Составной транзистор. Транзисторная сборка Дарлингтона

В интегральных схемах и дискретной электронике большое распространение получили два вида составных транзисторов: по схеме Дарлингтона и Шиклаи. В микромощных схемах, например, входные каскады операционных усилителей, составные транзисторы обеспечивают большое входное сопротивление и малые входные токи. В устройствах, работающих с большими токами (например, для стабилизаторов напряжения или выходных каскадов усилителей мощности) для повышения КПД необходимо обеспечить высокий коэффициент усиления по току мощных транзисторов.

Схема Шиклаи реализует мощный p-n-p транзистор с большим коэффициентом усиления с помощью маломощного p-n-p транзистора с малым В и мощного n-p-n транзистора (рисунок 7.51 ). В интегральных схемах это включение реализует высокобетный p-n-p транзистор на основе горизонтальных p-n-p транзистора и вертикального n-p-n транзистора. Также эта схема применяется в мощных двухтактных выходных каскадах, когда используются выходные транзисторы одной полярности (n-p-n ).

Рисунок 7.51 - Составной p-n-p транзистор Рисунок 7.52 - Составной n-p-n по схеме Шиклаи транзистор по схеме Дарлингтона

Схема Шиклаи или комплементарный транзистор Дарлингтона ведет себя, как транзистор p-n-p типа (рисунок 7.51 ) с большим коэффициентом усиления по току,

Входное напряжение идентично одиночному транзистору. Напряжение насыщения выше, чем у одиночного транзистора на величину падения напряжения на эмиттерном переходе n-p-n транзистора. Для кремниевых транзисторов это напряжение составляет порядка одного вольта в отличие от долей вольта одиночного транзистора. Между базой и эмиттером n-p-n транзистора (VT2) рекомендуется включать резистор с небольшим сопротивлением для подавления неуправляемого тока и повышения термоустойчивости.

Транзистор Дарлингтона реализуется на однополярных транзисторах (рисунок 7.52 ). Коэффициент усиления по току определяется произведением коэффициентов составляющих транзисторов.

Входное напряжение транзистора по схеме Дарлингтона в два раза больше, чем у одиночного транзистора. Напряжение насыщения превышает выходного транзистора. Входное сопротивление операционного усилителя при

.

Схема Дарлингтона используется в дискретных монолитных импульсных транзисторах. На одном кристалле формируются два транзистора, два шунтирующих резистора и защитный диод (рисунок 7.53 ). Резисторы R 1 и R 2 подавляют коэффициент усиления в режиме малых токов, (рисунок 7.38 ), что обеспечивает малое значение неуправляемого тока и повышение рабочего напряжения закрытого транзистора,

Рисунок 7.53 - Электрическая схема монолитного импульсного транзистора Дарлингтона

Резистор R2 (порядка 100 Ом) формируется в виде технологического шунта, подобно шунтам катодного перехода тиристоров. С этой целью при формировании - эмиттера с помощью фотолитографии в определенных локальных областях оставляют окисную маску в виде круга. Эти локальные маски не позволяют диффундировать донорной примеси, и под ними остаются p- столбики (рисунок 7.54 ). После металлизации по всей площади эмиттера эти столбики представляют собой распределенное сопротивление R2 и защитный диод D (рисунок 7.53 ). Защитный диод предохраняет от пробоя эмиттерные переходы при переполюсовке коллекторного напряжения. Входная мощность потребления транзистора по схеме Дарлингтона на полтора два порядка ниже, чем у одиночного транзистора. Максимальная частота переключений зависит от предельного напряжения и тока коллектора. Транзисторы на токи успешно работают в импульсных преобразователях до частот порядка 100 кГц. Отличительной особенностью монолитного транзистора Дарлингтона является квадратичная передаточная характеристика, так как В- амперная характеристика линейно возрастает с ростом тока коллектора до максимального значения,

Для получения основных параметров СТ следует задаться моделью самого биполярного транзистора (БТ) для низких частот на рис. 1а.

Рис. 1. Варианты схемы замещения БТ n-p-n

Первичных расчётных параметра всего два: коэффициент усиления по току и входное сопротивление транзистора. Получив их, для конкретной схемы по известным формулам можно рассчитать коэффициент усиления по напряжению, входное и выходное сопротивления каскада.

Схемы замещения составных транзисторов Дарлингтона (СТД) и Шиклаи (СТШ) приведены на рис. 2, готовые формулы для расчёта параметров - в табл. 1.

Таблица 1 - Формулы для расчёта параметров СТ

Здесь rэ - сопротивление эмиттера, вычисляемое по формуле:

Рис. 2 Варианты составных транзисторов

Известно, что b зависит от тока коллектора (график зависимости указывается в даташите). Если ток базы VT2 (он же - эмиттерный или коллекторный ток VT1) окажется слишком мал, реальные параметры СТ окажутся намного ниже расчётных. Поэтому для поддержания начального коллекторного тока VT1 достаточно воткнуть в схему дополнительный резистор Rдоп (рис. 2в). Например, если в СТД в качестве VT1 использован КТ315 с минимальным необходимым током Ik.min , то дополнительное сопротивление будет равно

можно поставить резистор номиналом 680 Ом.

Шунтирующее действие Rдоп снижает параметры СТ, поэтому в микросхемах и иных навороченных схемах его заменяют источником тока.

Как видно из формул в табл. 1, усиление и входное сопротивление СТД больше, чем у СТШ. Однако последний имеет свои преимущества:

1. на входе СТШ падает меньшее напряжение, чем у СТД (Uбэ против 2Uбэ);
2. коллектор VT2 соединён с общим проводом, т.е. в схеме с ОЭ для охлаждения VT2 можно посадить прямо на металлический корпус устройства.

Практика работы составного транзистора

На рис. 3 показаны три варианта построения выходного каскада (эмиттерный повторитель). При подборе транзисторов надо стремится к b1~b2 и b3~b4 . Различие можно компенсировать за счёт подбора пар по равенству коэффициентов усиления СТ b13~b24 (см. табл. 1).

• Схема на рис. 3а имеет наибольшее входное сопротивление, но это худшая из приведённых схем: требует изоляцию фланцев мощных транзисторов (или раздельные радиаторы) и обеспечивает наименьший размах напряжения, поскольку между базами СТ должно падать ~2 В, в противном случае сильно проявятся искажения типа «ступенька».
• Схема на рис. 3б досталась в наследство с тех времён, когда ещё не выпускались комплементарные пары мощных транзисторов. Единственный плюс по сравнению с предыдущим вариантом - меньшее падение напряжения ~1,8 В и больше размах без искажений.
• Схема на рис. 3в наглядно демонстрирует преимущества СТШ: между базами СТ падает минимум напряжения, а мощные транзисторы можно посадить на общий радиатор без изоляционных прокладок.

На рис. 4 показаны два параметрических стабилизатора. Выходное напряжение для варианта с СТД равно:

Поскольку Uбэ гуляет в зависимости от температуры и коллекторного тока, то у схемы с СТД разброс выходного напряжения будет больше, а потому вариант с СТШ предпочтительней.

Рис. 3. Варианты выходных эмиттерных повторителей на СТ

Рис. 4. Применение СТ в качестве регулятора в линейном стабилизаторе

В линейных цепях можно использовать любые подходящие комбинации транзисторов. Автору встречалась бытовая советская техника, в которой использовались СТШ на парах КТ315+КТ814 и КТ3107+КТ815 (хотя принято /КТ361 и КТ3102/КТ3107). В качестве комплементарной пары можно взять C945 и A733, часто встречающиеся в старых компьютерных БП.

Обсудить статью ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СОСТАВНОГО ТРАНЗИСТОРА

При проектировании схем радиоэлектронных устройств часто желательно иметь транзисторы с параметрами лучше тех моделей, которые предлагают фирмы производители радиоэлектронных компонентов (или лучше чем позволяет реализовать доступная технология изготовления транзисторов). Эта ситуация чаще всего встречается при проектировании интегральных микросхем. Нам обычно требуются больший коэффициент усиления по току h 21 , большее значение входного сопротивления h 11 или меньшее значение выходной проводимости h 22 .

Улучшить параметры транзисторов позволяют различные схемы составных транзисторов. Существует много возможностей реализовать составной транзистор из полевых или биполярных транзисторов различной проводимости, улучшая при этом его параметры. Наибольшее распространение получила схема Дарлингтона. В простейшем случае это соединение двух транзисторов одинаковой полярности. Пример схемы Дарлингтона на npn транзисторах приведен на рисунке 1.

Приведенная схема эквивалентна одиночному npn транзистору. В данной схеме ток эмиттера транзистора VT1 является током базы транзистора VT2. Ток коллектора составного транзистора определяется в основном током транзистора VT2. Основным преимуществом схемы Дарлингтона является высокое значение коэффициента усиления по току h 21 , которое можно приблизительно определить как произведение h 21 входящих в схему транзисторов:

Однако следует иметь ввиду, что коэффициент h 21 достаточно сильно зависит от тока коллектора. Поэтому при малых значениях тока коллектора транзистора VT1 его значение может значительно уменьшиться. Пример зависимости h 21 от тока коллектора для разных транзисторов приведен на рисунке 2

Как видно из этих графиков, коэффициент h 21э практически не изменяется только у двух транзисторов: отечественный КТ361В и иностранный BC846A. У остальных транзисторов коэффициент усиления по току значительно зависит от тока коллектора.

В случае когда базовый ток транзистора VT2 получается достаточно мал, ток коллектора транзистора VT1 может оказаться недостаточным для обеспечения необходимого значения коэффициента усиления по току h 21 . В этом случае увеличения коэффициента h 21 и, соответственно, уменьшения тока базы составного транзистора можно добиться увеличением тока коллектора транзистора VT1. Для этого между базой и эмиттером транзистора VT2 включают дополнительный резистор, как это показано на рисунке 3.

Например, определим элементы для схемы Дарлингтона, собранной на транзисторах BC846A Пусть ток транзистора VT2 будет равен 1 мА. Тогда его ток базы будет равен:

При таком токе коэффициент усиления по току h 21 резко падает и общий коэффициент усиления по току может оказаться значительно меньше расчетного. Увеличив ток коллектора транзистора VT1 при помощи резистора можно значительно выиграть в значении общего коэффициента усиления h 21 . Так как напряжение на базе транзистора является константой (для кремниевого транзистора u бэ = 0,7 В), то рассчитаем по закону Ома:

В этом случае мы вправе ожидать коэффициент усиления по току до 40000. Именно таким образом выполнены многие отечественные и иностранные супербетта транзисторы, такие как КТ972, КТ973 или КТ825, TIP41C, TIP42C. Схема Дарлингтона широко используется в выходных каскадах усилителей низкой частоты (), операционных усилителей и даже цифровых , например, .

Следует отметить, что схема Дарлингтона обладает таким недостатком, как повышенное напряжение U кэ. Если в обычных транзисторах U кэ составляет 0,2 В, то в составном транзисторе это напряжение возрастает до 0,9 В. Это связано с необходимостью открывать транзистор VT1, а для этого на его базу следует подать напряжение 0,7 В (если мы рассматриваем кремниевые транзисторы).

Для того, чтобы устранить указанный недостаток была разработана схема составного транзистора на комплементарных транзисторах. В российском Интернете она получила название схемы Шиклаи. Это название пришло из книги Титце и Шенка, хотя эта схема ранее имела другое название. Например, в советской литературе она называлась парадоксной парой. В книге В.Е.Хелейн и В.Х.Холмс составной транзистор на комплементарных транзисторах называется схемой Уайта, поэтому будем ее называть просто составным транзистором. Схема составного pnp транзистора на комплементарных транзисторах приведена на рисунке 4.

Точно таким же образом образуется npn транзистор. Схема составного npn транзистора на комплементарных транзисторах приведена на рисунке 5.

В списке литературы на первом месте приведена книга 1974 года издания, но существуют КНИГИ и остальные издания. Есть основы, которые не устаревают длительное время и огромное количество авторов, которые просто повторяют эти основы. Рассказать понятно надо уметь! За все время профессиональной деятельности я встретил менее десяти КНИГ. Я всегда рекомендую изучать аналоговую схемотехнику с этой книги.

Дата последнего обновления файла 18.06.2018

Литература:

Вместе со статьей "Составной транзистор (схема Дарлингтона)" читают:

http://сайт/Sxemoteh/ShVklTrz/kaskod/

http://сайт/Sxemoteh/ShVklTrz/OE/

Усилитель, называется именно так, не по причине, что его автор ДАРЛИНГТОН, а потому, что выходной каскад усилителя мощности построен на дарлингтоновских (составных) транзисторах.

Для справки : два транзистора одинаковой структуры соединены специальным образом для высокого усиления. Такое соединение транзисторов образует составной транзистор, или транзистор Дарлингтона - по имени изобретателя этого схемного решения. Такой транзистор используется в схемах работающих с большими токами (например, в схемах стабилизаторов напряжения, выходных каскадов усилителей мощности) и во входных каскадах усилителей, если необходимо обеспечить большой входной импеданс. Составной транзистор имеет три вывода (база, эмиттер и коллектор), которые эквивалентны выводам обычного одиночного транзистора. Коэффициент усиления по току типичного составного транзистора, у мощных транзисторов ≈1000 и у маломощных транзисторов ≈50000.

Достоинства транзистора Дарлингтона

Высокий коэффициент усиления по току.

Cхема Дарлингтона изготавливается в виде интегральных схем и при одинаковом токе рабочая поверхность кремния меньше, чем у биполярных транзисторов. Данные схемы представляют большой интерес при высоких напряжениях.

Недостатки составного транзистора

Низкое быстродействие, особенно перехода из открытого состояния в закрытое. По этой причине составные транзисторы используются преимущественно в низкочастотных ключевых и усилительных схемах, на высоких частотах их параметры хуже, чем у одиночного транзистора.

Прямое падение напряжения на переходе база-эмиттер в схеме Дарлингтона почти в два раза больше чем в обычном транзисторе, и составляет для кремниевых транзисторов около 1,2 - 1,4 В.

Большое напряжение насыщения коллектор-эмиттер, для кремниевого транзистора около 0,9 В для маломощных транзисторов и около 2 В для транзисторов большой мощности.

Принципиальная схема УНЧ

Усилитель можно назвать самым дешевым вариантом самостоятельного построения сабвуферного усилителя. Самое ценное в схеме - выходные транзисторы, цена которых не превышает 1$. По идее, такой усилитель усилитель можно собрать за 3-5$ без блока питания. Давайте сделаем небольшое сравнение, какой из микросхем может дать мощность 100-200 ватт на нагрузку 4 Ом? Сразу в мыслях знаменитые . Но если сравнить цены, то дарлингтоновская схема и дешевле и мощнее TDA7294!

Сама микросхема, без комплектующих компонентов стоит 3$ как минимум, а цена активных компонентов дарлингтоновской схемы не более 2-2,5$! Притом, что дарлингтоновская схема на 50-70 ватт мощнее TDA7294!

При нагрузке 4 Ом усилитель отдает 150 ватт, это самый дешевый и неплохой вариант сабвуферного усилителя. В схеме усилителя использованы недорогие выпрямительные диоды, которые можно достать в любом электронном устройстве.

Усилитель может обеспечивать такую мощность за счет того, что на выходе использованы именно составные транзисторы, но при желании они могут быть заменены на обычные. Удобно использовать комплементарную пару КТ827/25, но конечно мощность усилителя спадет до 50-70 ватт. В дифференциальном каскаде можно использовать отечественные-КТ361 или КТ3107.

Полный аналог транзистора TIP41 наш КТ819А, Этот транзистор служит для усиления сигнала с диффкаскадов и раскачки выходников Эмиттерные резисторы можно использовать с мощностью 2-5 ватт, они для защиты выходного каскада. Подробнее про теххарактеристики транзистора TIP41C. Даташит для TIP41 и TIP42 .

Материал p-n-перехода: Si

Структура транзистора: NPN

Предельная постоянная рассеиваемая мощность коллектора (Pc) транзистора: 65 W

Предельное постоянное напряжение коллектор-база (Ucb): 140 V

Предельное постоянное напряжение коллектор-эмиттер (Uce) транзистора: 100 V

Предельное постоянное напряжение эмиттер-база (Ueb): 5 V

Предельный постоянный ток коллектора транзистора (Ic max): 6 A

Предельная температура p-n перехода (Tj): 150 C

Граничная частота коэффициента передачи тока (Ft) транзистора: 3 MHz

- Ёмкость коллекторного перехода (Cc): pF

Статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером (Hfe), min: 20

Такой усилитель может быть использован как в качестве сабвуферного, так и для широкополосной акустики. Характеристики усилителя тоже неплохие. При нагрузке в 4 Ом выходная мощность усилителя порядка 150 ватт, при нагрузке в 8 Ом мощность 100 ватт, максимальная мощность усилителя может доходить до 200 ватт с питанием +/-50 вольт.

Дарлингтона), часто являются составным элементов радиолюбительских конструкций. Как известно, при таком включении коэффициент усиления по току, как правило, увеличивается в десятки раз. Однако добиться значительного запаса работоспособности по напряжению, воздействующему на каскад, удается не всегда. Усилители по , состоящие из двух биполярных транзисторов (Рис. 1.23), часто выходят из строя при воздействии импульсного напряжения, даже если оно не превышает значение электрических параметров, указанных в справочной литературе.

С этим неприятным эффектом можно бороться разными способами. Одним из них - самым простым - является наличие в паре транзистора с большим (в несколько раз) запасом ресурса по напряжению коллектор-эмиттер. Относительно высокая стоимость таких «высоковольтных» транзисторов приводит к увеличению себестоимости конструкции. Можно, конечно, приобрести специальные составные кремниевые в одном корпусе, например: КТ712, КТ829, КТ834, КТ848, КТ852, КТ853, КТ894, КТ897, КТ898, КТ973 и др. Этот список включает мощные и средней мощности приборы, разработанные практически для всего спектра радиотехнических устройств. А можно воспользоваться классической - с двумя параллельно включенными полевыми транзисторами типа КП501В - или использовать приборы КП501А…В, КП540 и другие с аналогичными электрическими характеристиками (Рис. 1.24). При этом вывод затвора подключают вместо базы VT1, а вывод истока - вместо эмиттера VT2, вывод стока - вместо объединенных коллекторов VT1, VT2.

Рис. 1.24. Замена полевыми транзисторами составного транзистора по

После такой несложной доработки, т.е. замены узлов в электрических схемах, универсального применения, тока на транзисторах VT1, VT2 не выходит из строя даже при 10-кратной и более перегрузке по напряжению. Причем ограничительного резистора в цепи затвора VT1 также увеличивается в несколько раз. Это приводит к тому, что имеют более высокое входное и, как следствие, выдерживают перегрузки при импульсном характере управления данным электронным узлом.

Коэффициент усиления по току полученного каскада не менее 50. Увеличивается прямо пропорционально увеличению напряжения питания узла.

VT1, VT2. При отсутствии дискретных транзисторов типа КП501А…В можно без потери качества работы устройства использовать микросхему 1014КТ1В. В отличие, например, от 1014КТ1А и 1014КТ1Б эта выдерживает более высокие перегрузки по приложенному напряжению импульсного характера - до 200 В постоянного напряжения. Цоколевка включения транзисторов микросхемы 1014КТ1А…1014К1В показана на Рис. 1.25.

Так же как и в предыдущем варианте (Рис. 1.24), включают параллельно.

Цоколевка полевых транзисторов в микросхеме 1014КТ1А…В

Автор опробовал десятки электронных узлов, включенных по . Такие узлы используются в радиолюбительских конструкциях в качестве токовых ключей аналогично составным транзисторам, включенным по . К перечисленным выше особенностям полевых транзисторов можно добавить их энергоэкономичность, так как в закрытом состоянии из-за высокого входного они практически не потребляют тока. Что касается стоимости таких транзисторов, то сегодня она практически такая же, как и стоимость среднемощных транзисторов типа , (и аналогичным им), которые принято использовать в качестве усилителя тока для управления устройствами нагрузки.