Транзистор дарлингтона что это

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор представляет собой трехвыводной полупроводниковый пробор с тремя чередующимися слоями полупроводника разного вида проводимости, на границе раздела которых образуется два р-n перехода. В современной электронике биполярные транзисторы уже практически не используются как силовые ключевые элементы. Причиной этого является низкое быстродействие, в сравнении с MOSFET-транзисторами, сравнительно большее энерговыделение, большие мощности управления, сложности параллельного включения и т.д. Поэтому в данной работе биполярные транзисторы будут рассматриваться с целью использования в качестве функциональных элементов (систем обратной связи, усилительных каскадов и т.д.).

Биполярные транзисторы имеют два основных типа структуры:

• n-p-n;
• p-n-p.

Достаточно подробно про внутреннюю структуру транзисторов изложено в [Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. Лань. 2002. 479 с.]. Резюмируя можно сказать, что быстродействие n-p-n транзистора существенно больше быстродействия p-n-p структуры. По этой, а также еще по нескольким причинам n-p-n транзисторов по номенклатуре существенно больше, чем p-n-p транзисторов. Вот такая ассиметрия.

Области использования биполярных транзисторов:

• в линейных стабилизаторах напряжения;
• в усилительных каскадах электронных схем;
• в генераторных устройствах;
• в качестве ключевого элемента;
• в качестве элемента логических схем;
• и т.д. и еще много где применяется, не зря за него Уильяму Шокли, Джону Бардину и Уолтер Браттейну нобелевскую премию дали.

Биполярный транзистор имеет два p-n перехода – эмиттерный и коллекторный. База у переходов общая. Биполярный транзистор управляется током.

Условное обозначение биполярных транзисторов n-p-n и p-n-p структур показано на рисунке BJT.1.

Рисунок BJT.1 – Условное обозначение n-p-n и p-n-p транзистора

Классификация биполярных транзисторов

Биполярные транзисторы условно подразделяются на различные типы в соответствии со следующими измерениями параметров:

• рабочая частота;
• рассеиваемая мощность;
• структура (обычный транзистор или составной транзистор Дарлингтона);
• и разумеется тип полупроводниковой структуры – n-p-n и p-n-p.

Основные схемы включения биполярного транзистора

Мы не будем вдаваться в подробности внутренней кухни транзистора в сложные хитросплетения взаимодействия мужественных электронов и женственных дырок. Просто рассмотрим транзистор как маленький черный ящик с тремя ножками. Существует три основных способа включения трех ножек транзистора:

• схема с общим эмиттером;
• схема с общей базой;
• эмиттерный повторитель.

Рисунок BJT.2 — Основные способы включения биполярного транзистора: а — схема с общим эмиттером; б — схема с общей базой; в — эмиттерный повторитель

Схема с общим эмиттером

Схема с общим эмиттером – самая распространённая схема включения биполярного транзистора (рисунок BJT.3). Обеспечивает усиление сигнала, как по напряжению, так и по току. Обеспечивает максимальное усиление по мощности среди всех прочих схем включения биполярного транзистора. В данной схеме протекание тока по цепи база-эмиттер I_B (часто просто называемый ток базы) приводит к протеканию тока в цепи коллектор-эмиттер I_C (называемый обычно просто током коллектора). Коэффициент пропорциональности между током базы и током коллектора называется коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером h_FE:

Еще h_FE часто обозначается как β или в советской литературе как h21э.

Важным преимуществом схемы является возможность использования только одного источника питания. Кроме этого, при проектировании схем важно учитывать то, что выходное напряжение инвертируется относительно входного.

Рисунок BJT.3 — Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером

Схема с общей базой

Значительно менее распространённое включение биполярного транзистора (рисунок BJT.4).

Рисунок BJT.4 — Схема включения биполярного транзистора с общей базой

Обеспечивает усиление сигнала, но только по напряжению. Ток практически не изменяется или немного уменьшается. Ток в цепи коллектора связан с током эмиттера I_E коэффициентом передачи ток α близким к единице, но меньшим её:

Коэффициент передачи тока рассчитывается исходя из соотношения:

1

где h_FE – все тот же коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером.

Фактически силовой ток течет по цепи коллектор-эмиттер, то есть ток нагрузки полностью втекает в управляющий источник E. Это определяет малое входное сопротивление схемы R_in, фактически равное дифференциального сопротивления эмиттерного перехода

V_BE – напряжение база-эмиттер

Соответственно ток базы мал и равен:

Эмиттерный повторитель

Эмиттерный повторитель потому и называется повторителем, что он не усиливает входной сигнал по напряжению, а «повторяет» его. Или почти повторяет. В схеме сопротивление нагрузки включено так, что напряжение не нем вычитается из приложенного напряжения, чем реализуется отрицательная обратная связь. Схема включения биполярного транзистора в режиме эмиттерного повторителя представлена на рисунке BJT.5.

Рисунок BJT.5 — Эмиттерный повторитель

Усиление достигается только по току:

Соответственно входное сопротивление повторителя равно:

h_FE — коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером;

R_load – сопротивление нагрузки.

В реальности выходное напряжение отстает от входного на величину падения напряжения на переходе «база-эмиттер» (приблизительно равное 0,6 В):

Вольт-амперная характеристика биполярного транзистора

Форма вольт-амперных характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером представлена на рисунке BJT.6. Поскольку в схемах включения транзистора присутствуют две цепи (два контура) – цепь управления и цепь нагрузки то имеют место две характеристики — входная и выходная. Входная характеристика (рисунок BJT.6, а) представляет собой зависимость тока базы от напряжения на переходе «база-эмиттер» при различных напряжениях «коллектор-эмиттер». При увеличении напряжения «коллектор-эмиттер» характеристика смещается вправо – ток базы уменьшается при том же значении напряжения «база-эмиттер». Выходная характеристика представляет собой зависимость тока коллектора от напряжения «коллектор-эмиттер» при различных токах базы, что образует семейство кривых. С ростом тока базы возрастает и ток коллектора пропорционально значению h_FE (справедливо для малых сигналов). При постоянном токе базы ток коллектора несколько возрастает при увеличении напряжения «коллектор-эмиттер» (рисунок BJT.6, б).

Рисунок BJT.6. Форма вольт-амперных характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером: а) входные характеристики; б) выходные характеристики

Основные параметры биполярного транзистора

1. Максимальное напряжение коллектор-эмиттер (Collector-Emitter Voltage) V_CEO – максимально допустимое напряжение между коллектором и эмиттером транзистора. Один из наиболее важных параметров транзистора.
2. Максимальное напряжение коллектор-база (Collector-Base Voltage) V_CBO – максимально допустимое напряжение между коллектором и базой транзистора. Это напряжение несколько выше (на 20-30%) чем максимальное напряжение коллектор-эмиттер.
3. Максимальный постоянный ток коллектора (Collector Current — Continuous) I_C – максимальная величина тока через коллекторный переход в стационарном режиме.
4. Максимальное обратное напряжение эмиттер-база (Emitter-Base Voltage) V_EBO — максимально допустимое напряжение между управляющего перехода база-эмиттер транзистора.
5. Ток утечки коллекторного перехода (Collector Cut-Off Current) I_CEX – ток, протекающий через закрытый коллекторный переход под действием приложенного обратного напряжения.
6. Ток утечки эмиттерного перехода (Base Cut-Off Current) I_BL – ток, протекающий через эмиттерный переход под действием приложенного обратного напряжения. При этом к коллекторному переходу также приложено напряжение.
7. Коэффициент передачи тока (DC Current Gain) h_FE – усилительная характеристика транзистора. Коэффициент равен отношению следствия — тока коллекторного перехода к причине — току эмиттерного перехода.
8. Напряжение насыщения между коллектором и эмиттером (Collector-Emitter Saturation Voltage) V_CE(sat) — минимальное напряжение между коллектором и эмиттером в открытом состоянии (в «совсем открытом» состоянии при большом токе базы). Обычно составляет 0,2-0,4 В.
9. Напряжение насыщения эмиттерного перехода (Base-Emitter Saturation Voltage) V_BE(sat) – напряжение между базой и эмиттером при заданном токе базы.
10. Максимальная частота работы транзистора (Current Gain — Bandwidth Product) f_T – при этой частоте транзистор уже не усиливает сигнал, и коэффициент передачи тока становится равным единице.
11. Выходная емкость, емкость коллектор-база (Output Capacitance, Collector-Base Capacitance) C_CBO – емкость коллекторного перехода.
12. Входная емкость, емкость эмиттер-база (Input Capacitance, Emitter-Base Capacitance) C_EBO – емкость эмиттерного перехода.
13. Уровень шумов (Noise Figure) NF — уровень собственных шумов транзистора.
14. Время задержки включения (Delay Time) t_d — время задержки начала переходных процессов в выходной цепи транзистора при включении.
15. Время задержки выключения (Storage Time) t_s — время задержки начала переходных процессов в выходной цепи транзистора при выключении.
16. Время включения (Rise Time) t_r — время переходных процессов в выходной цепи транзистора при включении (время нарастания тока). Указывается при конкретных условиях коммутации.
17. Время включения (Fall Time) t_f — время переходных процессов в выходной цепи транзистора при включении (время спада тока). Указывается при конкретных условиях коммутации.
18. Максимально выводимая тепловая мощность (Total Device Dissipation) P_D – максимальное количество энергии, которую можно отвести от транзистора, выполненного в том или ином корпусе.
19. Тепловое сопротивление кристалл-корпус (Thermal Resistance, Junction to Case) R_θJC – тепловое сопротивление между полупроводниковым кристаллом транзистора и его корпусом.
20. Тепловое сопротивление кристалл-воздух (Thermal Resistance, Junction to Case) R_θJA – тепловое сопротивление между полупроводниковым кристаллом транзистора и воздушной средой при условии свободной конвекции.
21. Время включения, время выключения, времена задержки включения выключения – описывают динамические свойства транзистора при тех или иных конкретных условиях.

Комплементарность транзисторов

В ряде типовых схемотехнических решений необходимо одновременное использование транзисторов n-p-n и p-n-p структуры имеющих практически идентичные параметры. Такие транзисторы называют комплементарными. Ниже приведена таблица наиболее широко используемых пар комплементарных транзисторов.

Таблица BJT.1 — Некоторые комплементарные пары биполярных транзисторов

n-p-n	p-n-p
КТ3102	КТ3107
2N3904	2N3906
BC237 (238,239)	BC307 (308,309)
2N4401	2N4403
2N2222A	2N2907 (* почти)
2N6016	2N6015
2N6014	2N6013
BC556 (557, 558, 559, 560)	BC546 (547,548, 549, 550)

Поиск пар комплементарных транзисторов можно осуществлять на ресурсе [http://www.semicon-data.com/transistor/tc/2n/tc_2n_208.html].

Измерение коэффициента усиления по току

Транзисторы в пределах каждого конкретного типа имеют значительный разброс по коэффициенту усиления тока. В случае необходимости точного измерения коэффициента усиления по току использую тестеры с опцией измерения h_FE.

Составной транзистор

Для увеличения коэффициента усиления используется схема включения двух и более биполярных транзисторов. Существует две разновидности схем составных транзисторов: схема Дарлингтона и схема Шиклаи (рисунок BJT.7). Каждая из представленных схем включает управляющий транзистор и силовой, через который протекает основная доля тока нагрузки.

Рисунок BJT.7 — Составные транзисторы Дарлингтона и Шиклаи

В схемы может быть введен дополнительный резистор для изменения рабочих характеристик составного транзистора и улучшения динамических свойств схемы.

Функционально в схеме Дарлингтона резистор обеспечивает протекание постоянного тока через эмиттер управляющего транзистора, поскольку напряжение база-эмиттер силового транзистора слабо зависит от тока базы.

Ниже представлены расчеты коэффициента передачи тока составного транзистора для схем Дарлингтона и Шиклаи.

Расчет схемы Дарлингтона

1. Выбираем ток коллектора силового транзистора I_C2 и соответственно этому выбираем его конкретный тип;
2. Определяем по справочному листу коэффициент передачи тока h_FE2 выбранного силового транзистора в соответствии с выбранным током коллектора;
3. В соответствии с током коллектора I_C2 и коэффициентом передачи тока силового транзистора h_FE2 определяем рабочий ток базы силового транзистора I_B2:
4. В соответствии с рабочим током базы силового транзистора I_B2 по справочному листу определяем напряжение насыщения база-эмиттер V_BE2.
5. Рассчитываем интегральный коэффициент передачи тока составного силового транзистора Дарлингтона I_C2/I_B1.

Выведем выражение для расчета:

Сопротивление резистора следует из выражения:

Ток эмиттера первого транзистора:

Проводим ряд преобразований:

h_FE1 — коэффициент передачи тока первого транзистора;

h_FE2 — коэффициент передачи тока силового (второго) транзистора;

V_BE2 — напряжение насыщения база-эмиттер транзистора;

R – сопротивление резистора;

I_C2 – ток коллектора второго транзистора (выходной ток составного транзистора);

I_B1 – ток базы первого транзистора (входной ток составного транзистора).

Полученное соотношение определяет коэффициент передачи тока составного силового транзистора Дарлингтона. При больших значениях сопротивления R (или при его отсутствии в схеме) выражение упрощается:

Из выражения видно, что в коэффициент передачи тока составного транзистора фактически равен произведению коэффициентов передачи тока дискретных транзисторов его составляющих.

Расчет схемы Шиклаи

1. Выбираем ток коллектора силового транзистора I_C2 и соответственно этому выбираем его конкретный тип.
2. В соответствии с током коллектора I_C2 и коэффициентом передачи тока выбранного силового транзистора h_FE2 определяем рабочий ток базы силового транзистора I_B2:
3. В соответствии с рабочим током базы силового транзистора IB2 по справочному листу определяем напряжение насыщения база-эмиттер V_BE2.
4. Рассчитываем интегральный коэффициент передачи тока составного силового транзистора Дарлингтона I_C2/I_B1.

Выведем выражение для расчета:

Сопротивление резистора следует из выражения:

Ток коллектора первого транзистора:

h_FE1 — коэффициент передачи тока первого транзистора;

h_FE2 — коэффициент передачи тока силового (второго) транзистора;

V_BE2 — напряжение насыщения база-эмиттер транзистора;

R – сопротивление резистора;

I_C2 – ток коллектора второго транзистора (выходной ток составного транзистора);

I_B1 – ток базы первого транзистора (входной ток составного транзистора).

Полученное соотношение определяет коэффициент передачи тока составного силового транзистора Шиклаи. При больших значениях сопротивления R (или при его отсутствии в схеме) выражение упрощается:

Из выражения видно, что в коэффициент передачи тока составного транзистора равен произведению коэффициентов передачи тока дискретных транзисторов его составляющих.

Функционально в схеме Шиклаи резистор обеспечивает протекание постоянного тока через коллектор управляющего транзистора, поскольку напряжение база-эмиттер силового p-n-p транзистора слабо зависит от тока базы.

Составной транзистор. Транзисторная сборка Дарлингтона

Особенности и области применения составных транзисторов

Если открыть любую книгу по электронной технике, сразу видно как много элементов названы по именам их создателей: диод Шоттки, диод Зенера (он же стабилитрон), диод Ганна, транзистор Дарлингтона.

Инженер-электрик Сидни Дарлингтон (Sidney Darlington) экспериментировал с коллекторными двигателями постоянного тока и схемами управления для них. В схемах использовались усилители тока.

Инженер Дарлингтон изобрёл и запатентовал транзистор, состоящий из двух биполярных и выполненный на одном кристалле кремния с диффундированными n (негатив) и p (позитив) переходами. Новый полупроводниковый прибор был назван его именем.

В отечественной технической литературе транзистор Дарлингтона называют составным. Итак, давайте познакомимся с ним поближе!

Устройство составного транзистора.

Как уже говорилось, это два или более транзисторов, изготовленных на одном полупроводниковом кристалле и запакованные в один общий корпус. Там же находится нагрузочный резистор в цепи эмиттера первого транзистора.

У транзистора Дарлингтона те же выводы, что и у всем знакомого биполярного: база (Base), эмиттер (Emitter) и коллектор (Collector).

Схема Дарлингтона

Как видим, такой транзистор представляет собой комбинацию нескольких. В зависимости от мощности в его составе может быть и более двух биполярных транзисторов. Стоит отметить, что в высоковольтной электронике также применяется транзистор, состоящий из биполярного и полевого. Это IGBT транзистор. Его также можно причислить к составным, гибридным полупроводниковым приборам.

Основные особенности транзистора Дарлингтона.

Основное достоинство составного транзистора это большой коэффициент усиления по току.

Следует вспомнить один из основных параметров биполярного транзистора. Это коэффициент усиления (h₂₁). Он ещё обозначается буквой β («бета») греческого алфавита. Он всегда больше или равен 1. Если коэффициент усиления первого транзистора равен 120, а второго 60 то коэффициент усиления составного уже равен произведению этих величин, то есть 7200, а это очень даже неплохо. В результате достаточно очень небольшого тока базы, чтобы транзистор открылся.

Инженер Шиклаи (Sziklai) несколько видоизменил соединение Дарлингтона и получил транзистор, который назвали комплементарный транзистор Дарлингтона. Вспомним, что комплементарной парой называют два элемента с абсолютно одинаковыми электрическими параметрами, но разной проводимости. Такой парой в своё время были КТ315 и КТ361. В отличие от транзистора Дарлингтона, составной транзистор по схеме Шиклаи собран из биполярных разной проводимости: p-n-p и n-p-n. Вот пример составного транзистора по схеме Шиклаи, который работает как транзистор с n-p-n проводимостью, хотя и состоит из двух различной структуры.

схема Шиклаи

К недостаткам составных транзисторов следует отнести невысокое быстродействие, поэтому они нашли широкое применение только в низкочастотных схемах. Такие транзисторы прекрасно зарекомендовали себя в выходных каскадах мощных усилителей низкой частоты, в схемах управления электродвигателями, в коммутаторах электронных схем зажигания автомобилей.

Хорошо зарекомендовал себя для работы в электронных схемах зажигания мощный n-p-n транзистор Дарлингтона BU931.

Основные электрические параметры:

Напряжение коллектор – эмиттер 500 V;

Напряжение эмиттер – база 5 V;

Ток коллектора – 15 А;

Ток коллектора максимальный – 30 А;

Мощность рассеивания при 25°C – 135 W;

Температура кристалла (перехода) – 175°C.

На принципиальных схемах нет какого-либо специального значка-символа для обозначения составных транзисторов. В подавляющем большинстве случаев он обозначается на схеме как обычный транзистор. Хотя бывают и исключения. Вот одно из его возможных обозначений на принципиальной схеме.

Напомню, что сборка Дарлингтона может иметь как p-n-p структуру, так n-p-n. В связи с этим, производители электронных компонентов выпускают комплементарные пары. К таким можно отнести серии TIP120-127 и MJ11028-33. Так, например, транзисторы TIP120, TIP121, TIP122 имеют структуру n-p-n, а TIP125, TIP126, TIP127 — p-n-p.

Также на принципиальных схемах можно встретить и вот такое обозначение.

Примеры применения составного транзистора.

Рассмотрим схему управления коллекторным двигателем с помощью транзистора Дарлингтона.

При подаче на базу первого транзистора тока порядка 1мА через его коллектор потечёт ток уже в 1000 раз больше, то есть 1000мА. Получается, что несложная схема обладает приличным коэффициентом усиления. Вместо двигателя можно подключить электрическую лампочку или реле, с помощью которого можно коммутировать мощные нагрузки.

Если вместо сборки Дарлингтона использовать сборку Шиклаи то нагрузка подключается в цепь эмиттера второго транзистора и соединяется не с плюсом, а с минусом питания.

Если совместить транзистор Дарлингтона и сборку Шиклаи, то получится двухтактный усилитель тока. Двухтактным он называется потому, что в конкретный момент времени открытым может быть только один из двух транзисторов, верхний или нижний. Данная схема инвертирует входной сигнал, то есть выходное напряжение будет обратно входному.

Это не всегда удобно и поэтому на входе двухтактного усилителя тока добавляют ещё один инвертор. В этом случае выходной сигнал в точности повторяет сигнал на входе.

Применение сборки Дарлингтона в микросхемах.

Широко используются интегральные микросхемы, содержащие несколько составных транзисторов. Одной из самых распространённых является интегральная сборка L293D. Её частенько применяют в своих самоделках любители робототехники. Микросхема L293D — это четыре усилителя тока в общем корпусе. Поскольку в рассмотренном выше двухтактном усилителе всегда открыт только один транзистор, то выход усилителя поочерёдно подключается или к плюсу или к минусу источника питания. Это зависит от величины входного напряжения. По сути дела мы имеем электронный ключ. То есть микросхему L293 можно определить как четыре электронных ключа.

Вот «кусочек» схемы выходного каскада микросхемы L293D, взятого из её даташита (справочного листа).

Как видим, выходной каскад состоит из комбинации схем Дарлингтона и Шиклаи. Верхняя часть схемы — это составной транзистор по схеме Шиклаи, а нижняя часть выполнена по схеме Дарлингтона.

Многие помнят те времена, когда вместо DVD-плееров были видеомагнитофоны. И с помощью микросхемы L293 осуществлялось управление двумя электродвигателями видеомагнитофона, причём в полнофункциональном режиме. У каждого двигателя можно было управлять не только направлением вращения, но подавая сигналы с ШИМ-контроллера можно было в больших пределах управлять скоростью вращения.

Весьма обширное применение получили и специализированные микросхемы на основе схемы Дарлингтона. Примером может служить микросхема ULN2003A (аналог К1109КТ22). Эта интегральная схема является матрицей из семи транзисторов Дарлингтона. Такие универсальные сборки можно легко применять в радиолюбительских схемах, например, радиоуправляемом реле. Об этом я поведал тут.

Составной транзистор (транзистор Дарлингтона)

Для того, чтобы углубиться в тематику различных видов транзисторов, а конкретно в нашем случае узнать больше о транзисторе Дарлингтона, предлагаю сначала узнать все о самом простом транзисторе. Давайте разберемся, зачем он нужен и как он работает.

Начать хотелось бы с такого понятия, как триод. Это в общем такая лампа, которая может управлять током в цепи. Так вот, транзистор это тоже такой полупроводниковый триод, только уже без лампы. У него есть целых 3 вывода. Для чего оно надо? Транзисторы используются для коммутации и преобразования тока в цепи, при этом питаясь от небольшого входного тока. В электронике они используются очень часто. Например, их применяют во всех управляющих схемах различных электронных устройств (в тех же компьютерных платах). Конечно, иногда их еще можно заменить реле и тиристорами, но у тех тоже есть свои существенные недостатки, но это уже, как вы понимаете, совсем другая история. Вот так выглядит самый обыкновенный транзистор:

Как работает транзистор

Когда мы с вами, друзья мои, разобрались в том, что вообще такое этот транзистор, давайте узнаем, как он работает. Устроен он довольно просто, нужно просто понять принцип. Для этого введем два очень важных понятия: эмиттер и коллектор. Эмиттер (как и в слове эмиссия) выпускает заряды и они двигаются в сторону коллектора. Так вот, в состоянии покоя, когда, грубо говоря, все выключено, ток в транзисторе не протекает, потому что между эмиттером и коллектором есть полупроводниковый переход. Однако, когда подается незначительное напряжение на базу транзистора, ток начинает течь и при этом даже можно его усиливать. Как? Колебания небольшого тока в точности повторяются, но уже с большей амплитудой. Вот схема простого транзистора:

Чем отличаются разные транзисторы

На примере простого транзистора мы разобрали его принцип работы, однако их бывает великое множество. Давайте научимся их отличать и узнаем, зачем каждый из них нужен.

Биполярные

Биполярные транзисторы — это самые популярные. В полупроводника в таких транзисторах есть два p-n перехода. Заряд через них переносится дырками и электронами.

Среди них тоже различают несколько подвидов (они зависят от расположения переходов и количества электродов), среди которых:

• составной транзистор pnp тип;
• составной транзистор npn тип;
• более сложные многоэлектродные (может быть сразу 2 эмиттера);
• транзисторы на гетеропереходах.

Лавинные транзисторы

Это поистине интересный вид транзисторов, ведь он работает очень эффективно и при этом очень быстро. Их основные плюсы — это высокие рабочие напряжения и, конечно же, скорость включения, а это очень важно в электронике. Ученые до сих пор ломают голову, как можно использовать эти транзисторы с максимальным КПД, хотя они и сейчас показывают потрясающие результаты.

Однопереходные транзисторы

Существуют в мире и такие транзисторы. Тут всего один переход, поэтому и классификация гораздо проще:

• первый тип это с “p” базой;
• а второй это с “n” базой.

Транзисторы с управляющим переходом

Это тоже очень интересный и необычный вид транзисторов, ведь у него, как и следует из названия, управляемый переход, что делает его еще более универсальным, но и приводит его к удорожанию. На подвидах мы останавливаться не будем, так они все примерно такие же, как и у предыдущих.

Транзисторы с изолированным затвором

А это еще что за затвор, могли бы вы подумать. Рассказываю. Как я уже писал выше, транзистор начинает работать, когда на него подают небольшое напряжение. Так вот, тот электрод, на которые напряжение подается и называется затвором. Здесь ничего особенного, просто сам затвор изолируется, что дает больше возможностей для управления транзистором и для некоторых задач это, действительно, очень полезно.

Теперь, когда мы знаем достаточно много о транзисторах, предлагаем вам углубиться в историю и узнать, как появился тот самый транзистор Дарлингтона.

История появления транзисторов

На заре прошлых веков конца 19 века ученые физики и практики (Гутри, Браун, Эдисон, Боус, Пикард, Флеминг) разных стран совершили принципиальное открытие и получили патенты на «детектор», «выпрямитель» — так тогда называли диод. Вслед за диодом последовало эпохальное открытие транзистора. Перечисление имен ученых разных стран, приложивших голову и руки к открытию транзистора, заняло бы много строк.

Основными теоретиками считаются Шокли, работавший в Bell Telephone Laboratories, а также его коллеги Бардин и Браттейн.

В итоге их работ, в 1947 году, получен первый образец работающего точечного германиевого транзистора, и на его основе, в том же году, был разработан первый усилитель, имевший коэффициент усиления 20 дБ (в 10 раз) на частоте 10 Мгц.

Серийный выпуск точечных транзисторов фирмой Western Electric начался в 1951 году и достиг около 10 000 штук в месяц в 1952 году. В СССР первый точечный транзистор был создан в 1949 г. Серийный выпуск точечных транзисторов был налажен в 1952 году, а плоскостных — в 1955 году. Затем последовали следующие открытия в теории и технологиях: транзисторы на выращенных переходах (1950 г.), сплавные транзисторы (1952 г.), диффузные мета-транзисторы (1958 г.), планарные транзисторы (1960 г.), эпитаксиальные транзисторы (1963 г.), многоэмиттерные транзисторы (1965 г.) и т. д.

Как же появился среди них наш герой — транзистор Дарлингтона (далее по тексту ТД)? Дарлингтон (англ. Darlingtone) — город в в Великобритании. Однако и люди могут иметь фамилии по имени городов или наоборот. Таким является сотрудник все той же фирмы Bell — Сидни Дарлингтон

Статью о транзисторе Дарлингтона на англ. языке можно прочитать здесь .

Зачем же потребовалась эта «сладкая парочка»? Дело в том, что первые транзисторы имели весьма посредственные характеристики, если смотреть на сегодняшние успехи. Прежде всего — невысокий коэффициент усиления. Сейчас это кажется странным — подумаешь, каскадное соединение — это элементарно! Но тогда, в 1953 году — это были пионерские работы.

Обозначения параметров транзистора

Давайте договоримся об обозначениях тех или иных параметров, аббревиатурах которые нам будут нужны при обсуждении, расчетах и моделировании схем. Будем использовать для этого общепринятые в даташитах (datasheet — техническое описание или паспорт на радиоэлемент) обозначения.

Аббревиатуры:

Основные параметры транзистора по даташиту:

Параметры (заданные, измеренные или расчетные):

Транзисторные основы

Что мы здесь можем сказать нового? Да ничего! Но повторить основы все же полезно, не так ли? 😉

Основные догмы о биполярном транзисторе:

1. Транзистор — это токовый прибор. Ток базы управляем током коллектора.
2. Транзистор имеет всего три вывода. База (Б), коллектор (К) и эмиттер (Э) и соответственно на англ. B (Base), С (Collector), E (Emitter).
3. Ток эмиттера — это сумма токов коллектора и базы. IЭ =IК +IБ
4. Коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ — это отношение приращений тока коллектора к току базы. h21e (β)=ΔIK / ΔIБ .
5. h21e зависит от тока коллектора. При минимальных или максимальных его значениях h21e стремится к нулю.
6. По входу (при обратном напряжении), транзистор напоминает диод в прямом включении.
7. По входу (при обратном напряжении), транзистор напоминает стабилитрон.
8. Транзистор в закрытом состоянии все же поддается и дает ток утечки.
9. Не подключенная никуда база транзистора, которая висит в воздухе — это его смерть. Поэтому надо обязательно садить базу на землю через высокоомный резистор.
10. Транзистор в открытом состоянии обеспечит ненулевое падение напряжения на переходе База-Эмиттер и оно примерно составит сотни миллиВольт, а точнее от 0,5-0,7 Вольт.
11. Транзистор не любит высоких частот. Знаете ли, всякие эффекты Миллера и прочее.
12. При большой мощности нагрузки, корпус транзистора изготавливается определенным образом, чтобы можно было его поставить на радиатор
13. Область безопасной работы (ОБР) — это все транзисторные ограничения при сочетании предельных тока и напряжения
14. Минимальные шумы транзистора достигаются при минимально-оптимальных токах коллектора
15. Максимальное быстродействие транзистора достигается при максимально-оптимальных токах коллектора.

Отлично! Узнав много об истории транзисторов и освежив в голове основы транзисторов мы возвращаемся к транзистору Дарлингтона, ведь мы еще до сих пор не поняли, чем же он так примечателен.

Сначала о том, почему составной

Как вы уже поняли, транзистор изобрел инженер Дарлингтон, но в итоге это изобретение получило двойное имя. С одной стороны, это транзистор Дарлингтона, но с другой же, составной транзистор. Так почему же составной? Ведь когда мы говорили о видах, ни о каких составных речи не шло. Все просто, друзья мои. Дарлингтон решил использовать сразу 2 биполярных транзистора. Они были реализованы на одном кристалле, сделанном из кремния и там, естественно было 2 перехода. На Западе это изобретение привыкли называть транзистором Дарлингтона, а у нас его по-простому называют составным. Ну что, давайте узнаем о нем еще больше.

Так как же он устроен?

Я уже сказал, что этот транзистор по сути состоит из 2 транзисторов в одном общем корпусе, а в цепь эмиттера первого транзистора добавлен резистор. В плане устройства он очень похож на самый обычный транзистор, ведь здесь тот же эмиттер, та же база и тот же коллектор, только здесь все немного сложнее. Вот, взгляните на схему:

На схеме видно, что здесь целых 2 транзистора, но на деле же их может быть еще больше, все зависит от напряжения, с которым нужно работать.

Ну и что здесь такого особенного?

Для того, чтобы разобраться в главных преимуществах составного транзистора, нужно вспомнить, зачем вообще нужен транзистор. Конечно, он же усиливает ток. И у каждого транзистора свой коэффициент усиления, то есть во сколько раз усиливается ток данным транзистором. Так вот, представим, что у одного транзистора это число равно 60, а у другого 100. Отмечу, что каждый новый транзистор не суммирует коэффициент, а умножает, а значит в итоге мы получим итоговое усилие в 6000 и это очень больше цифры.

Даже это еще можно улучшить

Один не очень известный инженер, называющий себя Шиклаи увидев, как работает составной транзистор был очень впечатлен. Первое время он думал, что это действительно предел совершенства, но однажды к нему пришло озарение и он придумал, как можно сделать это устройство еще более эффективным. Итоговый транзистор, который назвали комплементарным транзистором Дарлингтона. Он состоит из биполярных транзисторов разной проводимости. Что это дает? Иногда это помогает еще сильнее увеличивать коэффициент усиления, а это как раз то, что нужно. Вот, взгляните на схему:

Плюсы и минусы составного транзистора

Если говорить о плюсах этого замечательного устройства, то это, конечно же, очень высокий коэффициент усиления, который позволяет запускать транзистор даже с очень низким током на базе. Однако, есть и минусы, как и всегда. Казалось бы, что здесь может быть не так, а вот может. Дело в том, что быстродействием здесь и не пахнет, поэтому в основном транзистор Дарлингтона используется в низкочастотных схемах. Обычно их ставят на выходных каскадах схем, а также в блоках управления электродвигателями — там они действительно на своем месте. Также без них не обойтись и многим современным авто, ведь они являются важнейшей частью коммутатора электронных схем в системе зажигания.

Вот такую схему используют радиолюбители, когда делают составной транзистор своими руками (используя транзистор Дарлингтона вместе с электродвигателем):

Сравним составной транзистор и двухтактный

Рассмотрим предыдущую схему, в которой используется составной транзистор. Если на базу подать ток 1 мА, то эта схема усилит его в 1000 раз, и в итоге на коллектор придет ток в 1000 мА. Отмечу, что вместо электродвигателя мы можем подключить и реле, и лампочку, например, а с помощью них уже можно коммутировать большие нагрузки.

А что, если простого транзистора Дарлингтона мы поставим транзистор инженера Шиклаи? Тогда у нас выйдет что-то вроде двухтактного усилителя. Это так, потому что открытым одновременно может быть только один из двух транзисторов. Составной транзистор схема:

Здесь входное напряжение будет инвертироваться и на выходе будет обратно исходному. Для того, чтобы сделать схему более универсальной, на входе обычно ставят инвертор. Таким образом, ток инвертируется 2 раза.

А где еще применяется составной транзистор?

Очень часто используется составной транзистор с транзистором Шиклаи в паре в одной схеме. К примеру, 2 электродвигателя во многих видеомагнитофонах управлялись именно этими транзисторами.

Также на основе схемы Дарлингтона создана микросхема ULN2003A, которая часто используется в сборках радиолюбителей.

Можете еще посмотреть видео, где подробно рассказывают о составных транзисторах:

Составной транзистор Дарлингтона — особенности, достоинства и недостатки.

В электронной схемотехнике часто можно встретить элемент, который называется составным транзистором. Наибольшее распространение получила схема, называемая транзистором Дарлингтона. Это два соединённых между собой биполярных транзистора структуры n-p-n. Чтобы понять, что даёт такое объединение транзисторов, стоит разобраться с основными свойствами этих компонентов.

Главной особенностью транзисторов можно считать их усилительные свойства, а именно – биполярные транзисторы могут усиливать ток. В спецификациях на транзисторы можно найти такую характеристику, которая имеет обозначение h21 или hFE. Это коэффициент усиления транзистора по току. Данный параметр показывает во сколько раз больше можно получить силу тока в силовой коллекторной цепи данного полупроводникового компонента, относительно входной, управляющей цепи (тока базы). Естественно, коэффициент усиления для одного транзисторного компонента не может быть безграничным. Более того, максимальным усилением по току обладают именно маломощные транзисторы. У транзисторов с большей мощностью коэффициент усиления значительно меньше.

Для примера возьмём отечественный, маломощный биполярный транзистор типа КТ3102. Максимальный коэффициент h21 у него может доходить до 1000, при этом его максимальный коллекторный ток не превышает 0,1 ампера, а максимальная рассеиваемая мощность равна 0,25 Вт. Для сравнения возьмём более мощный биполярный транзистор типа КТ815. Максимальный ток коллектора у него до 1,5 ампер, а максимальная рассеиваемая мощность до 10 Вт. При этом, максимальный коэффициент усиления у данного транзистора уже не превышает 40. Обратите внимание: параметр h21 зависит от величины рабочего коллекторного тока и от температуры транзистора. Чем больше ток и/или температура, тем меньше будет коэффициент итоговый усиления по току. Далеко не во всех случаях есть возможность получить желаемый коэффициент усиления по току за счёт использования в схемах всего одного транзистора.

Выручить может составной транзистор. Соединяя транзисторы по схеме Дарлингтона можно получать достаточно большие коэффициенты усиления по току. При соединении транзисторов таким образом суммарное усиление по току равно произведению коэффициентов h21 каждого из них. Возьмём два относительно мощных транзистора – КТ815 и КТ819 (у обоих тип проводимости n-p-n). Коэффициент усиления КТ815 равен 40 (в лучшем случае), а у КТ819 еще меньше — до 20. Соединив эти транзисторы по схеме Дарлингтона можно получить общее усиление по току – около 800. Мощность этого элемента будет порядка 60 Вт. Ни один одиночный биполярный транзистор не даст такой большой коэффициент усиления при такой мощности! Этого эффекта можно добиться, используя объединение транзисторов по схеме составного транзистора. Помимо получения больших коэффициентов усиления по току к достоинствам составных транзисторов относится их использование при достаточно высоких напряжениях.

Транзисторы Дарлингтона можно делать самостоятельно, спаивая несколько подходящих транзисторов по схеме. Однако, продаются уже готовые сборки, содержащие несколько дискретных транзисторов, а иногда и несколько транзисторов Дарлингтона в одном цельном корпусе. Для улучшения рабочих характеристик в таких сборках могут быть и дополнительные компоненты, например, резисторы.

Когда необходимо получить очень большое усиление, то схема Дарлингтона может содержать до пяти транзисторов. Более пяти компонентов на практике уже не используется, так как в результате чрезмерного усиления, выходной транзистор будет переходить в режим насыщения от малейшего тока на базе первого элемента. Такой составной транзистор будет открываться от случайной наводки, помехи в цепи управления или питания схемы.

Схема Дарлингтона имеет и определенные недостатки, о которых обязательно стоит помнить!

Во-первых, увеличенное падение напряжение на база-эмиттерном переходе этого элемента (транзистора Дарлингтона). Как известно, чтобы перевести кремниевый биполярный транзистор в открытое состояние между базой и эмиттером необходимо напряжение не менее 0,6 вольт. При соединении двух транзисторов по схеме Дарлингтона, падение увеличивается вдвое. Получается уже 1.2 вольта на база-эмиттерном переходе составного транзистора. При соединении трех биполярных транзисторов, по схеме Дарлингтона, можно получить падение напряжения между базой и эмиттером в 1,8 вольт. Это падение напряжения обязательно нужно брать во внимание. Потому что, например, в схеме эмиттерного повторителя, из-за падения напряжения, на выходе схемы получится напряжение меньшей величины. Разница между входным и выходным напряжением будет на то значение, которое присутствует на база-эмиттерном переходе составного транзистора.

Вторым недостатком составного транзистора Дарлингтона является относительно низкое быстродействие. Это существенно ограничивает практическое использование. По этой причине их применяют по большей части в выходных цепях низкочастотных усилителей, в коммутационных схемах (в роли ключей), для управления электрическими машинами и т.д.

и, наконец, у составных транзисторов имеется значительное падение напряжения между коллектором и эмиттером в открытом состоянии. У транзисторов малой мощности это падение напряжения может достигать 1 вольта, а у более мощных доходить до 2 вольт. При малых токах это не особенно заметно, хотя и влияет на потери, а с увеличением выходного тока каскада становится ощутимой проблемой, ведь чем больше падение напряжения и сила тока, проходящего через коллектор, тем сильнее будет нагреваться данный компонент. Это требует применения более мощных транзисторов, более крупных теплоотводов и увеличивает габариты устройства

Перед тем, как использовать транзистор Дарлингтона в своих схемах, необходимо учитывать все особенности и недостатки данной схемы, чтобы не допускать досадных ошибок!