Kategorie

Układy Darlingtona

Wynaleziony w 1953 roku przez Sidneya Darlingtona układ połączonych dwóch tranzystorów nazwany został od jego nazwiska. Ta konfiguracja elementów jest strukturą złożoną z dwóch tranzystorów bipolarnych, połączonych w taki sposób, że prąd wzmacniany przez pierwszy tranzystor zostaje wzmocniony także przez drugi. Konfiguracja ta zapewnia znacznie większe wzmocnienie prądu niż każdy tranzystor z wykorzystywanych tranzystorów oddzielnie. Tego rodzaju elementy często stosuje się w układach prądowych i układach mocy, gdzie wysokie wzmocnienie układu jest bardzo istotne.

Układy Darlingtona – metoda na wyższe wzmocnienie

Jednym z parametrów charakteryzujących tranzystor bipolarny jest wzmocnienie prądowe. Parametr ten jest niezwykle ważny, gdyż im większe wzmocnienie, tym większy prąd, jakim układ może sterować przy zadanym prądzie bazy. Zastosowanie układu Darlingtona pozwala na zwiększenie wzmocnienia tranzystora nawet o kilka rzędów wielkości, przy zastosowaniu dwóch tranzystorów bipolarnych. W handlu dostępne są scalone pary Darlingtona czy nawet układy scalone wyposażone w wiele równoległych par tego rodzaju. Układy takie często stosuje się do wzmacniania prądu do np. sterowania obciążeniami o wysokiej mocy z pomocą układów o niewielkiej wydajności prądowej, takich jak na przykład wyprowadzenia GPIO mikrokontrolerów czy komputerów jednopłytkowych.

Zasada działania pary Darlingtona

Para Darlingtona zachowuje się z zewnątrz jak pojedynczy tranzystor, co oznacza, że ma jedną bazę, kolektor i emiter. Zwykle układ Darlingtona oferuje duże wzmocnienie prądu (w przybliżeniu iloczyn wzmocnień dwóch tranzystorów składowych). Ogólnie związek między wzmocnieniem układu Darlingtona βD ze wzmocnieniami elementów składowych β1 oraz β2 wynosi: βD = β1 x β2 + β1 + β2. Dzięki temu uzyskiwane może być naprawdę duże wzmocnienie z wykorzystaniem zwykłych, łatwo dostępnych struktur półprzewodnikowych.

Wady i zalety par tranzystorów

Układy Darlingtona mają szereg zalet, z których główną jest możliwość uzyskania bardzo wysokiego wzmocnienia prądu, równego nawet 1000 lub więcej. Dzięki temu niewielki prąd bazy jest wystarczający do przełączenia wysokich prądów emitera/kolektora. Kolejną zaletą jest zapewnieniu bardzo wysokiej impedancji wejściowej, a także prostota budowy tej konfiguracji. Układ taki może być zestawiony z dwóch osobnych, dyskretnych tranzystorów, struktur w pojedynczej obudowie czy w układzie scalonym. Tego rodzaju struktura ma też swoje wady. Jedną z nich jest, w przybliżeniu, podwojenie napięcia baza-emiter, ponieważ w układzie istnieją dwa złącza między bazą a emiterem tranzystora Darlingtona. W przypadku krzemowych tranzystorów napięcie to wynosi 0,65 V dla jednego złącza, więc 1,3 V dla układu Darlingtona. Inną wadą pary Darlingtona jest zwiększone napięcie nasycenia. Może to powodować problemy, gdy sterowane są obwody logiczne TTL. Wadą darlingtonów jest także redukcja pasma pracy. Jest ona niższa niż pasmo pracy każdego z elementów składowych.

Aplikacje darlingtonów w elektronice

Tranzystory w układzie Darlingtona stosuje się wszędzie tam, gdzie istotne jest wzmocnienie prądu, a więc we wzmacniaczach mocy, zasilaczach i sterownikach grzałek czy innych obciążeń o wysokiej mocy. W tego rodzaju aplikacjach wykorzystuje się często dwa dyskretne tranzystory bipolarne, łączone w układzie Darlingtona albo pojedyncze pary tranzystorów w tej konfiguracji w jednej obudowie. Tego rodzaju elementy stosuje się także w miejscach, gdzie kluczowy jest niski prąd bazy, na przykład w systemach mikrokontrolerowych, gdzie często stosuje się scalone układy Darlingtona do sterowania elementami o wyższym poborze prądu (takimi jak przekaźniki czy oświetlenie) przez piny cyfrowe procesora.