Układ Darlingtona – Jak to działa?

Układ Darlingtona to typowo elektroniczna “konstrukcja”, która pozwala uzyskać bardzo ciekawe rezultaty korzystne do wielu zastosowań. Co powinieneś zrobić, jeżeli chcesz podpiąć silnik bezszczotkowy do swojej płytki rozwojowej przez tranzystor bipolarny, ale okazuje się, że musisz do tego celu zapewnić sobie prąd większy, niż oferują Ci wyjścia z płytki Arduino? Rozwiązaniem jest połączenie dwóch tranzystorów.

Możliwe, że zarówno tytuł i wstęp nie jest odpowiednio jasny, jeżeli nie jesteś jeszcze elektronikiem i nie znasz specjalistycznych pojęć. Aby zrozumieć zagadnienie układu Darlingtona, najlepiej rozpocząć od poznania problemu, który sprawił, że jest on potrzebny.

Z jakimi problemami wiąże się tranzystor Darlingtona?

Przykład z początku zakłada, że masz zamiar sterować przy pomocy płytki Arduino urządzeniem, które wymaga zasilania na stosunkowo wysokim poziomie. Podstawowa zasada jest taka, że komponentów zewnętrznych nie zasila się bezpośrednio z układu logicznego (jakim jest płytka Arduino lub na przykład sam mikroprocesor) – w szczególności, jeżeli chodzi o takie urządzenia jak silniczek elektryczny czy buzzer o dużej mocy, czyli takie, które pobierają dużą ilość prądu. Mikrokontroler może bezpiecznie dostarczyć prądu na poziomie maksymalnie 20 mA. W takim wypadku elektronik pomyśli logicznie, że należy użyć tranzystora bipolarnego.

Tranzystor bipolarny

Do czego służy tranzystor?

Aby móc dobrze zrozumieć omawiany problem, trzeba najpierw zrozumieć czym jest tranzystor bipolarny i do czego służy. Stanowi rodzaj analogowego włącznika, który po otrzymaniu niewielkiego prądu o odpowiedniej wartości na jedno ze swoich trzech wyprowadzeń, ma za za zadanie dostarczać prąd o znacznie większych wartościach. Bardzo często ich rola określana jest w formie stwierdzenia, że “tranzystor steruje przepływem prądu” lub że “tranzystor wzmacnia prąd”. Są dwa typy tranzystorów bipolarnych – to tranzystory “pnp” oraz tranzystory “npn”. Każdy z nich składa się z trzech warstw półprzewodnika, z każdego z nich wypuszczone jest wyprowadzenie. Trzy warstwy półprzewodników tworzą dwa złącza w miejscach styku poszczególnych typów półprzewodników “n” i “p”. Trzy wyprowadzenia to tak zwany Emiter, (często oznaczany jako “E”), Baza (oznaczana literą “B”) oraz Kolektor (oznaczany literą “K” lub “C”). W tranzystorach “NPN” – kolektor i emiter to wyprowadzenia z półprzewodników typu “n”, natomiast baza to wyprowadzenie z półprzewodnika typu “p”. W tranzystorach “PNP” – kolektor i emiter to wyprowadzenia z półprzewodników typu “p”, natomiast baza to wyprowadzenie z półprzewodnika typu “n”. Napięcie o niewielkiej wartości (względem emitera) przyłożone do bazy spowoduje, że zacznie płynąć prąd z emitera w kierunku bazy – obszar tej części jest niewielki, więc duża część elektronów przemieści się do kolektora. W efekcie kontrolując prąd podawany do bazy, kontrolujesz prąd kolektora. Stosunek prądu kolektora do prądu bazy to tak zwane wzmocnienie prądowe, które oznacza się najczęściej grecką literą β (β=I_k/I_B). Upraszczając i skracając do istotnych dla tego artykułu faktów – dwa typy tranzystorów bipolarnych działają na dwa sposoby. Tranzystor bipolarny NPN zaczyna przewodzić w momencie, kiedy do bazy zostanie przyłożone napięcie dodatnie w stosunku do emitera (zostanie podłączony plusowy przewód – na przykład z baterii). Tranzystor bipolarny PNP na wyprowadzeniu z bazy musi uzyskać napięcie ujemne w stosunku do emitera, czyli do bazy należy podłączyć tak zwaną masę (zakładając, że zasilanie pochodzi z baterii, będzie to minus).

Tranzystor Darlingtona – jak sprawdzić jego działanie? 

Aby dobrze zrozumieć zasadę działania tranzystorów, warto samodzielnie wykonać możliwie najprostszy układ z ich wykorzystaniem. Znakomitym sposobem na takie ćwiczenie może być wykorzystanie płytki stykowej, kilku przewodów, baterii, tranzystora (dla przykładu może być NPN), kilku rezystorów i diody LED. Baterię należy podłączyć do płytki stykowej, a następnie podłączyć bazę do plusa przez opornik, emiter bezpośrednio do masy, kolektor do diody przez odpowiednio dobrany opornik i drugą nóżkę diody do plusa. Tak zbudowany układ z odpowiednio dobranymi opornikami powinien spowodować, że dioda się zaświeci. Odłączając napięcie od bazy spowodujemy, że dioda zgaśnie. Bazę można uznać za rodzaj zamkniętej bramki, która otwiera się tylko wtedy, kiedy zostanie dostarczony jej prąd. Kiedy ten się już pojawi – bramka się otwiera, a prąd może przepływać i wypływać z kolektora.

Tranzystory mają ograniczenia

W ten sposób można sterować dowolnym urządzeniem, nadając jedynie napięcie o niewielkim natężeniu. Niestety, należy pamiętać, że tranzystory również mają swoje ograniczenia. Chodzi o to, że jeżeli osoba będzie chciała podłączyć na przykład do Arduino silniczek, który będzie pobierał stosunkowo dużą ilość energii – może się okazać, że parametry tranzystorów utrudniają to zadanie (zakładamy, że użycie innego typu tranzystora nie wchodzi w grę ze względu na zbyt niskie napięcie). Problemem okazuje się znalezienie takiego komponentu, który przy wytrzymałości wysokiego natężenia będzie oferował również odpowiednie wzmocnienie (β). Tego typu komponenty oferują wzmocnienia na poziomach wartości od 40 do 100. Chcąc sprawdzić jaką wartość powinien mieć prąd podany na bazę – z zależności β=I_k/I_B należy wyprowadzić wzór na prąd kolektora, czyli I_B=I_k/β. Zakładając, że wynik to na przykład 40 mA, należy pamiętać, że aby wprowadzić bazę w stan nasycenia, należy zapewnić co najmniej trzy razy większy prąd. Takie założenia dają wynik 120 mA, przy czym Arduino bezpiecznie może zapewnić maksymalnie 20 mA.

Rozwiązanie to połączenie tranzystorów – wzmacniacz Darlingtona

Rozwiązaniem tego problemu jest połączenie kilku tranzystorów w jeden układ, mający pełnić rolę większego tranzystora. Warto pamiętać o nazewnictwie sugerowanych funkcji tranzystorów – wzmacniają prąd. Pomysł na połączenie tranzystorów został opracowany w 1953 roku przez Sidneya Darlingtona w USA. Umieszczał on dwa lub trzy połączone ze sobą tranzystory w jednym układzie. W przypadku tranzystorów NPN schemat wygląda w taki sposób, że wyprowadzenie kolektora pierwszego tranzystora łączy się z wyprowadzeniem drugiego kolektora drugiego tranzystora. Warto pamiętać o fakcie, że w tym typie tranzystora aby zaczął wypływać prąd z emitera, należy podłączyć wysoki potencjał (plusa) do bazy. Wyprowadzenie emitera z pierwszego tranzystora łączy się z bazą drugiego tranzystora. W ten sposób z perspektywy użytkownika nadal pozostają tylko trzy wyprowadzenia dla całego układu. Tego typu układy z dwóch tranzystorów są możliwe do kupienia w specjalistycznych sklepach z częściami do elektroniki – bardzo często są dostępne w formie pojedynczych układów do lutowania.

Jak działa układ Darlingtona? Zasada działania

Podczas wyjaśniania pojęć i zawartych tu przykładów dla uproszczenia załóżmy, że natężenie na kolektorze jest równe temu, które jest na emiterze. Dla prawidłowego i pełnego zrozumienia sposobu działania warto rozważyć konkretny przypadek – z założenia tranzystory bipolarne w układzie Darlingtona są identyczne i nie posiadają wad, co także oznacza, że współczynniki wzmocnień również są takie same. Aby w kontekście rozwiązania opisanego wyżej problemu zrozumieć, co dało nam połączenie dwóch tranzystorów w jeden układ Darlingtona, postaraj się obliczyć, jakie jest ostateczne wzmocnienie całego układu. Należy zastanowić się, w jakim kierunku będzie zmierzał prąd w pierwszym tranzystorze, do którego zostanie nadany potencjalny sygnał na bazę. Z emitera będzie wypływał prąd (I_E1) o wartości iloczynu natężenia podanego na bazę (oznaczmy I_B1) oraz wzmocnienia tranzystora (β₁). Na bazę drugiego tranzystora zostanie podany prąd (I_B2) bezpośrednio z emitera pierwszego tranzystora (I_E1), którego wartość kilka linii wyżej została określona na I_E1=I_B2=I_B1 β. Drugi tranzystor również będzie wzmacniał otrzymany sygnał β razy – oznacza to, że wartość prądu na emiterze będzie równa I_E2=I_B1 β². Z wyprowadzonego wzoru wynika jasno, że wzmocnienie układu to iloczyn wzmocnień obu tranzystorów (w tym wypadku kwadrat wzmocnienia jednego tranzystora). Oznacza to, że w przypadku, kiedy wartość parametru β w jednym tranzystorze jest równa 40, to wzmocnienie całego układu jest równe β_układu=40²=1600. Załączenie urządzenia (na przykład silniczka bezszczotkowego) pobierającego prąd o wartości 4A będzie wymagało podania natężenia o wartości 2,5 mA. To wartości, które zdecydowana większość mikrokontrolerów jest w stanie bezproblemowo wygenerować na swoich wyjściach. Warto zaznaczyć, że w związku z faktem, że znacząca większość prądu płynie przez drugi tranzystor – podczas rozważań prąd na kolektorze pierwszego tranzystora był pomijany. Przedstawiony tok rozumowania i obliczeń to uproszczona wersja, która od rzeczywistej może nieznacznie się różnić – mimo wszystko została przedstawiona główna myśl i ogólna zasada działania układu Darlingtona. W rzeczywistości tranzystory nie muszą być tego samego typu – przykładowo, jeżeli pierwszy byłby tranzystorem o znacznie mniejszej mocy, ale w zamian za to z większym wzmocnienie, ostateczne wzmocnienie układu wzrosłoby jeszcze bardziej.

Układ Darlingtona – schemat

8-kanałowy układ Darlingtona w obudowie THT DIP18[/caption]

Układ Darlingtona i jego wady

Znakomicie przemyślany układ Darlingtona oferuje wiele zalet o dużej wartości, jednak należy się liczyć z ceną, jaką należy za nie zapłacić. Problem, który się pojawia, to przede wszystkim zwiększone dwa razy wyższe napięcie między bazą a emiterem. To szeregowo połączone elementy (baza i emiter). Przy założeniu, że podczas włączenia na każdym z nich pojawia się napięcie 0,7 V – w perspektywie całego układu Darlingtona, oba napięcia sumują się do 1,4 V. Podczas projektowania układu należy pamiętać o zredukowaniu prądu bazy. Aby takie zadanie wykonać poprawnie, trzeba pamiętać o policzeniu napięcia całego tranzystora Darlingtona i dopasować odpowiednie wartości oporników. 

Bardzo istotnym problemem do rozwiązania jest zwiększone napięcie nasycenia. Napięcie kolektor-emiter układu to suma napięć baza-emiter z drugiego tranzystora (U_BE2) oraz kolektor-emiter z pierwszego tranzystora (U_KE1). Przy wcześniejszych założeniach U_BE2= 0,7 V, natomiast U_KE1= 0,2 V – suma tych napięć wynosi 0,9 V.

Na napięcie kolektor-emiter tranzystora Darlingtona składają się:

• napięcie baza-emiter tranzystora T2,
• napięcie kolektor-emiter T1.

Doprowadzając układ Darlingtona do stanu nasycenia, tranzystor T2 musi być wciąż otwarty, czyli jego napięcie baza-emiter wynosi 0,7 V. Tranzystor T1 może się prawidłowo nasycić, jego UCE spada do umownego poziomu 0,2 V. Dokonując zwykłego sumowania tych napięć okazuje się, że UCE tranzystora T2 to aż 0,9V! Biorąc pod uwagę natężenie na poziomie 5A, pojedynczy tranzystor wydzieli około 1 W mocy w postaci ciepła, które można łatwo odprowadzić wykorzystując do tego celu odpowiedni radiator. Warto jednak zastanowić się nad całym układem, którego całkowita strata mocy wyniesie około 4,5 W, natomiast między zasilaniem a odbiornikiem pojawi się strata oko około 0,9 V. To szczególnie istotne podczas projektowania układów niskonapięciowych, ponieważ w przypadku jeżeli napięcie ze źródła wynosi około 3 V, będzie to strata jednej trzeciej całej wartości. 

Warto zwrócić uwagę na jeszcze jeden szczególny aspekt pracy z układem Darlingtona. Zazwyczaj układy elektroniczne bardzo szybko wykonują swoje zadania – to pożądany efekt. Jedynie w niektórych wypadkach celowo opóźnia się pracę różnych komponentów – na przykład stosując kondensatory, które potrzebują dodatkowego czasu na całkowite rozładowanie. W układzie Darlingtona powstaje podobny efekt, jaki można uzyskać montując na przykład kondensator przed diodą. Po podłączeniu układu Darlingtona do prądu, potencjał bazy pierwszego tranzystora rośnie, co sprawia, że cały element szybko przechodzi ze stanu “zatkania” do stanu aktywnego, dzięki któremu otrzymany prąd jest wzmacniany. Z emitera pierwszego tranzystora prąd szybko nasyca również bazę drugiego tranzystora, który równie szybko wzmacnia i zaczyna sprawnie funkcjonować. Na potrzeby przykładu warto ponownie założyć, że urządzeniem zasilanym jest silniczek – oznacza to, że potrzebuje on silnego nasycenia. Bardzo często podłączanie silnika do mikrokontrolera ma na celu jego precyzyjne sterowanie. Tymczasem odłączenie układu Darlingtona od zasilania sprawia, że potencjał zgromadzony na bazie pierwszego tranzystora jest pochłaniany przez zamontowany tam rezystor do uziemienia – duża ilość nośników musi “odpłynąć” stamtąd. W trakcie tego procesu drugi tranzystor nadal działa wciąż mając wysoki potencjał na swojej bazie – nadal przewodzi (mimo tego, że minęło już trochę czasu od odłączenia zasilania). Po “opróżnieniu” pierwszego tranzystora nie ma drogi ucieczki dla nośników zgromadzonych między pierwszym emiterem, a drugą bazą. Jedynym wyjściem okazuje się być odczekanie odpowiedniej ilości czasu, aż nośniki samorzutnie zrekombinują, wskutek czego drugi tranzystor ostatecznie się zatka i układ Darlingtona całkowicie się zatrzyma.

Pomocne w rozwiązaniu problemu takich opóźnień jest między innymi zastosowanie odpowiednich obwodów, które będą miały za zadanie przyspieszyć przełączanie obu tranzystorów, jednak takie działanie pomoże przede wszystkim na długi czas zatykania pierwszego tranzystora. Skrócenie czasu zatykania drugiego tranzystora to problem, który można rozwiązać, stosując w odpowiednim miejscu rezystor. Mowa o przejściu między tranzystorami – to znaczy między pierwszym emiterem, a drugą bazą. Rezystor stanie się drogą najszybszej ucieczki dla zgromadzonych tam nośników. W ten sposób drugi tranzystor znacznie szybciej wyjdzie z nasycenia i przejdzie w stan zatkania, dzięki czemu przestanie już przewodzić. To bardzo dobre rozwiązanie, mimo wszystko rodzi to kolejne problemy – są one jednak na tyle nikłe, że zdecydowanie warto stosować takie rozwiązanie w większości przypadków. Opisywaną wadą jest zmniejszenie wzmocnienia prądowego – opornik stale zabiera część natężenia z pierwszego emitera.

Dokumentacja DataSheet jest bardzo ważna

W specjalistycznych sklepach z elektroniką dostępne są zarówno pojedyncze tranzystory, układy Darlingtona, jak i układy z zastosowanymi już wewnątrz rezystorami przyspieszającymi wyłączanie tranzystorów. Bardzo popularne są między innymi układy scalone, które posiadają wewnątrz aż 7 tranzystorów Darlingtona. Tego typu komponenty elektroniczne w znaczący sposób oszczędzają miejsce na płytkach drukowanych. Decydując się na takie rozwiązania należy zawsze sięgnąć do wiedzy zawartej na przykład w Internecie i dokładnie przyjrzeć się dokumentom DataSheet. Wewnątrz zawsze są dokładnie opisane dane układy, można znaleźć szczegółowe schematy i na podstawie takich informacji odpowiednio zaprojektować swój układ elektroniczny. Chodzi o to, aby elektronik korzystający z tego rodzaju gotowych rozwiązań miał w świadomości rozwiązania zastosowane wewnątrz układów zamkniętych w obudowach. Są to na przykład takie informacje, jak wartości poszczególnych rezystorów i konsekwencje wynikające ich zastosowania.

Wykorzystanie układów Darlingtona

Zarówno tranzystory, jak układy Darlingtona znajdują się dzisiaj w prawie każdym urządzeniu, z jakiego obecnie korzystamy. Tranzystor Darlingtona może zostać użyty na przykład w robocie mobilnym, do zasilania silników, dużych lamp, cewek lub na przykład do układów cyfrowych. Tego typu rozwiązania stosuje się na przykład do zasilania różnych elementów w systemie inteligentnego budynku sterowanego Raspberry Pi. Układy Darlingtona posiadają bardzo wiele możliwości zastosowań – szczególnie elektronicy i robotycy powinni go dobrze znać, ponieważ jest w stanie uprościć bardzo wiele zadań.

Przykładowy schemat wykorzystania układu ULN2003 do sterowania nadajnikami podczerwieni w robocie MicroMouse.