Одна из первых проблем, с которой сталкивается конструктор, — увеличение мощности транзистора. Это можно решить, соединив транзисторы параллельно (). Резисторы для выравнивания тока в цепях эмиттера помогают равномерно распределить нагрузку.
Как самому можно сделать составной транзистор. Особенности работы и схема транзистора дарлингтона. Практика работы составного транзистора
Транзистор Дарлингтона состоит из пары стандартных транзисторов, соединенных кристаллом и общим защитным слоем. Обычно на чертежах не используются специальные символы для обозначения расположения такого транзистора, только те, которые используются для стандартных транзисторов.
К цепи эмиттера одного из элементов подключен согласующий резистор. Выходы транзистора Дарлингтона аналогичны выходам биполярного полупроводникового триода:
Помимо распространенного варианта составного транзистора, существует несколько его разновидностей.
Пара Шиклаи и каскодная схема
Другое название составного полупроводникового триода — пара Дарлингтона. Кроме того, существует также пара Шиклай. Это аналогичная комбинация двух базовых элементов, отличающаяся тем, что используются транзисторы разных типов.
Каскодная схема также является вариантом составного транзистора, в котором один полупроводниковый триод активирован в схеме Oh-Oh, а другой — в схеме OBO. Он напоминает простой транзистор в конфигурации баланс-органика, но имеет лучшие частотные характеристики, высокий входной импеданс и более широкую полосу пропускания с меньшими искажениями передаваемого сигнала.
Достоинства и недостатки составных транзисторов
Производительность и сложность транзистора Дарлингтона можно регулировать, увеличивая количество включенных в него биполярных транзисторов. Существует также, который включает в себя биполяр, и, который используется в высоковольтной электронике.
Основным преимуществом составных транзисторов является их способность обеспечивать высокий коэффициент усиления по току. Дело в том, что если каждый из двух транзисторов имеет коэффициент усиления 60, то когда они работают вместе в составном транзисторе, общий коэффициент усиления становится равным произведению коэффициентов составляющих его транзисторов (в данном случае — 3600). Следовательно, для включения транзистора Дарлингтона требуется относительно низкий ток базы.
Недостатком составных транзисторов является их низкая рабочая скорость, поэтому они подходят только для схем с низкими частотами. Составные транзисторы часто используются в выходных каскадах низкочастотных мощных усилителей.
Инженер-электрик Сидни Дарлингтон экспериментировал с коллекторными двигателями постоянного тока и схемами управления ими. В схемах использовались усилители тока.
Устройство составного транзистора.
Как упоминалось ранее, это два или более транзисторов, изготовленных на одном полупроводниковом чипе и помещенных в общий корпус. В цепи эмиттера первого транзистора также имеется нагрузочный резистор.
Транзистор Дарлингтона имеет те же соединения, что и привычный биполярный транзистор: база, эмиттер и коллектор.
Схема Дарлингтона
Как мы видим, этот транзистор представляет собой комбинацию многих транзисторов. В зависимости от мощности, он может содержать более двух биполярных транзисторов. Стоит отметить, что биполярный полевой транзистор также используется в высоковольтной электронике. Это транзистор IGBT. Его также можно классифицировать как составное, гибридное полупроводниковое устройство.
Основные особенности транзистора Дарлингтона.
Основным преимуществом составного транзистора является его высокий коэффициент усиления по току.
Следует вспомнить один из основных параметров биполярного транзистора. Это коэффициент усиления ( h21 ). Его также обозначают буквой b («бета») греческого алфавита. Он всегда больше или равен 1. Если первый транзистор имеет коэффициент усиления 120, а второй — 60, то коэффициент усиления составного транзистора равен произведению этих значений, т.е. 7200, что совсем не плохо. Следовательно, для включения транзистора достаточно очень малого тока базы.
Инженер Шиклай немного модифицировал сопряжение Дарлингтона и получил транзистор, названный комплементарным транзистором Дарлингтона. Комплементарная пара — это пара из двух элементов с абсолютно одинаковыми электрическими параметрами, но разной проводимостью. В свое время такими парами были КТ315 и КТ361. В отличие от транзистора Дарлингтона, составной транзистор Шиклая состоит из биполярных транзисторов с разной проводимостью: p-n-p и n-p-n. Вот пример составного транзистора Шиклая, который работает как транзистор с n-p-n проводимостью, хотя он состоит из двух разных структур.
Шиклайская трасса
Одним из недостатков составных транзисторов является их медленная работа, поэтому они широко используются только в низкочастотных схемах. Эти транзисторы были испытаны в выходных каскадах низкочастотных усилителей мощности, в схемах управления двигателями и в переключателях электронных автомобильных зажиганий.
Мощный n-p-n транзистор Darlington BU931 доказал свою работоспособность в электронных схемах зажигания.
Основными электрическими параметрами являются:
Напряжение коллектор-эмиттер 500 В,
Напряжение на базе эмиттера 5 В,
ток коллектора — 15 А,
максимальный ток коллектора 30 А,
Рассеиваемая мощность при 25°C — 135 Вт,
Температура кристалла (соединение) — 175°C.
В электрических схемах нет специального символа для обозначения составных транзисторов. В подавляющем большинстве случаев на схеме он обозначается как обычный транзистор. Однако есть несколько исключений. Одно из возможных обозначений в электрической схеме показано ниже.
Следует помнить, что комплекс Дарлингтона может иметь либо p-n-p, либо n-p-n структуру. По этой причине производители электронных компонентов создают комплементарные пары. К ним относятся серии TIP120-127 и MJ11028-33. Например, транзисторы TIP120, TIP121 и TIP122 имеют n-p-n структуру, а TIP125, TIP126 и TIP127 — p-n-p структуру.
Следующие символы также можно найти на электрических схемах.
Примеры применения составного транзистора.
Рассмотрим схему управления коллекторным двигателем с транзистором Дарлингтона.
Если подать на базу первого транзистора ток около 1 мА, то через его коллектор потечет ток в 1000 раз больший, т.е. 1000 мА. Оказалось, что эта простая схема имеет приличный коэффициент усиления. Вместо двигателя можно подключить лампу или реле, которое можно использовать для переключения тяжелых нагрузок.
Если вместо устройства Дарлингтона используется устройство Шикли, нагрузка подключается к эмиттерной цепи второго транзистора и подключается к отрицательному питанию вместо положительного.
Объедините транзистор Дарлингтона и устройство Шиклая, и вы получите усилитель тока push-pull. Он называется push-pull, потому что в любой момент времени может быть включен только один из двух транзисторов, верхний или нижний. Эта схема инвертирует входной сигнал, т.е. выходное напряжение является обратным входному.
Это не всегда практично, поэтому на вход усилителя тока с принудительной регулировкой добавляется еще один инвертор. В этом случае выходной сигнал точно такой же, как и входной.
Если вместо устройства Дарлингтона используется устройство Шикли, нагрузка подключается к эмиттерной цепи второго транзистора и подключается к отрицательному питанию вместо положительного.
Чем отличаются разные транзисторы
Мы использовали пример простого транзистора, чтобы объяснить, как он работает, но их слишком много. Мы должны научиться различать их и выяснить, зачем нужна каждая из них.
Биполярные
Наиболее распространенными являются биполярные транзисторы. Эти транзисторы имеют два p-n контакта на полупроводнике. Заряд переносится через дырки и электроны.
Между ними существует несколько подтипов (в зависимости от расположения клемм и количества электродов):
- составной транзистор pnp-типа,
- составной транзистор npn-типа,
- Самый сложный полиэлектрод (одновременно могут существовать 2 эмиттера),
- транзистор с гетеропереходом.
Лавинные транзисторы
Это действительно интересный тип транзистора, поскольку он очень эффективный и быстрый. Его основными преимуществами являются высокое рабочее напряжение и, конечно, скорость переключения, что очень важно в электронике. Ученые все еще ломают голову над тем, как использовать эти транзисторы с максимальной эффективностью, хотя они все еще показывают удивительные результаты.
Однопереходные транзисторы
Такие транзисторы есть во всем мире. Имеется только один узел, поэтому классификация намного проще:
- Первый тип — это база «p»,
- а вторая — n-основа.
Транзисторы с управляющим переходом
Это также очень интересный и необычный тип транзистора, поскольку, как следует из названия, он имеет управляемый переход, что делает его еще более универсальным, но и более дорогим. Мы не будем подробно останавливаться на подтипах, поскольку все они практически не отличаются от предыдущих.
Транзисторы с изолированным затвором
И это совсем другое, подумаете вы. Я скажу тебе. Как я уже писал выше, транзистор начинает работать, когда к нему прикладывается небольшое напряжение. Поэтому электрод, к которому прикладывается напряжение, называется затвором. Здесь нет ничего особенного, только сам затвор изолирован, что дает вам больше контроля над транзистором и на самом деле очень полезно для некоторых приложений. Теперь, когда мы немного знаем о транзисторах, мы хотели бы предложить вам окунуться в историю и узнать, как появился транзистор Дарлингтона.
История появления транзисторов
В начале прошлого века физики и специалисты (Гатри, Браун, Эдисон, Боус, Пикар, Флеминг) из разных стран сделали фундаментальное открытие и получили патенты на «детектор», «выпрямитель» — так тогда называли диод. За диодом последовало революционное открытие транзистора. Перечисление имен ученых из разных стран, которые внесли свой вклад в открытие транзистора, заняло бы много строк.
Шокли из Bell Telephone Laboratories и его коллеги Бардин и Браттейн считаются самыми важными теоретиками.
Их работа привела к созданию первого примера германиевого транзистора с рабочей точкой в 1947 году, и в том же году был разработан первый усилитель с коэффициентом усиления 20 дБ (в 10 раз) на частоте 10 МГц.
Серийное производство точечных транзисторов компанией Western Electric началось в 1951 году и достигло примерно 10 000 штук в месяц в 1952 году. В СССР первый точечный транзистор был разработан в 1949 году. Массовое производство точечных транзисторов началось в 1952 г., планарных транзисторов — в 1955 г. Затем последовали теоретические и технологические прорывы: транзисторы с развитым переходом (1950), сплавные транзисторы (1952), диффузионные мета-транзисторы (1958), планарные транзисторы (1960), эпитаксиальные транзисторы (1963), транзисторы с множественной эмиссией (1965) и др.
Как же наш герой, транзистор Дарлингтона (далее DT), стал одним из них? Дарлингтон — город в Великобритании. Однако люди также могут иметь фамилии в честь городов или наоборот. Это дело Сидни Дарлингтона, сотрудника той же компании Bell.
Статью о транзисторе Дарлингтона можно прочитать здесь.
Что было нужно этой «милой паре»? Дело в том, что ранние транзисторы были очень скромными, если учитывать сегодняшние успехи. Для начала, они имели низкий коэффициент усиления. Сейчас это кажется странным — связь с водопадом — это элементарно! Но тогда, в 1953 году, это была новаторская работа.
Обозначения параметров транзистора
Мы должны договориться об обозначении определенных параметров и сокращений, которые нам необходимы при обсуждении, расчете и моделировании схем. Мы будем использовать названия, которые распространены в технических паспортах (data sheets — техническое описание или паспорт на искровой элемент).
Сокращения:
Основные параметры транзистора в соответствии с техническим паспортом:
Параметр (данные, измеренные или рассчитанные):
Именно эту схему используют радиолюбители, когда собирают составной транзистор своими руками (используя транзистор Дарлингтона вместе с электродвигателем):
Преимущества схемы Дарлингтона
Транзисторы Дарлингтона используются так же, как и простые биполярные транзисторы. Их можно рассматривать как один транзистор с измененными параметрами. Наиболее важной особенностью этого изменения является умножение коэффициентов усиления тока.
Вернемся к примеру принципа: если объединить мощный транзистор с β = 40 с меньшим значением β, то получится коэффициент усиления 1600. Для питания нагрузки с током потребления 5 А необходимо всего 3 мА — именно такой ток успешно обеспечивают большинство микроконтроллеров.
Однако важно помнить, что транзисторы в этой схеме заряжаются неравномерно: Большая часть тока протекает через T2. Это означает, что они не обязательно должны быть одного типа. Например, T1 может быть маломощным транзистором с высоким коэффициентом усиления, что делает результирующий коэффициент усиления еще выше!
Недостатки схемы Дарлингтона
К сожалению, на этом преимущества заканчиваются. Первый недостаток этой схемы заключается в том, что на базовый эмиттер поступает вдвое большее напряжение. Поскольку это последовательное соединение выводов база-эмиттер, напряжения на отдельных выводах суммируются (около 0,7 В, когда они включены).
| Это означает, что U BE схемы Дарлингтона составляет около 1,4 вольта. Это необходимо учитывать при выборе резисторов для ограничения тока базы. |
Однако гораздо более серьезным недостатком является повышенное напряжение насыщения. Эту проблему лучше всего обсудить в журнале напряжения.
Распределение напряжения в насыщенном транзисторе Дарлингтона
Напряжение коллектор-эмиттер транзистора Дарлингтона состоит из:
- Напряжение база-эмиттер транзистора Т2,
- напряжение коллектор-эмиттер T1.
Когда система насыщена, транзистор T2 должен оставаться открытым, т.е. его напряжение база-эмиттер равно 0,7 В. Это позволяет транзистору T1 правильно насытиться, и его U CE падает до произвольного значения 0,2 В. После суммирования этих значений напряжения получается, что U CE транзистора T2 составляет 0,9 В!
| Эта потеря напряжения должна быть учтена при проектировании схемы, поскольку такая величина отнюдь не является пренебрежимо малой! |
В нашем примере схемы из начала статьи один транзистор имеет большое преимущество: в насыщенном состоянии он имеет напряжение около 0,2 В (на практике чуть больше), что в сочетании с током 5 А, протекающим через коллектор, приводит к потере мощности около 1 Вт.
Это количество тепла может быть легко рассеяно небольшим радиатором, т.е. теплоотводящим элементом. Обычно он изготавливается из алюминия, который легок и хорошо рассеивает тепло. Радиаторы имеют разную форму — обычно они имеют гребенчатое сечение, что увеличивает поверхность контакта с проходящим воздухом.
Холодильник — теплоотвод
Но вернемся к управлению нашим двигателем. Если мы используем Дарлингтон, эта мощность расходуется впустую, и требуется гораздо более мощный радиатор. Кроме того, напряжение питания приемника будет примерно на 1 В ниже. Для низковольтных цепей, например, 3,3 В, это снижение значительно.
Схема Дарлингтона на практике
Пришло время проверить свойства схемы Дарлингтона на практике. Конечно, как и в предыдущей схеме, эту конфигурацию также можно собрать «вручную» с двумя транзисторами. Однако эта схема настолько популярна, что производители также продают готовые транзисторы Дарлингтона, которые имеют это двойное соединение и выглядят как обычный одиночный транзистор.
В нашем эксперименте мы будем использовать транзистор MPSA29 (β> 10000), который представляет собой готовый транзистор Дарлингтона. Сравним его работу с работой рассмотренного ранее BC546 (b = 200-450). На этот раз мы построим две версии «потенциометра из графитовой бумаги», где один из путей, по которым течет ток, нарисован на листе бумаги карандашом!
Для выполнения этого упражнения вам понадобятся:
- Резистор 1 × 10 кОм,
- Резистор 1 × 1 кОм,
- 1 × светодиод (выберите свой любимый цвет),
- 1 × транзистор BC546,
- 1 × транзистор MPSA29,
- 1 × свинец,
- 1 × лист бумаги,
- 4 × батарейки AA, 1 × гнездо для 4 батареек AA,
- 1 × макетная плата,
- 1 × комплект соединительных кабелей.
Сначала сделайте потенциометр самостоятельно. Нарисуйте карандашом на листе бумаги толстую линию длиной в несколько сантиметров. Проследите линию карандашом несколько раз, чтобы она была четкой (рисунка недостаточно, так как след углерода на листе не будет непрерывным). Как вы, вероятно, знаете, графит проводит электричество, но имеет довольно высокое сопротивление. Нарисовав линию, вы создали резистор с сопротивлением в сотни килоом на сантиметр. Вы можете проверить это с помощью мультиметра.
С помощью мультиметра можно измерить сопротивление линии, проведенной карандашом.
Теперь нам нужно разместить на макетной плате микросхему, которая использует наш графитовый резистор. Для начала мы используем хорошо известный транзистор BC546. Тем не менее, стоит сразу же обратить внимание на другую распиновку MPSA29!
Сравнение соединений транзисторов BC546 и MPSA29
Мы будем использовать графитовую линию в качестве «потенциометра», который регулирует ток, протекающий через базу. Просто прижмите провода к листу бумаги. Чем больше расстояние между проводниками, тем больше сопротивление между ними. Резистор 10 кОм используется для защиты транзистора от срабатывания при случайном замыкании этих проводов.
Но вернемся к управлению нашим двигателем. Если мы используем Дарлингтон, эта мощность расходуется впустую, и требуется гораздо более мощный радиатор. Кроме того, напряжение питания приемника будет примерно на 1 В ниже. Для низковольтных цепей, например, 3,3 В, это снижение значительно.
Тандемное включение транзисторов (схемы Дарлингтона и Шиклаи)
Очень часто бывает так, что требуемого коэффициента усиления одного транзистора недостаточно. В этом случае транзисторы соединены вместе (т.е. выходной ток первого транзистора является входным током для второго). Существуют две системы такого соединения: схема Дарлингтона и схема Шиклая. Разница лишь в том, что в схеме Дарлингтона используются транзисторы одного типа проводимости, а в схеме Шиклая — транзисторы разных типов проводимости.
Схема Дарлингтона Схема Шиклая
Эти пары представляют собой просто двухкаскадные усилители передачи. Эти составные транзисторные схемы иногда называют парами «Super B», поскольку они работают как один транзистор с высоким коэффициентом усиления.
Общий коэффициент передачи тока будет таким же:
В этих схемах весьма вероятно, что нагрузка упадет до нуля (или минимального значения, близкого к нулю) или ток базы транзистора VT1 уменьшится до нуля или даже станет обратным из-за неконтролируемого обратного тока коллектора при повышении температуры. Чтобы избежать блокировки транзистора VT2, его работа должна быть стабилизирована резистором R1.
Значение резистора R1 можно определить по формуле:
Параллельное включение транзисторов
Современные транзисторы позволяют реализовать электронные схемы с широким диапазоном тока и напряжения, но в некоторых случаях для увеличения рассеиваемой мощности используется параллельное соединение транзисторов.
Параллельное соединение транзисторов
Максимальный ток, пропускаемый через составной транзистор, одинаков:
В этой транзисторной схеме важно помнить, что токи неравномерно распределяются между параллельными транзисторами из-за их различных параметров. Большая часть тока протекает через транзистор с наибольшим коэффициентом усиления. Потери мощности транзисторов могут быть компенсированы дополнительными симметричными резисторами с низким сопротивлением в эмиттерных цепях. Поскольку на практике трудно подобрать такие резисторы для каждого транзистора, в практических системах эмиттеры всех транзисторов оснащены резисторами с одинаковым сопротивлением. Сопротивление симметричных резисторов R1 и R2 может быть определено по следующей формуле
где n — количество транзисторов, соединенных параллельно
IK — ток, протекающий через коллектор.
Этот метод предполагает ухудшение характеристик усиления транзисторов, но имеет то преимущество, что мощный силовой элемент может быть получен с использованием относительно маломощных транзисторов.
Последовательное включение транзисторов
Во время работы силового транзистора на переходе коллектор-эмиттер падает напряжение, равное разности между входным и выходным напряжением. В некоторых случаях эта разница может превышать максимально доступное напряжение коллектор-эмиттер транзистора. В этом случае необходимо использовать многотранзисторную последовательную схему.
Схема последовательного соединения транзисторов
Заменяющий транзистор должен иметь следующие параметры:
Балансные резисторы R1 и R2 используются для балансировки напряжений, падающих на контакты коллектор-эмиттер транзисторов. Их сопротивление может быть определено по следующей формуле
где яB — ток базы составного буферного транзистора.
Теория — это хорошо, но нужно применять ее на практике.
Следует отметить, что коэффициенты β 1 и β 1 могут быть разными даже для одинаковых транзисторов, поскольку ток эмиттера Iэ2 в 1 + β2 раз больше тока эмиттера Iэ1 (что следует из очевидного равенства Ib2 = Iэ1).
Типовые схемы составных транзисторов
Далее следует подборка материалов:
Практика проектирования электронных схем Искусство проектирования устройств. Искусство проектирования электронных схем. Примеры схем. Примеры интегрированных устройств. Подробные описания. Онлайн-расчет. Есть возможность задать вопросы авторам.
На рисунке показаны две основные транзисторные составные схемы. Обе схемы можно рассматривать как эквивалент npn-транзисторов с высоким коэффициентом передачи тока. Первая схема называется «составной транзистор Дарлингтона».
‘, второй — «Составной транзистор Шиклая».
Резистор между базой и эмиттером второго транзистора используется в качестве источника тока. Это происходит потому, что падение напряжения между базой и эмиттером транзистора мало зависит от тока и практически постоянно. Ток через резистор
= напряжение на резисторе / сопротивление резистора. Таким образом, через этот резистор протекает ток почти постоянной силы.
Сопротивление этого резистора рассчитывается на основе выбора рабочей точки транзисторов в переходе. Рабочая точка выбирается на основе линейности, рассеиваемой мощности и ряда других соображений. Обсуждение этих соображений выходит за рамки данной статьи.
Если мы выбираем рабочую точку транзисторов, мы определяем желаемые коллекторные токи транзисторов. Тогда сопротивление резистора составляет
= напряжение насыщения база-эмиттер второго транзистора при базовом токе Ib / ( Ib — коллекторный ток второго транзистора в выбранной рабочей точке / коэффициент передачи тока второго транзистора ).
Для первого контура Ib
= ток коллектора первого транзистора в выбранной рабочей точке * (1 + 1/ коэффициент передачи тока первого транзистора)
Для второго контура Ib
= коллекторный ток первого транзистора в выбранной рабочей точке
Расчет параметров составного транзистора
Коэффициент передачи тока
Для первой цепи (Дарлингтона) Коэффициент передачи тока
= (коэффициент передачи тока первого транзистора + 1) * коэффициент передачи тока второго транзистора
Для второй цепи (Шиклая) коэффициент передачи тока составляет
= коэффициент передачи тока первого транзистора * ( коэффициент передачи тока второго транзистора + 1)
Напряжение насыщения база — эмиттер
Для первой схемы (Дарлингтона) напряжение насыщения между базой и передатчиком при токе базы Ib
= напряжение насыщения базы — эмиттера первого транзистора при токе базы Ib + напряжение насыщения базы — эмиттера второго транзистора при токе базы I1, где I1 = Ib * (1 + коэффициент передачи тока первого транзистора) — ток через резистор
Для второй схемы (Шиклая) база — эмиттер напряжение насыщения при токе базы Ib
= напряжение насыщения база — эмиттер первого транзистора при токе базы Ib.
Как видно из формул, напряжение насыщения база-эмиттер значительно ниже во второй схеме. В этом заключается главное преимущество второй схемы.
Напряжение насыщения коллектор — эмиттер
Напряжение насыщения коллектор-эмиттер при токе коллектора Ik
= напряжение насыщения эмиттер-база второго транзистора при токе базы Ib + напряжение насыщения эмиттер-коллектор первого транзистора при токе коллектора I2, где Ib = Ik / коэффициент передачи тока второго транзистора.
Для первой схемы (Дарлингтона), I2
= ( Ib + ток через резистор ) / (1 + 1 / коэффициент передачи тока первого транзистора )
Для второй схемы (Шиклая) I2 становится
Сразу видно, что напряжение насыщения коллектор-эмиттер составного транзистора во много раз превышает напряжение насыщения обычных транзисторов. Чтобы включить второй транзистор, к его базе должно быть приложено напряжение, превышающее напряжение насыщения база-эмиттер. И это напряжение обычно выше, чем напряжение насыщения коллектор-эмиттер. Кроме того, напряжение прикладывается к первому транзистору, который также испытывает некоторое падение напряжения. Таким образом, чтобы включить составной транзистор, между коллектором и эмиттером должно быть приложено значительное напряжение.
Транзистор Дарлингтона реализован в униполярных транзисторах (рисунок 7.52). Коэффициент усиления по току определяется произведением коэффициентов компонентов транзистора.
Особенности и области применения составных транзисторов
Откройте любую книгу по электронике, и вы сразу увидите, как много компонентов названо в честь их изобретателей: диод Шоттки, диод Зенера (также известный как стабилизатор), диод Ганна и транзистор Дарлингтона.
Инженер-электрик Сидни Дарлингтон экспериментировал с коллекторными двигателями постоянного тока и схемами управления ими. В схемах использовались усилители тока.
Инженер Дарлингтон изобрел и запатентовал транзистор, состоящий из двух биполярных транзисторов, изготовленных на одном кристалле кремния с диффузными переходами n (отрицательный) и p (положительный). Новый полупроводниковый прибор был назван в его честь.
В отечественной литературе транзистор Дарлингтона называют составным транзистором. Давайте познакомимся с ним поближе!
Устройство составного транзистора.
Как упоминалось ранее, это два или более транзисторов, изготовленных на одном полупроводниковом чипе и помещенных в общий корпус. В цепи эмиттера первого транзистора также имеется нагрузочный резистор.
Транзистор Дарлингтона имеет те же соединения, что и привычный биполярный транзистор: база, эмиттер и коллектор.
Как мы видим, этот транзистор представляет собой комбинацию многих транзисторов. В зависимости от мощности, он может содержать более двух биполярных транзисторов. Стоит отметить, что биполярный полевой транзистор также используется в высоковольтной электронике. Это транзистор IGBT. Его также можно классифицировать как составное, гибридное полупроводниковое устройство.
Основные особенности транзистора Дарлингтона.
Основным преимуществом составного транзистора является его высокий коэффициент усиления по току.
Следует вспомнить один из основных параметров биполярного транзистора. Это коэффициент усиления ( h21 ), также обозначаемый буквой b («бета») греческого алфавита. Он всегда больше или равен 1. Если первый транзистор имеет коэффициент усиления 120, а второй — 60, то коэффициент усиления составного транзистора равен произведению этих значений, т.е. 7200, что совсем не плохо. Следовательно, для включения транзистора достаточно очень малого тока базы.
Инженер Шиклай немного модифицировал сопряжение Дарлингтона и получил транзистор, названный комплементарным транзистором Дарлингтона. Комплементарная пара — это пара из двух элементов с абсолютно одинаковыми электрическими параметрами, но разной проводимостью. В свое время такими парами были КТ315 и КТ361. В отличие от транзистора Дарлингтона, составной транзистор Шиклая состоит из биполярных транзисторов с разной проводимостью: p-n-p и n-p-n. Вот пример составного транзистора Шиклая, который работает как транзистор с n-p-n проводимостью, хотя он состоит из двух разных структур.
Теория работы составного транзистора (СТ)
Для получения основных параметров трансформатора тока необходимо представить модель самого биполярного транзистора (БТ) для низких частот на рисунке 1а.
Рисунок 1. Варианты n-p-n схемы трансформаторов тока.
Наиболее важными конструктивными параметрами являются всего два: коэффициент усиления по току и входное сопротивление транзистора. Получив их, мы можем рассчитать коэффициент усиления по напряжению, входное и выходное сопротивление каскада, используя известные формулы для этой схемы.
Схемы составных транзисторов Дарлингтона (DTC) и Шиклая (STS) показаны на рисунке 2, а готовые формулы для расчета параметров приведены в таблице 1.
Таблица 1 — Формулы для расчета параметров CTD
Где Ge — импеданс эмиттера, рассчитанный по формуле:
Рис. 2 Разновидности составных транзисторов.
Можно использовать резистор 680 Ом.
Эффект шунтирования Rdop уменьшает параметры трансформатора тока, поэтому в интегральных схемах и других сложных схемах его заменяют источником тока.
Как видно из формул в таблице 1, коэффициент усиления и входной импеданс CTD больше, чем у STB. Однако последний вариант имеет свои преимущества:
Параллельное включение транзисторов
Современные транзисторы позволяют реализовать электронные схемы с широким диапазоном тока и напряжения, но в некоторых случаях для увеличения рассеиваемой мощности используется параллельное соединение транзисторов.
Параллельное соединение транзисторов
Максимальный ток, пропускаемый через составной транзистор, одинаков:
В этой транзисторной схеме важно помнить, что токи неравномерно распределяются между параллельными транзисторами из-за их различных параметров. Большая часть тока протекает через транзистор с наибольшим коэффициентом усиления. Потери мощности транзисторов могут быть компенсированы дополнительными симметричными резисторами с низким сопротивлением в эмиттерных цепях. Поскольку на практике трудно подобрать такие резисторы для каждого транзистора, в практических системах эмиттеры всех транзисторов оснащены резисторами с одинаковым сопротивлением. Сопротивление симметричных резисторов R1 и R2 может быть определено по следующей формуле
где n — количество транзисторов, соединенных параллельно
IK — ток, протекающий через коллектор.
Этот метод предполагает ухудшение характеристик усиления транзисторов, но имеет то преимущество, что мощный силовой элемент может быть получен с использованием относительно маломощных транзисторов.
