ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СОСТАВНОГО ТРАНЗИСТОРА

Составной транзистор. Схемы Дарлингтона, Шиклаи. Расчет, применение

Составной транзистор применяется, если необходим очень большой коэффициент передачи тока (h). У составного транзистора h равен произведению h транзисторов, входящих в его состав.

Недостатком составного транзистора является большое напряжение насыщения коллектор — эмиттер. Оно в разы больше, чем у обычного транзистора. Простого решения этой проблемы не существует. Схема Дарлингтона обладает высоким напряжением насыщения эмиттер — база. Схема Шиклаи свободна от этого недостатка.

Применение составного транзистора требует тщательного выбора рабочих точек транзисторов и расчета параметров. Формулы приведены в статье.

Составные транзисторы находят применение там, где необходимо совсем небольшим током управлять токами большими, то есть там, где необходим большой коэффициент передачи тока. Однако составному транзистору свойственны некоторые существенные недостатки, которые ограничивают его применение. Составной транзистор активно используется в аналоговых схемах. Применение его в ключевых схемах не эффективно.

Типовые схемы составных транзисторов

Вашему вниманию подборка материалов:

Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

На рисунке изображены две основные схемы составных транзисторов. Обе схемы можно считать эквивалентными npn транзистору с большим коэффициентом передачи тока. Первая схема называется ‘Составной транзистор Дарлингтона‘, вторая — ‘Составной транзистор Шиклаи

Резистор между базой и эмиттером второго транзистора используется в качестве источника тока. Действительно, падение напряжения между базой и эмиттером транзистора мало зависит от тока и является практически неизменным. [Ток через резистор] = [Напряжение на резисторе] / [Сопротивление резистора]. Таким образом, через этот резистор течет ток практически постоянной силы.

Сопротивление данного резистора рассчитывается исходя из выбора рабочей точки транзисторов, входящих в составной. Рабочая точка выбирается исходя из соображений линейности, рассеиваемой мощности и ряда других. Обсуждение этих соображений находится за рамками этой статьи.

Выберем рабочую точку транзисторов, определимся с желаемыми силами токов коллекторов транзисторов. Тогда [Сопротивление резистора] = [Напряжение насыщения база — эмиттер второго транзистора при токе базы Iб] / ([] — [Ток коллектора второго транзистора в выбранной рабочей точке] / [Коэффициент передачи тока второго транзистора]).

Для первой схемы [] = [Ток коллектора первого транзистора в выбранной рабочей точке] * (1 + 1/[Коэффициент передачи тока первого транзистора])

Для второй схемы [] = [Ток коллектора первого транзистора в выбранной рабочей точке]

Расчет параметров составного транзистора

Коэффициент передачи тока

Для первой схемы (Дарлингтона) [Коэффициент передачи тока] = ([Коэффициент передачи тока первого транзистора] + 1) * [Коэффициент передачи тока второго транзистора]

Для второй схемы (Шиклаи) [Коэффициент передачи тока] = [Коэффициент передачи тока первого транзистора] * ([Коэффициент передачи тока второго транзистора] + 1)

Напряжение насыщения база — эмиттер

Для первой схемы (Дарлингтона) [Напряжение насыщения база — эмиттер при токе базы Iб] = [Напряжение насыщения база — эмиттер первого транзистора при токе базы Iб] + [Напряжение насыщения база — эмиттер второго транзистора при токе базы I1], где [I1] = [] * (1 + [Коэффициент передачи тока первого транзистора]) — [Ток через резистор]

Для второй схемы (Шиклаи) [Напряжение насыщения база — эмиттер при токе базы Iб] = [Напряжение насыщения база — эмиттер первого транзистора при токе базы Iб]

Как видно из формул, напряжение насыщения база — эмиттер во второй схеме намного ниже. Это и есть главное преимущество второй схемы.

Напряжение насыщения коллектор — эмиттер

[Напряжение насыщения коллектор — эмиттер при токе коллектора Iк] = [Напряжение насыщения база — эмиттер второго транзистора при токе базы Iб] + [Напряжение насыщения коллектор — эмиттер первого транзистора при токе коллектора I2], где [] = [] / [Коэффициент передачи тока второго транзистора]

Для первой схемы (Дарлингтона), [I2] = ([] + [Ток через резистор]) / (1 + 1 / [Коэффициент передачи тока первого транзистора])

Для второй схемы (Шиклаи), [I2] = ([] + [Ток через резистор])

Сразу бросается в глаза, что напряжение насыщения коллектор — эмиттер составного транзистора в разы больше напряжения насыщения обычных транзисторов. Действительно, чтобы второй транзистор открылся, нужно подать на его базу напряжение, большее напряжения насыщения база — эмиттер. А это напряжение обычно больше напряжения насыщения коллектор — эмиттер. Кроме того, напряжение подается через первый транзистор, на котором также падает часть напряжения. Вот и получается, что чтобы составной транзистор открылся, между его коллектором и эмиттером должно быть приложено значительное напряжение.

Если напряжение насыщения коллектор — эмиттер хороших переключательных транзисторов составляет 0.2 или даже 0.1 вольт, то напряжение насыщения коллектор — эмиттер составного транзистора будет около 1 вольта.

Для схем, где транзисторы работают в режимах, далеких от насыщения, например, в усилителях сигнала, это не имеет значения, но это неприятное свойство сильно ограничивает применение составных транзисторов в ключевых (переключательных) схемах, так как он очень сильно греется. Рассеиваемая мощность в открытом состоянии в ключевой схеме равна произведению напряжения насыщения на коммутируемый ток.

Для преодоления проблемы могут применяться следующие схемные решения

В первом случае используется специальный независимый источник напряжения. Решение оригинальное, эффективное, но наталкивается на необходимость иметь такой независимый источник напряжения. Кстати в интегральных микросхемах такое решение активно применяется.

Второе решение — это уже не совсем составной транзистор, так как он уже получается с четырьмя выводами. Но зато такое решение обеспечивает низкие потери без применения дополнительного источника напряжения.

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи.

Зарядное устройство. Импульсный автомобильный зарядник. Зарядка аккуму.
Схема импульсного зарядного устройства. Расчет на разные напряжения и токи.

Плавная регулировка, изменение яркости свечения светодиодов. Регулятор.
Плавное управление яркостью свечения светодиодов. Схема устройства с питанием ка.

Бесперебойник своими руками. ИБП, UPS сделать самому. Синус, синусоида.
Как сделать бесперебойник самому? Чисто синусоидальное напряжение на выходе, при.

Проверка биполярного, полевого транзисторов, МОП, FET, MOSFET. Провери.
Как проверить исправность биполярного и полевого транзисторов. Методика испытани.

Выходные каскады усилителей мощности — Дарлингтон против Шиклаи.

Несмотря на то, что в последнее время всё большая часть выходных каскадов промышленных УМЗЧ выполняется на мощных полевых MOSFET-ах, усилители на биполярных транзисторах никуда не подевались, мало того — на них строится и некоторое количество звуковоспроизводящей аппаратуры класса Hi-End.
Именно такой Hi-End усилитель мощности NHB-108 фирмы DarTZeel мы подробно обсудили странице (ссылка на страницу).

Варианты составных транзисторов

Одним из важных преимуществ полевых транзисторов является почти полное отсутствие входного тока в цепи затвора, что в большинстве случаев позволяет упростить схемотехнику и, как результат, конструкцию изделия. С другой стороны — значительные величины входных ёмкостей и приличный разброс параметров мощных MOSFET-ов делают в некоторых случаях предпочтительным использование именно биполярных приборов. Для максимального упрощения задачи схемотехника были созданы транзисторы с очень высоким коэффициентом усиления (более 1000), которые называются составными и которые дают возможность проектировать схемы на биполярниках, не сильно задумываясь о входных токах.

Наиболее часто используемое включение составных транзисторов в выходных каскадах усилителей — схема Дарлингтона (Рис. 1 а и б). Составные транзисторы по схеме включения Шиклаи используются значительно реже — и зря. Почему?
А ответ на этот вопрос дал конструктор электронных устройств и большой специалист в области звукотехники — Род Эллиот в своей статье «Шиклаи соединение против пары Дарлингтона».

Приведу наиболее, на мой взгляд, важные выдержки из этой статьи:

Пары Дарлингтона и Шиклая широко используются в линейных цепях, причём пары Дарлингтона являются наиболее распространёнными. Читатели моих Аудио Страниц могут заметить, что я в своих разработках для выходных каскадов усилителя мощности почти всегда без исключения использовал пары составных транзисторов по схеме включения Шиклая. Это относительно необычный подход, но для этого выбора имеются веские причины.
Давным-давно было установлено и продемонстрировано, что составная пара Шиклая обладает большей линейностью, чем пара Дарлингтона, и, хотя эта информация, по-видимому, игнорировалась большинством людей в течение очень долгого времени, она все ещё верна.

1. Линейность составных пар.

На Рис.2 показана пара простых повторителей напряжения, один из которых использует составную пару Шиклая, а другой — Дарлингтона.

Повторители на парах Шиклая и Дарлингтона

Рис. 2 Повторители на парах Шиклая и Дарлингтона

Это довольно простые каскады, и трудно ожидать какой-либо существенной разницы между ними, учитывая то, что эти цепи охвачены 100%-ой отрицательной обратной связью.
Входной сигнал представляет собой синусоиду с пиковым напряжением 1 В (среднеквадратичное значение 707 мВ) и смещением постоянного тока 6 В, необходимым для того, чтобы установить рабочие точки выходов повторителей на уровне, близком к половине напряжения питания.

Первое, что бросается в глаза, это то, что составная пара Шиклая имеет более высокое выходное напряжение (это 99,5% от входного напряжения) по сравнению с парой Дарлингтона, которая передаёт на выход только 98,7%. Правда, это вряд ли можно назвать большой разницей, но, тем не менее, это заметно.

Более интересным параметром являются — искажения, вносимые этими двумя конфигурациями, и это продемонстрировано ниже.

Читайте также  СЧЕТЧИК НА МИКРОСХЕМЕ

Характеристики искажений повторителей на парах Шиклая и Дарлингтона

Рис.3 Графики нелинейных искажений повторителей на парах Шиклая и Дарлингтона

Совершенно очевидно, что составная пара Шиклая (чёрная кривая) имеет меньший уровень гармоник, расположенных выше минимального уровня шума -120 дБ, и все они находятся на более низком уровне по отношению к Дарлингтону — на 20 дБ и более!
Как можно увидеть, пара Дарлингтона имеет и в 3 раза больший суммарный уровень искажений, чем составная пара Шиклая. Хотя обе цифры превосходны и значительно ниже порога слышимости, но следует помнить, что каждая ступень системы вносит некоторые искажения, поэтому для каждого каскада важно поддерживать как можно более высокий параметр линейности.

Как я отмечал во многих статьях — THD усилителя является важным показателем не только потому, что мы слышим низкие уровни искажений, но и потому, что он является хорошим индикатором общей линейности. А любая нелинейность вызывает рост интермодуляционных искажений (IMD), считающихся наиболее нежелательными в звуковом тракте.

2. Температурная стабильность.

Для таких конструкций, как двухтактные усилители мощности, термостабильность выходного каскада имеет первостепенное значение. Коэффициент усиления транзистора зависит от температуры, при увеличении температуры — увеличивается и коэффициент усиления. Эта температурная зависимость сохраняется вплоть до температур, которые могут вызвать пробой полупроводника. Кроме того, с ростом температуры уменьшается напряжение база-эмиттер транзистора (примерно на 2 мВ/°C), поэтому определённые средства стабилизации тока смещения являются обязательными.

В составной паре Sziklai влияние температурной зависимости выходного транзистора Q2 значительно меньше, чем влияние драйвера Q1. Основным элементом, определяющим ток смещения, является именно управляющий транзистор, который рассеивает сравнительно небольшую мощность, в связи с чем — на нём гораздо проще поддерживать постоянную температуру.

Как итог — общая температурная зависимость составной пары Шиклая значительно ниже, чем у пары Дарлингтона, выходной ток которого зависит от напряжений база-эмиттер двух каскадно соединённых транзисторов, в результате чего эффект удваивается.
Это усугубляется тем фактом, что большинство усилителей, использующих выходной каскад Дарлингтона, имеют драйвер и силовой транзистор в одном корпусе, а потому оказываются установленными в одной точке радиатора.

Соберём схемы для проверки температурной зависимости транзисторных пар Шиклая и Дарлингтона

Схемы для проверки температурной зависимости Шиклая и Дарлингтона

Рис.4 Схемы для проверки температурной зависимости составных транзисторов

и проверим сказанное выше.

В таблице приведены температурные зависимости двух цепей, изображённых на Рис.4.
Поскольку гораздо проще поддерживать постоянную температуру на драйверных транзисторах, очевидно, что будет и гораздо проще поддерживать стабильный выходной ток в составной паре Шиклаи, по сравнению с цепью, использующей пару Дарлингтона.
Это было доказано на практике. Ни один из моих проектов не имеет проблем с термостабильностью, и все биполярные конструкции используют выходной каскад, выполненный на составной паре Шиклаи.

2. Двухтактные выходные каскады.

Три типовые схемы выходных каскадов усилителей мощности показаны на Рис.5. Очевидно, что есть и другие, но они обычно базируются на той или иной комбинации из представленных на рисунке.

Схемы для проверки температурной зависимости Шиклая и Дарлингтона

Рис.5 Три основные схемы выходных каскадов усилителей мощности

Самой старой из представленных схем является первая схема (A) — каскад квазикомплементарной симметрии. Эта схема являлась основной до того момента, как появились комплементарные пары транзисторов разной проводимости.
А как только начался выпуск комплементарных транзисторов, основное распространение получила полностью симметричная конфигурация (B) с использованием пар Дарлингтона. В течение многих лет и до сих пор — этот тип выходного каскада остаётся самым распространённым.
При соответствующем выборе смещения все эти схемы имеют довольно хорошие характеристики искажений, причём пара Шиклаи является лучшей, а квазикомплементарная — худшей.
Все каскады, выполненные в соответствии со схемами, показанными на Рис.5, имеют менее 1% THD при нагрузке 8 Ом (Шиклаи — 0,05%, Дарлингтон — 0,23%, квазикомплементарный — 0,65%).

По причинам, которые я всегда находил неясными и несколько загадочными, я обнаружил, что каждый усилитель, который я проектировал с использованием конфигурации Шиклаи, имел паразитные колебания на отрицательной полуволне.
Добавление конденсатора небольшой ёмкости (обычно 220 пФ), установленного, как показано на схеме, было необходимо каждый раз и полностью устраняло эту проблему.

Составной транзистор (схема Дарлингтона и Шиклаи)

Составной транзистор — электрическое соединение двух или более биполярных транзисторов, полевых транзисторов или IGBT-транзисторов, с целью улучшения их электрических характеристик. К этим схемам относят так называемую пару Дарлингтона, пару Шиклаи, каскодную схему включения транзисторов, схему так называемого токового зеркала и др.

Условное обозначение составного транзистора

Составной транзистор имеет три вывода (база, эмиттер и коллектор), которые эквивалентны выводам обычного одиночного транзистора. Коэффициент усиления по току типичного составного транзистора (иногда ошибочно называемого «супербета»), у мощных транзисторов ≈ 1000 и у маломощных транзисторов ≈ 50000. Это означает, что небольшого тока базы достаточно для того, чтобы составной транзистор открылся.

В отличие от биполярных, полевые транзисторы не используются в составном включении. Объединять полевые транзисторы нет необходимости, так как они и без того обладают чрезвычайно малым входным током. Однако существуют схемы (например, биполярный транзистор с изолированным затвором), где совместно применяются полевые и биполярные транзисторы. В некотором смысле, такие схемы также можно считать составными транзисторами. Так же для составного транзистора достигнуть повышения значения коэффициента усиления можно, уменьшив толщину базы, но это представляет определенные технологические трудности.

Примером супербета (супер-β) транзисторов может служить серия КТ3102, КТ3107. Однако их также можно объединять по схеме Дарлингтона. При этом базовый ток смещения можно сделать равным всего лишь 50 пкА (примерами таких схем служат операционные усилители типа LM111 и LM316).

Darlington основы ldsound_ru (1)

Фото типичного усилителя на составных транзисторах

Схема Дарлингтона

Один из видов такого транзистора изобрёл инженер-электрик Сидни Дарлингтон (Sidney Darlington).

Darlington основы ldsound_ru (2)

Принципиальная схема составного транзистора

Составной транзистор является каскадным соединением нескольких транзисторов, включенных таким образом, что нагрузкой в эмиттере предыдущего каскада является переход база-эмиттер транзистора следующего каскада, то есть транзисторы соединяются коллекторами, а эмиттер входного транзистора соединяется с базой выходного. Кроме того, в составе схемы для ускорения закрывания может использоваться резистивная нагрузка первого транзистора. Такое соединение в целом рассматривают как один транзистор, коэффициент усиления по току которого при работе транзисторов в активном режиме приблизительно равен произведению коэффициентов усиления первого и второго транзисторов:

Покажем, что составной транзистор действительно имеет коэффициент β , значительно больший, чем у его обоих компонентов. Задавая приращение d l б = d l б1 , получаем:

d l э1 = (1 + β1) ∙ d l б = d l б2

d l к = d l к1 + d l к2 = β1 ∙ d l б + β2 ∙ ((1 + β1) ∙ d l б )

Деля d lк на dl б , находим результирующий дифференциальный коэффициент передачи:

Поскольку всегда β >1 , можно считать:

βΣ = β 1 β 1

Следует подчеркнуть, что коэффициенты β 1 и β 1 могут различаться даже в случае однотипных транзисторов, поскольку ток эмиттера Iэ2 в 1 + β2 раз больше тока эмиттера Iэ1 (это вытекает из очевидного равенства Iб2 = Iэ1 ).

Схема Шиклаи

Паре Дарлингтона подобно соединение транзисторов по схеме Шиклаи, названное так в честь его изобретателя Джорджа Шиклаи, также иногда называемое комплементарным транзистором Дарлингтона. В отличие от схемы Дарлингтона, состоящей из двух транзисторов одного типа проводимости, схема Шиклаи содержит транзисторы разной полярности ( p – n – p и n – p – n ). Пара Шиклаи ведет себя как n – p – n -транзистор c большим коэффициентом усиления. Входное напряжение — это напряжение между базой и эмиттером транзистора Q1, а напряжение насыщения равно, по крайней мере, падению напряжения на диоде. Между базой и эмиттером транзистора Q2 рекомендуется включать резистор с небольшим сопротивлением. Такая схема применяется в мощных двухтактных выходных каскадах при использовании выходных транзисторов одной полярности.

Darlington основы ldsound_ru (5)

Каскад Шиклаи, подобный транзистору с n – p – n переходом

Каскодная схема

Составной транзистор, выполненный по так называемой каскодной схеме, характеризуется тем, что транзистор VT1 включен по схеме с общим эмиттером, а транзистор VT2 — по схеме с общей базой. Такой составной транзистор эквивалентен одиночному транзистору, включенному по схеме с общим эмиттером, но при этом он имеет гораздо лучшие частотные свойства и большую неискаженную мощность в нагрузке, а также позволяет значительно уменьшить эффект Миллера (увеличение эквивалентной ёмкости инвертирующего усилительного элемента, обусловленное обратной связью с выхода на вход данного элемента при его выключении).

Достоинства и недостатки составных транзисторов

Высокие значения коэффициента усиления в составных транзисторах реализуются только в статическом режиме, поэтому составные транзисторы нашли широкое применение во входных каскадах операционных усилителей. В схемах на высоких частотах составные транзисторы уже не имеют таких преимуществ — граничная частота усиления по току и быстродействие составных транзисторов меньше, чем эти же параметры для каждого из транзисторов VT1 и VT2.

Достоинства:

а) Высокий коэффициент усиления по току.

б) 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.

а) 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.

Читайте также  ПИТАНИЕ СВЕТОДИОДНОЙ ЛЕНТЫ

б) 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 (не может быть меньше, чем удвоенное падение напряжения на p-n переходе).

в) Большое напряжение насыщения коллектор-эмиттер, для кремниевого транзистора около 0,9 В (по сравнению с 0,2 В у обычных транзисторов) для маломощных транзисторов и около 2 В для транзисторов большой мощности (не может быть меньше чем падение напряжения на p-n переходе плюс падение напряжения на насыщенном входном транзисторе).

Применение нагрузочного резистора R1 позволяет улучшить некоторые характеристики составного транзистора. Величина резистора выбирается с таким расчётом, чтобы ток коллектор-эмиттер транзистора VT1 в закрытом состоянии создавал на резисторе падение напряжения, недостаточное для открытия транзистора VT2. Таким образом, ток утечки транзистора VT1 не усиливается транзистором VT2, тем самым уменьшается общий ток коллектор-эмиттер составного транзистора в закрытом состоянии. Кроме того, применение резистора R1 способствует увеличению быстродействия составного транзистора за счёт форсирования закрытия транзистора VT2. Обычно сопротивление R1 составляет сотни Ом в мощном транзисторе Дарлингтона и несколько кОм в малосигнальном транзисторе Дарлингтона. Примером схемы с эмиттерным резистором служит мощный n-p-n — транзистор Дарлингтона типа кт825, его коэффициент усиления по току равен 10000 (типичное значение) для коллекторного тока, равного 10 А.

Составной транзистор дарлингтона работа и устройство

При проектировании радиоэлектронных схем часто бывают ситуации, когда желательно иметь транзисторы с параметрами лучше тех, которые предлагают производители радиоэлементов. В некоторых случаях нам может потребоваться больший коэффициент усиления по току h21, в других большее значение входного сопротивления h11, а в третьих более низкое значение выходной проводимости h22. Для решения перечисленных проблем отлично подходит вариант использования электронного компонента о котором мы поговорим ниже.

Устройство составного транзистора и обозначение на схемах

Приведенная чуть ниже схема эквивалентна одиночному n-p-n полупроводнику. В данной схеме ток эмиттера VT1 является током базы VT2. Коллекторный ток составного транзистора определяется в основном током VT2.

Это два отдельных биполярных транзистора на выполненные на одном кристалле и в одном корпусе. Там же и размещается нагрузочный резистор в цепи эмиттера первого биполярного транзистора. У транзистора Дарлингтона те же выводы, что и у стандартного биполярного транзистора – база, коллектор и эмиттер.

Как видим из рисунка выше, стандартный составной транзистор это комбинация из нескольких транзисторов. В зависимости от уровня сложности и рассеиваемой мощности в составе транзистора Дарлингтона может быть и более двух.

Основное плюсом составного транзистора является значительно больший коэффициент усиления по току h21, который можно приблизительно вычислить по формуле как произведение параметров h21 входящих в схему транзисторов.

Так если коэффициент усиления первого равен 120, а второго 60 то общий коэффициент усиления схемы Дарлингтона равен произведению этих величин — 7200.

Но учитывайте, что параметр h21 достаточно сильно зависит от коллекторного тока. В случае когда базовый ток транзистора VT2 достаточно низок, коллекторного VT1 может не хватить для обеспечения нужного значения коэффициента усиления по току h21. Тогда увеличением h21 и, соответственно, снижением тока базы составного транзистора можно добиться роста тока коллектора VT1. Для этого между эмиттером и базой VT2 включают дополнительное сопротивление, как показано на схеме ниже.

Вычислим элементы для схемы Дарлингтона, собранной, например на биполярных транзисторах BC846A, ток VT2 равен 1 мА. Тогда его ток базы определим из выражения:

При таком малом токе в 5 мкА коэффициент h21 резко снижается и общий коэффициент может оказаться на порядок меньше расчетного. Увеличив ток коллектора первого транзистора при помощи добавочного резистора можно значительно выиграть в значении общего параметра h21. Так как напряжение на базе является константой (для типового кремниевого трех выводного полупроводника uбэ = 0,7 В), то сопротивление можно рассчитать по закону Ома:

При этом мы можем рассчитывать на коэффициент усиления по току до 40000. Именно по такой схеме построены многие супербетта транзисторы.

Добавив дегтя упомяну, что данная схема Дарлингтона обладает таким существенным недочетом, как повышенное напряжение Uкэ. Если в обычных транзисторах напряжение составляет 0,2 В, то в составном транзисторе оно возрастает до уровня 0,9 В. Это связано с необходимостью открывать VT1, а для этого на его базу необходимо подать напряжение уровнем до 0,7 В (если при изготовлении полупроводника использовался кремний).

В результате чтоб исключить упомянутый недостаток, в классическую схему внесли незначительные изменения и получили комплементарный транзистор Дарлингтона. Такой составной транзистор составлен из биполярных приборов, но уже разной проводимости: p-n-p и n-p-n.

Российские, да и многие зарубежные радиолюбители такое соединение называют схемой Шиклаи, хотя эта схема называлась парадоксной парой.

Типичными минусом составных транзисторов, ограничивающими их применение является невысокое быстродействие, поэтому они нашли широкое использование только в низкочастотных схемах. Они прекрасно работают в выходных каскадах мощных УНЧ, в схемах управления двигателями и устройствами автоматики, в схемах зажигания автомобилей.

На принципиальных схемах составной транзистор обозначается как обычный биполярный. Хотя, редко, но используется такое условно графическое изображение составного транзистора на схеме.

Одной из самых распространенных считается интегральная сборка L293D — это четыре токовых усилителя в одном корпусе. Кроме того микросборку L293 можно определить как четыре транзисторных электронных ключа.

Выходной каскад микросхемы состоит из комбинации схем Дарлингтона и Шиклаи.

Кроме того уважение у радиолюбителей получили и специализированные микросборки на основе схемы Дарлингтона. Например ULN2003A. Эта интегральная схема по своей сути является матрицей из семи транзисторов Дарлингтона. Такие универсальные сборки отлично украшают радиолюбительские схемы и делают их более функциональными.

ULN2004 Микросхема является семи канальным коммутатор мощных нагрузок на базе составных транзисторов Дарлингтона с открытым коллектором. Коммутаторы содержат защитные диоды, что позволяет коммутировать индуктивные нагрузки, например обмотку реле. Коммутатор ULN2004 необходим при сопряжения мощных нагрузок с микросхемами КМОП-логики.

Зарядный ток через батарею в зависимости от напряжения на ней (прикладываемого к Б-Э переходу VT1), регулируется транзистором VT1, коллекторным напряжением которого управляется индикатор заряда на светодиоде (по мере зарядки ток заряда уменьшается и светодиод постепенно гаснет) и мощный составной транзистор, содержащий VT2, VT3, VT4.

Сигнал требующий усиления через предварительный УНЧ подается на предварительный дифферециальный усилительный каскад построенный на составных VT1 и VT2. Использование дифференциальной схемы в усилительном каскаде, снижает шумовые эффекты и обеспечивает работу отрицательной обратной связи. Напряжение ОС поступает на базу транзистора VT2 с выхода усилителя мощности. ОС по постоянному току реализуется через резистор R6.

В момент включения генератора конденсатор С1 начинает заряжаться, затем открывается стабилитрон и сработает реле К1. Конденсатор начинает разряжаться через резистор и составной транзистор. Через небольшой промежуток времени реле выключается и начинается новый цикл работы генератора.

Составные транзисторы

Для того чтобы без уменьшения усиления существенно увеличить входное сопротивление схемы, применяют составные транзисторы. Составной транзистор образуется соединением двух и более транзисторов, рассматриваемых как единое целое. Составные транзисторы применяются в электронной аппаратуре на дискретных элементах, но наибольшее распространение они получили в ИМС, где их используют для двух основных целей: повышение коэффициента усиления базового тока основных «-^-«-транзисторных структур и повышение коэффициента усиления тока /?-«-/>-горизонтальных структур транзисторов ИМС.

Составными транзисторами называются транзисторы, включенные непосредственно между собой двумя электродами, где выходной электрод одного транзистора соединен с входным электродом второго. Составной транзистор обычно имеет три электрода и его можно рассматривать как транзистор, обладающий соответствующими электрическими параметрами.

Для максимального усиления тока базы применяют схему, в которой транзисторы соединены по схеме с общим коллектором. Схему собирают на одноструктурных транзисторах р-п-р- или «-/7-«-типа, в которой эмиттер одного транзистора соединен с базой другого транзистора (рис. 13.10, а). Схема обладает очень высоким коэффициентом усиления — несколько тысяч. В схеме ток /Э1

Схемы составных транзисторов

Рис. 13.10. Схемы составных транзисторов: а — пара Дарлингтона; б — комплементарная пара

эмиттера VT1 является током базы VT2, поэтому выходной ток

Коэффициент усиления по току составляет Ki = ^2131 ^2132- Транзисторы VT1 и VT2 в схеме работают в разных режимах. Ток /Э2 превышает /Э1 (почти в Л2|Э2 Р аз )- Д ля выравнивания токов (повышения тока /Э1) параллельно эмиттерному переходу VT2 включают резистор R (рис. 13.10, б), однако при этом несколько снижаются входное сопротивление и коэффициент усиления по току составного транзистора.

Входное сопротивление составного транзистора определяется по формуле

Значения ?/БЭ1 и иЪЭ2 получаем из формулы ?/БЭ1 = ^BXi^gl и ^БЭ2 = ^вх2^Б2- При включении параллельно эмиттерному переходу VT2 резистора R напряжение, определяемое по формуле

существенно уменьшается, что приводит к уменьшению RBX при включении R в схему составного транзистора. Однако входное сопротивление составного транзистора значительно превышает аналогичное сопротивление образующих его одиночных транзисторов

Составной транзистор можно построить и на комплементарной паре — сочетание транзисторовр-п-р- и я-/ья-структур (рис. 13.10, б). Такой транзистор называется также композитивным составным транзистором. Как видно из направлений результирующих токов, вся структура композитивного составного транзистора относится к р-п-р-типу, в которой транзистор VT1 включен по схеме с ОК, а транзистор VT2 — по схеме с ОЭ.

Читайте также  Схема подключения испытательной коробки с трансформаторами тока

Рассматривая схему относительно транзистора, определяющего его структуру, т.е. транзистора VT1, включенного по схеме с ОК, обнаруживаем, что все напряжение с выхода схемы подается на вход (рис. 13.11, а) в противофазе с входным сигналом, подводимым на вход в цепь базы. Следовательно, в схеме действует 100 %-ная последовательная ООС по напряжению.

Последовательная обратная связь называется так потому, что при отключении U напряжение UQC не будет подано на вход схемы. Поскольку при коротком замыкании резистора нагрузки RH напряжение UQC исчезает, то по выходу эта обратная связь создается по напряжению. Из-за глубокой ООС входное сопротивление велико, так как при увеличении UBX увеличивается и ток /э, что увеличивает UQC. Напряжение UQC создает обратное смещение на эмиттерном переходе VT1. В результате уменьшается прямое смещение на эмиттерном переходе VT1 и увеличивается сопротивление эмиттерного перехода, т.е. входное сопротивление оказывается очень большим.

Включение составного транзистора — комплементарная пара по схеме с ОК

Рис. 13.11. Включение составного транзистора — комплементарная пара по схеме с ОК: а — р-п-р-типа; б — п-р-п-типа

За счет параллельного включения в выходной цепи дифференциальных сопротивлений эмиттерного и коллекторного переходов (‘диф Э и г диф к) транзистора VT1, объемного сопротивления базы (гБ) с дифференциальным сопротивлением коллекторного перехода (/*диф к) VT2 выходное сопротивление составного транзистора резко уменьшается по сравнению с одиночным аналогичным транзистором.

Композитивный составной транзистор может имеет также структуру п-р-п (рис. 13.11, б), принцип действия которой аналогичен принципу действия структуры р-п-р, но он более быстродействующий. Резистор, шунтирующий эмиттерный переход VT2, так же как и в схеме на рис. 13.11, б, предназначен для выравнивания токов транзисторов VT1 и VT2.

Композитивные транзисторы применяются, когда не удается подобрать выходной транзистор требуемой мощности и определенной электропроводности, а имеются подходящие транзисторы с электропроводностью другого типа. Составной и композитивный составной транзисторы имеют разные коэффициенты усиления, но различие между ними небольшое, поэтому приведенные схемы часто используются в составе одного каскада.

Таким образом, с помощью составных транзисторов решаются следующие задачи: повышение коэффициента усиления схемы по току с использованием мощных транзисторов; повышение входного сопротивления; уменьшение выходного сопротивления; уменьшение тока базы при переходе к большим токам нагрузки; стабильность коэффициента усиления по напряжению, близкого к единице. Увеличение входного сопротивления позволяет использовать составные транзисторы в схемах эмиттерных повторителей, применяемых во входных и выходных каскадах, при согласовании каскадов между собой в схемах многокаскадных усилителей. Из-за большого входного сопротивления эмиттерный повторитель на составном транзисторе можно использовать как непосредственную связь, исключающую проход постоянной составляющей от источника сигнала в схему усиления переменного сигнала, что исключает необходимость применения емкостной и трансформаторной связей в ИМС.

В ИМС применяются и более сложные варианты схем составного транзистора — каскодные схемы. По цепи питания транзис-

торы в каскодной схеме могут быть соединены последовательно и параллельно.

Каскодная последовательная схема составного транзистора /?-/7-/?-типа

Рис. 13.12. Каскодная последовательная схема составного транзистора /?-/7-/?-типа

В каскодной схеме (рис. 13.12) на транзисторах одной структуры входной транзистор VT1 включен по схеме с ОЭ, а выходной VT2 — по схеме с ОБ. Базовый конденсатор СБ осуществляет связь базы VT2 с эмиттером VT1 по переменному току. По постоянному току транзисторы включены последовательно. Выходной сигнал снимается с транзистора VT2.

Схема включения составного транзистора кас- кодного типа

Рис. 13.13. Схема включения составного транзистора кас- кодного типа

Для получения большого выходного напряжения транзистор VT2 выбирают с рабочим высоким напряжением коллектор-база. Транзистор VT1 выбирают с малым напряжением коллектор—эмиттер. В этом случае на каждый транзистор подают самостоятельно напряжение смещения фиксированным напряжением делителя (рис. 13.13).

В данной схеме входное сопротивление каскодной схемы определяется входным сопротивлением первого каскада /*11Э1 = гвх и не зависит от сопротивления нагрузки, что указывает о малой связи между выходом и входом по постоянному току. Это достигается тем, что VT1 нагружен на малое входное сопротивление VT2, включенного по схеме с ОБ. При этом VT1 работает в режиме усилителя тока. Коэффициент усиления VT1 по напряжению мал, поэтому мало и напряжение ОС, поступающее с выхода на вход VT1. Транзистор VT2 за счет включения по схеме с ОБ уменьшает внутреннюю ОС в 100—1000 раз, что дает возможность достичь большого и устойчивого коэффициента усиления. Аналогично может быть построена каскодная схема на транзисторах п-р-п-тмш..

Широкое распространение получили комбинированные каскодные схемы на биполярных и полевых транзисторах (рис. 13.14). В такой схеме при сохранении всех достоинств кас- кодной схемы происходит повышение входного сопротивления благодаря выполнению входного плеча на полевом транзисторе.

Комбинированная каскодная схема составного транзистора

Рис. 13.14. Комбинированная каскодная схема составного транзистора

Каскодная параллельная схема составного транзистора

Рис. 13.15. Каскодная параллельная схема составного транзистора

Каскодные схемы с последовательным включением транзисторов по постоянному току, предназначены для включения каскада в усилителе по схеме с ОЭ или с ОИ, так как входной транзистор включен по аналогичной схеме в каскаде.

Параллельные каскодные схемы (рис. 13.15) обладают аналогичными параметрами, как и последовательные, но они более сложны по построению и применяются редко. Напряжение на коллекторные цепи транзисторов в этих схемах подается отдельно для каждого транзистора. Для разделения по постоянной составляющей между коллектором транзистора VT1 и эмиттером VT2 устанавливается разделительный конденсатор Ср.

Каскодные схемы нашли широкое применение в ИМС, где требуется стабильность большого коэффициента усиления и высокого входного сопротивления при изменении сопротивления нагрузки.

Особенности работы и схема транзистора дарлингтона

Составной транзистор Дарлингтона компонуется из пары стандартны транзисторов, объединённых кристаллом и общим защитным покрытием. Обычно на чертежах для отметки положения подобного транзистора не применяют никаких специальных символов, только тот, которым отмечают транзисторы стандартного типа.

Транзистор Дарлингтона

К эмиттерной цепи одного из элементов присоединён нагрузочный резистор. Выводы транзистора Дарлингтона аналогичны биполярному полупроводниковому триоду:

  • база;
  • эмиттер;
  • коллектор.

Помимо общепринятого варианта составного транзистора существует несколько его разновидностей.

Пара Шиклаи и каскодная схема

Другое название составного полупроводникового триода – пара Дарлингтона. Кроме неё существует также пара Шиклаи. Это сходная комбинация диады основных элементов, которая отличается тем, что включает в себя разнотипные транзисторы.

Что до каскодной схемы, то это также вариант составного транзистора, в котором один полупроводниковый триод включается по схеме с ОЭ, а другой по схеме с ОБ. Такое устройство аналогично простому транзистору, который включён в схему с ОЭ, но обладающему более хорошими показателями по частоте, высоким входным сопротивлением и большим линейным диапазоном с меньшими искажениями транслируемого сигнала.

Достоинства и недостатки составных транзисторов

Мощность и сложность транзистора Дарлингтона может регулироваться через увеличение количества включённых в него биполярных транзисторов. Существует также IGBT-транзистор, который включает в себя биполярный и полевой транзистор, используется в сфере высоковольтной электроники.

Главным достоинством составных транзисторов считается их способность давать большой коэффициент усиления по току. Дело в том, что, если коэффициент усиления у каждого из двух транзисторов будет по 60, то при их совместной работе в составном транзисторе общий коэффициент усиления будет равен произведению коэффициентов входящих в его состав транзисторов (в данном случае — 3600). Как результат — для открытия транзистора Дарлингтона потребуется довольно небольшой ток базы.

Недостатком составного транзистора считается их низкая скорость работы, что делает их пригодными для использования только в схемах работающих на низких частотах. Зачастую составные транзисторы фигурируют как компонент выходных каскадов мощных низкочастотных усилителей.

Особенности работы устройства

У составных транзисторов постепенное уменьшение напряжения вдоль проводника на переходе база-эмиттер вдвое превышает стандартное. Уровень уменьшения напряжения на открытом транзисторе примерно равен тому падению напряжения, которое имеет диод.

По данному показателю составной транзистор сходен с понижающим трансформатором. Но относительно характеристик трансформатора транзистор Дарлингтона обладает гораздо большим усилением по мощности. Подобные транзисторы могут обслуживать работу переключателей частотой до 25 Гц.

Система промышленного выпуска составных транзисторов налажена таким образом, что модуль полностью укомплектован и оснащён эмиттерным резистором.

Как проверить транзистор Дарлингтона

Самый простой способ проверки составного транзистора заключается в следующем:

  • Эмиттер подсоединяется к «минусу» источника питания;
  • Коллектор подсоединяется к одному из выводов лампочки, второй её вывод перенаправляется на «плюс» источника питания;
  • Посредством резистора к базе передаётся плюсовое напряжение, лампочка светится;
  • Посредством резистора к базе передаётся минусовое напряжение, лампочка не светится.

Если всё получилось так, как описано, то транзистор исправен.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта , буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: