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).
Фото типичного усилителя на составных транзисторах
Один из видов такого транзистора изобрёл инженер-электрик Сидни Дарлингтон (Sidney Darlington).
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:
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 ).
Каскад Шиклаи, подобный транзистору с n – p – n переходом
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.
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.
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. 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 0 С – 135 W;
Температура кристалла (перехода) – 175 0 С.
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.
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.
Вот «кусочек» схемы выходного каскада микросхемы L293D, взятого из её даташита (справочного листа).
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.
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СОСТАВНОГО ТРАНЗИСТОРА
Теория работы составного транзистора (СТ)
Для получения основных параметров СТ следует задаться моделью самого биполярного транзистора (БТ) для низких частот на рис. 1а.
Рис. 1. Варианты схемы замещения БТ n-p-n
Первичных расчётных параметра всего два: коэффициент усиления по току и входное сопротивление транзистора. Получив их, для конкретной схемы по известным формулам можно рассчитать коэффициент усиления по напряжению, входное и выходное сопротивления каскада.
Схемы замещения составных транзисторов Дарлингтона (СТД) и Шиклаи (СТШ) приведены на рис. 2, готовые формулы для расчёта параметров – в табл. 1.
Таблица 1 – Формулы для расчёта параметров СТ
Здесь rэ – сопротивление эмиттера, вычисляемое по формуле:
Рис. 2 Варианты составных транзисторов
можно поставить резистор номиналом 680 Ом.
Шунтирующее действие Rдоп снижает параметры СТ, поэтому в микросхемах и иных навороченных схемах его заменяют источником тока.
Как видно из формул в табл. 1, усиление и входное сопротивление СТД больше, чем у СТШ. Однако последний имеет свои преимущества:
Практика работы составного транзистора
На рис. 3 показаны три варианта построения выходного каскада (эмиттерный повторитель). При подборе транзисторов надо стремится к b1
На рис. 4 показаны два параметрических стабилизатора. Выходное напряжение для варианта с СТД равно:
Поскольку Uбэ гуляет в зависимости от температуры и коллекторного тока, то у схемы с СТД разброс выходного напряжения будет больше, а потому вариант с СТШ предпочтительней.
Рис. 3. Варианты выходных эмиттерных повторителей на СТ
Рис. 4. Применение СТ в качестве регулятора в линейном стабилизаторе
В линейных цепях можно использовать любые подходящие комбинации транзисторов. Автору встречалась бытовая советская техника, в которой использовались СТШ на парах КТ315+КТ814 и КТ3107+КТ815 (хотя принято /КТ361 и КТ3102/КТ3107). В качестве комплементарной пары можно взять C945 и A733, часто встречающиеся в старых компьютерных БП.
Для коммутации электромеханических приводов и, тем более, в импульсных схемах следует использовать готовые СТ с нормированными параметрами включения и выключения, паразитными ёмкостями. Типичный пример – широко распространённые импортные комплементарные СТД серии TIP12х. Автор: Пентагрид.
Как самому можно сделать составной транзистор. Особенности работы и схема транзистора дарлингтона. Практика работы составного транзистора
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.
К эмиттерной цепи одного из элементов присоединён нагрузочный резистор. Выводы транзистора Дарлингтона аналогичны биполярному полупроводниковому триоду:
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
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:
Если всё получилось так, как описано, то транзистор исправен.
В интегральных схемах и дискретной электронике большое распространение получили два вида составных транзисторов: по схеме Дарлингтона и Шиклаи. В микромощных схемах, например, входные каскады операционных усилителей, составные транзисторы обеспечивают большое входное сопротивление и малые входные токи. В устройствах, работающих с большими токами (например, для стабилизаторов напряжения или выходных каскадов усилителей мощности) для повышения КПД необходимо обеспечить высокий коэффициент усиления по току мощных транзисторов.
Схема Шиклаи реализует мощный p-n-p транзистор с большим коэффициентом усиления с помощью маломощного p-n-p транзистора с малым В и мощного n-p-n транзистора (рисунок 7.51 ). В интегральных схемах это включение реализует высокобетный p-n-p транзистор на основе горизонтальных p-n-p транзистора и вертикального n-p-n транзистора. Также эта схема применяется в мощных двухтактных выходных каскадах, когда используются выходные транзисторы одной полярности (n-p-n ).
 |
Схема Шиклаи или комплементарный транзистор Дарлингтона ведет себя, как транзистор p-n-p типа (рисунок 7.51 ) с большим коэффициентом усиления по току,
Входное напряжение идентично одиночному транзистору. Напряжение насыщения выше, чем у одиночного транзистора на величину падения напряжения на эмиттерном переходе n-p-n транзистора. Для кремниевых транзисторов это напряжение составляет порядка одного вольта в отличие от долей вольта одиночного транзистора. Между базой и эмиттером n-p-n транзистора (VT2) рекомендуется включать резистор с небольшим сопротивлением для подавления неуправляемого тока и повышения термоустойчивости.
Транзистор Дарлингтона реализуется на однополярных транзисторах (рисунок 7.52 ). Коэффициент усиления по току определяется произведением коэффициентов составляющих транзисторов.
Входное напряжение транзистора по схеме Дарлингтона в два раза больше, чем у одиночного транзистора. Напряжение насыщения превышает выходного транзистора. Входное сопротивление операционного усилителя при
.
Схема Дарлингтона используется в дискретных монолитных импульсных транзисторах. На одном кристалле формируются два транзистора, два шунтирующих резистора и защитный диод (рисунок 7.53 ). Резисторы R 1 и R 2 подавляют коэффициент усиления в режиме малых токов, (рисунок 7.38 ), что обеспечивает малое значение неуправляемого тока и повышение рабочего напряжения закрытого транзистора,
 |
 |
Для получения основных параметров СТ следует задаться моделью самого биполярного транзистора (БТ) для низких частот на рис. 1а.
Рис. 1. Варианты схемы замещения БТ n-p-n
Первичных расчётных параметра всего два: коэффициент усиления по току и входное сопротивление транзистора. Получив их, для конкретной схемы по известным формулам можно рассчитать коэффициент усиления по напряжению, входное и выходное сопротивления каскада.
Рис. 2 Варианты составных транзисторов
можно поставить резистор номиналом 680 Ом.
Шунтирующее действие Rдоп снижает параметры СТ, поэтому в микросхемах и иных навороченных схемах его заменяют источником тока.
Как видно из формул в табл. 1, усиление и входное сопротивление СТД больше, чем у СТШ. Однако последний имеет свои преимущества:
Практика работы составного транзистора
На рис. 3 показаны три варианта построения выходного каскада (эмиттерный повторитель). При подборе транзисторов надо стремится к b1
На рис. 4 показаны два параметрических стабилизатора. Выходное напряжение для варианта с СТД равно:
Поскольку Uбэ гуляет в зависимости от температуры и коллекторного тока, то у схемы с СТД разброс выходного напряжения будет больше, а потому вариант с СТШ предпочтительней.
Рис. 3. Варианты выходных эмиттерных повторителей на СТ
Рис. 4. Применение СТ в качестве регулятора в линейном стабилизаторе
В линейных цепях можно использовать любые подходящие комбинации транзисторов. Автору встречалась бытовая советская техника, в которой использовались СТШ на парах КТ315+КТ814 и КТ3107+КТ815 (хотя принято /КТ361 и КТ3102/КТ3107). В качестве комплементарной пары можно взять C945 и A733, часто встречающиеся в старых компьютерных БП.
Обсудить статью ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СОСТАВНОГО ТРАНЗИСТОРА
Рис. 1.24. Замена полевыми транзисторами составного транзистора по
После такой несложной доработки, т.е. замены узлов в электрических схемах, универсального применения, тока на транзисторах VT1, VT2 не выходит из строя даже при 10-кратной и более перегрузке по напряжению. Причем ограничительного резистора в цепи затвора VT1 также увеличивается в несколько раз. Это приводит к тому, что имеют более высокое входное и, как следствие, выдерживают перегрузки при импульсном характере управления данным электронным узлом.
Коэффициент усиления по току полученного каскада не менее 50. Увеличивается прямо пропорционально увеличению напряжения питания узла.
Так же как и в предыдущем варианте (Рис. 1.24), включают параллельно.
Цоколевка полевых транзисторов в микросхеме 1014КТ1А…В
Буквально сразу после появления полупроводниковых приборов, скажем, транзисторов, они стремительно начали вытеснять электровакуумные приборы и, в частности, триоды. В настоящее время транзисторы занимают ведущее положение в схемотехнике.
Начинающему, а порой и опытному радиолюбителю-конструктору, не сразу удаётся найти нужное схемотехническое решение или разобраться в назначении тех или иных элементов в схеме. Имея же под рукой набор «кирпичиков» с известными свойствами гораздо легче строить «здание» того или другого устройства.
Не останавливаясь подробно на параметрах транзистора (об этом достаточно написано в современной литературе, например, в ), рассмотрим лишь отдельные свойства и способы их улучшения.
Оказывается, параллельное включение транзисторов полезно не только для увеличения мощности при усилении больших сигналов, но и для уменьшения шума при усилении слабых. Уровень шумов уменьшается пропорционально корню квадратному из количества параллельно включённых транзисторов.
Для защиты от обратного напряжения параллельно выводам эмиттер-коллектор обычно включают диод, как, например, в составных транзисторах типа КТ825, КТ827.
При работе транзистора в ключевом режиме, когда требуется быстрое его переключение из открытого состояния в закрытое и обратно, иногда применяют форсирующую RC-цепочку (). В момент открывания транзистора заряд конденсатора увеличивает его базовый ток, что способствует сокращению времени включения. Напряжение на конденсаторе достигает падения напряжения на базовом резисторе, вызванного током базы. В момент закрывания транзистора конденсатор, разряжаясь, способствует рассасыванию неосновных носителей в базе, сокращая время выключения.
Мощный составной транзистор с напряжением насыщения около 1,5 В изображён на рис.24. Мощность транзистора может быть значительно увеличена путём замены транзистора VT3 на составной транзистор ().
Аналогичные рассуждения можно привести и для транзистора p-n-p типа, а также полевого транзистора с каналом p-типа. При использовании транзистора в качестве регулирующего элемента или в ключевом режиме возможны два варианта включения нагрузки: в цепь коллектора () или в цепь эмиттера ().
1. Увеличение мощности транзистора.
Резисторы в цепях эмиттеров нужны для равномерного распределения нагрузки; уровень шумов уменьшается пропорционально квадратному корню из количества параллельно включённых транзисторов.
2. Защита от перегрузки по току.
Недостаток-снижение КПД из-за наличия датчика тока R.
3. Составной транзистор с высоким выходным сопротивлением.
Из-за каскодного включения транзисторов значительно уменьшен эффект Миллера.
4. Защита транзистора от глубокого насыщения.
Предотвращение прямого смещения перехода база-коллектор с помощью диода Шоттки.
