_C = (β₁ + (β₂ x β₁) + β₂) x I_B

I_C = (β² + 2β) x I_B

A co w przypadku gdy oba tranzystory są o identycznym wzmocnieniu ? Wówczas zamiast β stosuje się β2, przez co układ zachowuje się jak jeden duży tranzystor, który posiada ogromne wzmocnienie. Tranzystory w układnie Darlingtona występujące ze wzmocnieniem prądowym powyżej 1000 jak i maksymalnymi prądem kolektora rzędu kilku amperów są nie ma co ukrywać łatwo łatwo dostępne. Mowa tu np. o TIP120 Tranzystor NPN lub o jego odpowiedniku PNP TIP125. Dla pojedynczych tranzystorów, wzmocnienie prądowe nie jest już tak duże gdyż mieści się zazwyczaj w przedziale od 10 do 200. Samo wzmocnienie nie dużo mówi zatem, układ Darlingtona pozwala przełączać prąd o natężeniu 1A, wymagając do tej czynności prądu sterującego o natężeniu zaledwie 1mA. Większość z osób która już trochę działa z elektroniką wie, a dla mniej wtajemniczonych, jest idealny do pośredniczenia pomiędzy np. silnikami, grzałkami a układami cyfrowymi takimi jak mikrokontrolerami czy komputerami.

Tak na koniec zbierając wszystko w całość. Tranzystor Darlingtona jest urządzeniem półprzewodnikowym o wysokim wzmocnieniu prądowym względem pojedynczego tranzystora z układu. W układzie Darlingtona wykorzystuje się dwa tranzystory, z których jeden jest głównym tranzystorem przewodzącym prąd, a drugi jest znacznie mniejszym tranzystorem tak zwanym przełączającym, zapewniającym prąd bazy do napędzenia głównego tranzystora w układzie. Dzięki tej konstrukcji, można użyć znaczenie mniejszego prądu bazy do przełączania znacznie większego prądu obciążenia. Wszystko przez fakt, że wzmocnienia prądowe obu tranzystorów mnożą się.

Oprócz omawianych par tranzystorów PNP jak i NPN w układzie Darlingtona, można również znaleźć tranzystorowy układ Sziklaiego, które opisze w osobnym wpisie a w skrócie taki układ składa się z jednego tranzystora NPN i PNP. Jego zaletą układu Sziklaiego w stosunku do układu Darlingtona jest mniejsze napięcie baza-emiter.