{"id":2481,"date":"2020-03-06T07:39:21","date_gmt":"2020-03-06T06:39:21","guid":{"rendered":"https:\/\/botland.com.pl\/blog\/?p=2481"},"modified":"2025-09-18T14:02:09","modified_gmt":"2025-09-18T12:02:09","slug":"uklad-darlingtona-jak-to-dziala","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/botland.com.pl\/blog\/uklad-darlingtona-jak-to-dziala\/","title":{"rendered":"Uk\u0142ad Darlingtona – Jak to dzia\u0142a?"},"content":{"rendered":"Czas czytania:<\/span> 8<\/span> min.<\/span><\/span>\t\t
\n\t\t\t\t\t\t
\n\t\t\t\t\t\t
\n\t\t\t\t\t
\n\t\t\t
\n\t\t\t\t\t\t
\n\t\t\t\t
\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t

Uk\u0142ad Darlingtona<\/strong> to typowo elektroniczna \u201ckonstrukcja<\/strong>\u201d, kt\u00f3ra pozwala uzyska\u0107 bardzo ciekawe rezultaty korzystne do wielu zastosowa\u0144. Co powiniene\u015b zrobi\u0107, je\u017celi chcesz podpi\u0105\u0107 silnik bezszczotkowy do swojej p\u0142ytki rozwojowej przez tranzystor bipolarny, ale okazuje si\u0119, \u017ce musisz do tego celu zapewni\u0107 sobie pr\u0105d wi\u0119kszy, ni\u017c oferuj\u0105 Ci wyj\u015bcia z p\u0142ytki Arduino? Rozwi\u0105zaniem jest po\u0142\u0105czenie dw\u00f3ch tranzystor\u00f3w<\/strong>.<\/p>\n

<\/p>\n

<\/p>\n\n

\nUk\u0142ad Darlingtona<\/strong> to po\u0142\u0105czenie dw\u00f3ch tranzystor\u00f3w bipolarnych, w kt\u00f3rym emiter jednego \u0142\u0105czy si\u0119 z baz\u0105 drugiego. Dzi\u0119ki temu uzyskuje si\u0119 bardzo du\u017ce wzmocnienie pr\u0105dowe i mo\u017cliwo\u015b\u0107 sterowania wy\u017cszymi pr\u0105dami.\n<\/div>\n\n\n

Mo\u017cliwe, \u017ce zar\u00f3wno tytu\u0142 i wst\u0119p nie jest odpowiednio jasny, je\u017celi nie jeste\u015b jeszcze elektronikiem i nie znasz specjalistycznych poj\u0119\u0107. Aby zrozumie\u0107 zagadnienie uk\u0142adu Darlingtona, najlepiej rozpocz\u0105\u0107 od poznania problemu, kt\u00f3ry sprawi\u0142, \u017ce jest on potrzebny.<\/p>\n

<\/p>\n

<\/p>\n

Z jakimi problemami wi\u0105\u017ce si\u0119 tranzystor Darlingtona?<\/h2>\n

<\/p>\n

<\/p>\n

Przyk\u0142ad z pocz\u0105tku zak\u0142ada, \u017ce masz zamiar sterowa\u0107 przy pomocy p\u0142ytki Arduino urz\u0105dzeniem, kt\u00f3re wymaga zasilania na stosunkowo wysokim poziomie. Podstawowa zasada jest taka, \u017ce komponent\u00f3w zewn\u0119trznych nie zasila si\u0119 bezpo\u015brednio z uk\u0142adu logicznego (jakim jest p\u0142ytka Arduino lub na przyk\u0142ad sam mikroprocesor) – w szczeg\u00f3lno\u015bci, je\u017celi chodzi o takie urz\u0105dzenia jak silniczek elektryczny czy buzzer o du\u017cej mocy, czyli takie, kt\u00f3re pobieraj\u0105 du\u017c\u0105 ilo\u015b\u0107 pr\u0105du. Mikrokontroler mo\u017ce bezpiecznie dostarczy\u0107 pr\u0105du na poziomie maksymalnie 20 mA. W takim wypadku elektronik pomy\u015bli logicznie, \u017ce nale\u017cy u\u017cy\u0107 tranzystora bipolarnego.<\/p>\n

<\/p>\n

<\/p>\n

Tranzystor bipolarny<\/h2>\n
\"\"
Przyk\u0142adowe tranzystory bipolarne<\/figcaption><\/figure>\n\n

 <\/p>\n

<\/p>\n

Do czego s\u0142u\u017cy tranzystor?<\/h2>\n

Aby m\u00f3c dobrze zrozumie\u0107 omawiany problem, trzeba najpierw zrozumie\u0107 czym jest tranzystor bipolarny<\/strong><\/a> i do czego s\u0142u\u017cy. Stanowi rodzaj analogowego w\u0142\u0105cznika, kt\u00f3ry po otrzymaniu niewielkiego pr\u0105du o odpowiedniej warto\u015bci na jedno ze swoich trzech wyprowadze\u0144, ma za za zadanie dostarcza\u0107 pr\u0105d o znacznie wi\u0119kszych warto\u015bciach. Bardzo cz\u0119sto ich rola okre\u015blana jest w formie stwierdzenia, \u017ce \u201ctranzystor steruje przep\u0142ywem pr\u0105du\u201d lub \u017ce \u201ctranzystor wzmacnia pr\u0105d\u201d. S\u0105 dwa typy tranzystor\u00f3w bipolarnych – to tranzystory \u201cpnp\u201d oraz tranzystory \u201cnpn\u201d. Ka\u017cdy z nich sk\u0142ada si\u0119 z trzech warstw p\u00f3\u0142przewodnika, z ka\u017cdego z nich wypuszczone jest wyprowadzenie. Trzy warstwy p\u00f3\u0142przewodnik\u00f3w tworz\u0105 dwa z\u0142\u0105cza w miejscach styku poszczeg\u00f3lnych typ\u00f3w p\u00f3\u0142przewodnik\u00f3w \u201cn\u201d i \u201cp\u201d. Trzy wyprowadzenia to tak zwany Emiter<\/em>, (cz\u0119sto oznaczany jako \u201cE\u201d), Baza <\/em>(oznaczana liter\u0105 \u201cB\u201d) oraz Kolektor <\/em>(oznaczany liter\u0105 \u201cK\u201d lub \u201cC\u201d). W tranzystorach \u201cNPN\u201d – kolektor i emiter to wyprowadzenia z p\u00f3\u0142przewodnik\u00f3w typu \u201cn\u201d, natomiast baza to wyprowadzenie z p\u00f3\u0142przewodnika typu \u201cp\u201d. W tranzystorach \u201cPNP\u201d – kolektor i emiter to wyprowadzenia z p\u00f3\u0142przewodnik\u00f3w typu \u201cp\u201d, natomiast baza to wyprowadzenie z p\u00f3\u0142przewodnika typu \u201cn\u201d. Napi\u0119cie o niewielkiej warto\u015bci (wzgl\u0119dem emitera) przy\u0142o\u017cone do bazy spowoduje, \u017ce zacznie p\u0142yn\u0105\u0107 pr\u0105d z emitera w kierunku bazy – obszar tej cz\u0119\u015bci jest niewielki, wi\u0119c du\u017ca cz\u0119\u015b\u0107 elektron\u00f3w przemie\u015bci si\u0119 do kolektora. W efekcie kontroluj\u0105c pr\u0105d podawany do bazy, kontrolujesz pr\u0105d kolektora. Stosunek pr\u0105du kolektora do pr\u0105du bazy to tak zwane wzmocnienie pr\u0105dowe<\/em>, kt\u00f3re oznacza si\u0119 najcz\u0119\u015bciej greck\u0105 liter\u0105 \u03b2 (\u03b2=Ik<\/sub>\/IB<\/sub>). Upraszczaj\u0105c i skracaj\u0105c do istotnych dla tego artyku\u0142u fakt\u00f3w – dwa typy tranzystor\u00f3w bipolarnych dzia\u0142aj\u0105 na dwa sposoby. Tranzystor bipolarny NPN zaczyna przewodzi\u0107 w momencie, kiedy do bazy zostanie przy\u0142o\u017cone napi\u0119cie dodatnie w stosunku do emitera (zostanie pod\u0142\u0105czony plusowy przew\u00f3d – na przyk\u0142ad z baterii). Tranzystor bipolarny PNP na wyprowadzeniu z bazy musi uzyska\u0107 napi\u0119cie ujemne w stosunku do emitera, czyli do bazy nale\u017cy pod\u0142\u0105czy\u0107 tak zwan\u0105 mas\u0119 (zak\u0142adaj\u0105c, \u017ce zasilanie pochodzi z baterii, b\u0119dzie to minus).<\/p>\n

<\/p>\n

<\/p>\n

Tranzystor Darlingtona – jak sprawdzi\u0107 jego dzia\u0142anie?\u00a0<\/h2>\n

<\/p>\n

<\/p>\n

Aby dobrze zrozumie\u0107 zasad\u0119 dzia\u0142ania tranzystor\u00f3w, warto samodzielnie wykona\u0107 mo\u017cliwie najprostszy uk\u0142ad z ich wykorzystaniem. Znakomitym sposobem na takie \u0107wiczenie mo\u017ce by\u0107 wykorzystanie p\u0142ytki stykowej, kilku przewod\u00f3w, baterii, tranzystora (dla przyk\u0142adu mo\u017ce by\u0107 NPN), kilku rezystor\u00f3w i diody LED. Bateri\u0119 nale\u017cy pod\u0142\u0105czy\u0107 do p\u0142ytki stykowej, a nast\u0119pnie pod\u0142\u0105czy\u0107 baz\u0119 do plusa przez opornik, emiter bezpo\u015brednio do masy, kolektor do diody przez odpowiednio dobrany opornik i drug\u0105 n\u00f3\u017ck\u0119 diody do plusa. Tak zbudowany uk\u0142ad z odpowiednio dobranymi opornikami powinien spowodowa\u0107, \u017ce dioda si\u0119 za\u015bwieci. Od\u0142\u0105czaj\u0105c napi\u0119cie od bazy spowodujemy, \u017ce dioda zga\u015bnie. Baz\u0119 mo\u017cna uzna\u0107 za rodzaj zamkni\u0119tej bramki, kt\u00f3ra otwiera si\u0119 tylko wtedy, kiedy zostanie dostarczony jej pr\u0105d. Kiedy ten si\u0119 ju\u017c pojawi – bramka si\u0119 otwiera, a pr\u0105d mo\u017ce przep\u0142ywa\u0107 i wyp\u0142ywa\u0107 z kolektora.<\/p>\n

<\/p>\n

<\/p>\n

Tranzystory maj\u0105 ograniczenia<\/h2>\n

<\/p>\n

<\/p>\n

W ten spos\u00f3b mo\u017cna sterowa\u0107 dowolnym urz\u0105dzeniem, nadaj\u0105c jedynie napi\u0119cie o niewielkim nat\u0119\u017ceniu. Niestety, nale\u017cy pami\u0119ta\u0107, \u017ce tranzystory r\u00f3wnie\u017c maj\u0105 swoje ograniczenia. Chodzi o to, \u017ce je\u017celi osoba b\u0119dzie chcia\u0142a pod\u0142\u0105czy\u0107 na przyk\u0142ad do Arduino silniczek, kt\u00f3ry b\u0119dzie pobiera\u0142 stosunkowo du\u017c\u0105 ilo\u015b\u0107 energii – mo\u017ce si\u0119 okaza\u0107, \u017ce parametry tranzystor\u00f3w utrudniaj\u0105 to zadanie (zak\u0142adamy, \u017ce u\u017cycie innego typu tranzystora nie wchodzi w gr\u0119 ze wzgl\u0119du na zbyt niskie napi\u0119cie). Problemem okazuje si\u0119 znalezienie takiego komponentu, kt\u00f3ry przy wytrzyma\u0142o\u015bci wysokiego nat\u0119\u017cenia b\u0119dzie oferowa\u0142 r\u00f3wnie\u017c odpowiednie wzmocnienie (\u03b2). Tego typu komponenty oferuj\u0105 wzmocnienia na poziomach warto\u015bci od 40 do 100. Chc\u0105c sprawdzi\u0107 jak\u0105 warto\u015b\u0107 powinien mie\u0107 pr\u0105d podany na baz\u0119 – z zale\u017cno\u015bci \u03b2=Ik<\/sub>\/IB<\/sub> nale\u017cy wyprowadzi\u0107 wz\u00f3r na pr\u0105d kolektora, czyli IB<\/sub>=Ik<\/sub>\/\u03b2. Zak\u0142adaj\u0105c, \u017ce wynik to na przyk\u0142ad 40 mA, nale\u017cy pami\u0119ta\u0107, \u017ce aby wprowadzi\u0107 baz\u0119 w stan nasycenia, nale\u017cy zapewni\u0107 co najmniej trzy razy wi\u0119kszy pr\u0105d<\/strong>. Takie za\u0142o\u017cenia daj\u0105 wynik 120 mA, przy czym Arduino bezpiecznie mo\u017ce zapewni\u0107 maksymalnie 20 mA.<\/p>\n

<\/p>\n

<\/p>\n

Rozwi\u0105zanie to po\u0142\u0105czenie tranzystor\u00f3w\u00a0– wzmacniacz Darlingtona<\/h2>\n

<\/p>\n

<\/p>\n

Rozwi\u0105zaniem tego problemu jest po\u0142\u0105czenie kilku tranzystor\u00f3w w jeden uk\u0142ad, maj\u0105cy pe\u0142ni\u0107 rol\u0119 wi\u0119kszego tranzystora. Warto pami\u0119ta\u0107 o nazewnictwie sugerowanych funkcji tranzystor\u00f3w – wzmacniaj\u0105 pr\u0105d. Pomys\u0142 na po\u0142\u0105czenie tranzystor\u00f3w zosta\u0142 opracowany w 1953 roku przez Sidneya Darlingtona w USA. Umieszcza\u0142 on dwa lub trzy po\u0142\u0105czone ze sob\u0105 tranzystory w jednym uk\u0142adzie. W przypadku tranzystor\u00f3w NPN schemat wygl\u0105da w taki spos\u00f3b, \u017ce wyprowadzenie kolektora pierwszego tranzystora \u0142\u0105czy si\u0119 z wyprowadzeniem drugiego kolektora drugiego tranzystora. Warto pami\u0119ta\u0107 o fakcie, \u017ce w tym typie tranzystora aby zacz\u0105\u0142 wyp\u0142ywa\u0107 pr\u0105d z emitera, nale\u017cy pod\u0142\u0105czy\u0107 wysoki potencja\u0142 (plusa) do bazy. Wyprowadzenie emitera z pierwszego tranzystora \u0142\u0105czy si\u0119 z baz\u0105 drugiego tranzystora. W ten spos\u00f3b z perspektywy u\u017cytkownika nadal pozostaj\u0105 tylko trzy wyprowadzenia dla ca\u0142ego uk\u0142adu. Tego typu uk\u0142ady z dw\u00f3ch tranzystor\u00f3w s\u0105 mo\u017cliwe do kupienia w specjalistycznych sklepach z cz\u0119\u015bciami do elektroniki – bardzo cz\u0119sto s\u0105 dost\u0119pne w formie pojedynczych uk\u0142ad\u00f3w do lutowania.<\/p>\n

<\/p>\n

<\/p>\n

Jak dzia\u0142a uk\u0142ad Darlingtona?\u00a0Zasada dzia\u0142ania<\/h2>\n

<\/p>\n

<\/p>\n

Podczas wyja\u015bniania poj\u0119\u0107 i zawartych tu przyk\u0142ad\u00f3w dla uproszczenia za\u0142\u00f3\u017cmy, \u017ce nat\u0119\u017cenie na kolektorze jest r\u00f3wne temu, kt\u00f3re jest na emiterze. Dla prawid\u0142owego i pe\u0142nego zrozumienia sposobu dzia\u0142ania warto rozwa\u017cy\u0107 konkretny przypadek – z za\u0142o\u017cenia tranzystory bipolarne w uk\u0142adzie Darlingtona s\u0105 identyczne i nie posiadaj\u0105 wad, co tak\u017ce oznacza, \u017ce wsp\u00f3\u0142czynniki wzmocnie\u0144 r\u00f3wnie\u017c s\u0105 takie same. Aby w kontek\u015bcie rozwi\u0105zania opisanego wy\u017cej problemu zrozumie\u0107, co da\u0142o nam po\u0142\u0105czenie dw\u00f3ch tranzystor\u00f3w w jeden uk\u0142ad Darlingtona<\/b>, postaraj si\u0119 obliczy\u0107, jakie jest ostateczne wzmocnienie ca\u0142ego uk\u0142adu. Nale\u017cy zastanowi\u0107 si\u0119, w jakim kierunku b\u0119dzie zmierza\u0142 pr\u0105d w pierwszym tranzystorze, do kt\u00f3rego zostanie nadany potencjalny sygna\u0142 na baz\u0119. Z emitera b\u0119dzie wyp\u0142ywa\u0142 pr\u0105d (IE1<\/sub>) o warto\u015bci iloczynu nat\u0119\u017cenia podanego na baz\u0119 (oznaczmy IB1<\/sub>) oraz wzmocnienia tranzystora (\u03b21<\/sub>). Na baz\u0119 drugiego tranzystora zostanie podany pr\u0105d (IB2<\/sub>) bezpo\u015brednio z emitera pierwszego tranzystora (IE1<\/sub>), kt\u00f3rego warto\u015b\u0107 kilka linii wy\u017cej zosta\u0142a okre\u015blona na IE1<\/sub>=IB2<\/sub>=IB1<\/sub> \u03b2. Drugi tranzystor r\u00f3wnie\u017c b\u0119dzie wzmacnia\u0142 otrzymany sygna\u0142 \u03b2 razy – oznacza to, \u017ce warto\u015b\u0107 pr\u0105du na emiterze b\u0119dzie r\u00f3wna IE2<\/sub>=IB1<\/sub> \u03b22<\/sup>. Z wyprowadzonego wzoru wynika jasno, \u017ce wzmocnienie uk\u0142adu to iloczyn wzmocnie\u0144 obu tranzystor\u00f3w (w tym wypadku kwadrat wzmocnienia jednego tranzystora). Oznacza to, \u017ce w przypadku, kiedy warto\u015b\u0107 parametru \u03b2 w jednym tranzystorze jest r\u00f3wna 40, to wzmocnienie ca\u0142ego uk\u0142adu jest r\u00f3wne \u03b2uk\u0142adu<\/sub>=402<\/sup>=1600. Za\u0142\u0105czenie urz\u0105dzenia (na przyk\u0142ad silniczka bezszczotkowego) pobieraj\u0105cego pr\u0105d o warto\u015bci 4A b\u0119dzie wymaga\u0142o podania nat\u0119\u017cenia o warto\u015bci 2,5 mA. To warto\u015bci, kt\u00f3re zdecydowana wi\u0119kszo\u015b\u0107 mikrokontroler\u00f3w jest w stanie bezproblemowo wygenerowa\u0107 na swoich wyj\u015bciach. Warto zaznaczy\u0107, \u017ce w zwi\u0105zku z faktem, \u017ce znacz\u0105ca wi\u0119kszo\u015b\u0107 pr\u0105du p\u0142ynie przez drugi tranzystor – podczas rozwa\u017ca\u0144 pr\u0105d na kolektorze pierwszego tranzystora by\u0142 pomijany. Przedstawiony tok rozumowania i oblicze\u0144 to uproszczona wersja, kt\u00f3ra od rzeczywistej mo\u017ce nieznacznie si\u0119 r\u00f3\u017cni\u0107 – mimo wszystko zosta\u0142a przedstawiona g\u0142\u00f3wna my\u015bl i og\u00f3lna zasada dzia\u0142ania uk\u0142adu Darlingtona. W rzeczywisto\u015bci tranzystory nie musz\u0105 by\u0107 tego samego typu – przyk\u0142adowo, je\u017celi pierwszy by\u0142by tranzystorem o znacznie mniejszej mocy, ale w zamian za to z wi\u0119kszym wzmocnienie, ostateczne wzmocnienie uk\u0142adu wzros\u0142oby jeszcze bardziej.<\/p>\n

Uk\u0142ad Darlingtona – schemat<\/h2>\n
\u00a0<\/div>\n

\"\" 8-kana\u0142owy uk\u0142ad Darlingtona w obudowie THT DIP18[\/caption]<\/p>\n

<\/p>\n

<\/p>\n

Uk\u0142ad Darlingtona i jego wady<\/h2>\n

<\/p>\n

<\/p>\n

Znakomicie przemy\u015blany uk\u0142ad Darlingtona oferuje wiele zalet o du\u017cej warto\u015bci, jednak nale\u017cy si\u0119 liczy\u0107 z cen\u0105, jak\u0105 nale\u017cy za nie zap\u0142aci\u0107. Problem, kt\u00f3ry si\u0119 pojawia, to przede wszystkim zwi\u0119kszone dwa razy wy\u017csze napi\u0119cie mi\u0119dzy baz\u0105 a emiterem. To szeregowo po\u0142\u0105czone elementy (baza i emiter). Przy za\u0142o\u017ceniu, \u017ce podczas w\u0142\u0105czenia na ka\u017cdym z nich pojawia si\u0119 napi\u0119cie 0,7 V – w perspektywie ca\u0142ego uk\u0142adu Darlingtona, oba napi\u0119cia sumuj\u0105 si\u0119 do 1,4 V. Podczas projektowania uk\u0142adu nale\u017cy pami\u0119ta\u0107 o zredukowaniu pr\u0105du bazy. Aby takie zadanie wykona\u0107 poprawnie, trzeba pami\u0119ta\u0107 o policzeniu napi\u0119cia ca\u0142ego tranzystora Darlingtona i dopasowa\u0107 odpowiednie warto\u015bci opornik\u00f3w.\u00a0<\/p>\n

<\/p>\n

<\/p>\n

Bardzo istotnym problemem do rozwi\u0105zania jest zwi\u0119kszone napi\u0119cie nasycenia. Napi\u0119cie kolektor-emiter uk\u0142adu to suma napi\u0119\u0107 baza-emiter z drugiego tranzystora (UBE2<\/sub>) oraz kolektor-emiter z pierwszego tranzystora (UKE1<\/sub>). Przy wcze\u015bniejszych za\u0142o\u017ceniach UBE2<\/sub>= 0,7 V, natomiast UKE1<\/sub>= 0,2 V – suma tych napi\u0119\u0107 wynosi 0,9 V.<\/p>\n

<\/p>\n

<\/p>\n

Na napi\u0119cie kolektor-emiter tranzystora Darlingtona sk\u0142adaj\u0105 si\u0119:<\/p>\n

<\/p>\n

<\/p>\n