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).
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.
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.
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
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.
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.
Что такое транзистор Дарлингтона
На современном рынке доступны самые разнообразные транзисторы Дарлингтона, которые различаются по проводимости, току коллектора, мощности рассеяния, типу корпуса, максимальному напряжению CE и т. д.
Эти транзисторы встречаются в различных типах устройств, таких как регуляторы мощности, контроллеры двигателя, аудиоусилители и т. д. Многие оптико-изоляторные схемы изготавливаются на транзисторах Дарлингтона, чтобы иметь высокую токовую нагрузку на выходном каскаде.
Почему мы используем транзистор Дарлингтона?
Как известно, для перевода транзистора в режим проводимости требуется небольшой базовый ток в схеме с общим эмиттером. Иногда этого малого тока базы (коэффициент усиления по току) может быть недостаточно, чтобы перевести транзистор в состояние проводимости.
Коэффициент усиления по току или бета транзистора — это отношение тока коллектора к току базы.
Коэффициент усиления транзистора или коэффициент усиления по току (β) = ток нагрузки или коллектора / входной или базовый ток.
Ток нагрузки = коэффициент усиления по току (β) × базовый ток
Для обычного транзистора значение β составляет примерно 100. Приведенное выше соотношение говорит о том, что ток нагрузки превышает в 100 раз базовый ток транзистора.
Рассмотрим схематичный рисунок, приведенный ниже. Здесь транзистор с переменным резистором, подключенным между источником питания и базой транзистора, используется для изменения яркости лампы.
В этой схеме базовый ток является единственным фактором, который определяет ток, протекающий через коллектор — эмиттер. Таким образом, изменяя сопротивление переменного резистора, можно добиться изменения яркости свечения лампы.
Если значение сопротивления переменного резистора больше, то базовый ток уменьшается — транзистор выключается. Когда сопротивление слишком мало, достаточное количество тока будет протекать через базу, что приведет к увеличению тока коллектор-эмиттер, соответственно лампа будет светить ярче. Это усиление тока в транзисторе.
В приведенном выше примере мы видели управление нагрузкой (лампой) с использованием одного транзистора. Но в некоторых схемах входной базовый ток от источника может быть недостаточным для управления нагрузкой. Мы знаем, что величина тока, протекающего через коллектор-эмиттер, является произведением тока базы и коэффициента усиления транзистора.
Поскольку увеличение тока от источника невозможно, единственный способ увеличить ток нагрузки — это увеличить коэффициент усиления транзистора. Но для каждого транзистора это постоянный коэффициент. Однако мы можем увеличить усиление, используя комбинацию из двух транзисторов. Эта конфигурация называется конфигурацией Дарлингтона.
Транзистор Дарлингтона представляет собой соединение двух транзисторов определенным образом. Пара биполярных транзисторов обеспечивает очень высокое усиление тока по сравнению с одним стандартным транзистором, как упомянуто выше.
Пара этих транзисторов может быть PNP или NP. На рисунке ниже показана конфигурация пары Дарлингтона с NPN, а также с транзисторами PNP.
Конфигурации транзисторов Дарлингтона
Рассмотрим конфигурацию NPN транзистора Дарлингтона. В этом случае очень маленький базовый ток вызывает протекание большого тока эмиттера, который затем подается на базу следующего транзистора.
Усиленный ток в первом транзисторе снова усиливается вторым транзистором. Следовательно, ток коллектор-эмиттер второго транзистора становиться значительным.
Предположим, что если коэффициент усиления по току первого транзистора равен β1, а коэффициент усиления по току второго транзистора равен β2, то общий коэффициент усиления по току транзисторов будет равен произведению β1 и β2. Если взять два транзистора с β равным 100, то общее усиление тока составит 10000. Это значение очень высокое по сравнению с одним транзистором, поэтому этот высокий коэффициент усиления по току дает высокий ток нагрузки.
Как правило, для включения транзистора базовое входное напряжение должно быть больше 0,7 В. Поскольку в этой конфигурации используются два транзистора, базовое напряжение должно быть не менее 1,4 В.
Из рисунка, усиление тока первого транзистора
Аналогично, коэффициент усиления по току следующего транзистора
базовый ток второго транзистора
Подставляя в вышеприведенное уравнение
Пара Дарлингтона
Составной транзистор (транзистор Дарлингтона) — объединение двух или более биполярных транзисторов с целью увеличения коэффициента усиления по току.
Составной транзистор является каскадным соединением нескольких транзисторов, включенных по схеме с общим коллектором. Нагрузкой предыдущего каскада является переход база-эмиттер транзистора следующего каскада, то есть транзисторы соединяются коллекторами, а эмиттер входного транзистора соединяется с базой выходного. Кроме того, может использоваться нагрузка в виде резистора. Такое соединение рассматривают как один транзистор, коэффициент усиления по току которого при работе транзисторов в активном режиме приблизительно равен произведению коэффициентов усиления первого и второго транзисторов:
Составной транзистор имеет три вывода (база, эммитер и коллектор), которые эквивалентны выводам обычного одиночного транзистора. Коэффициент усиления по току типичного составного транзистора у мощных транзисторов равен ~1000 и у маломощных транзисторов ~50000. Это означает, что небольшого тока базы достаточно для того, чтобы составной транзистор открылся.
Достоинства составного транзистора:
- Высокий коэффициент усиления по току.
Недостатками составного транзистора:
- Низкое быстродействие, особенно перехода из открытого состояния в закрытое. По этой причине составные транзисторы используются преимущественно в низкочастотных ключевых и усилительных схемах.
- Прямое падение напряжения на переходе база-эмиттер 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).
- Большое напряжение насыщения коллектор-эмиттер, для кремниевого транзистора около 0.9 В (по сравнению с 0.2 у обычных транзисторов) для маломощных транзисторов и около 2 В для транзисторов большой мощности (не может быть меньше, 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 напряжение, 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.
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
Электроника
| Пассивные твердотельные |
Резистор · Переменный резистор · Подстроечный резистор · Варистор · Конденсатор · Индуктивность · Кварцевый резонатор · Предохранитель · Самовосстанавливающийся предохранитель · Трансформатор |
| Активные твердотельные |
Диод · Светодиод · Фотодиод · Полупроводниковый лазер · Диод Шоттки · Стабилитрон · Стабистор · Варикап · Вариконд · Диодный мост · Лавинно-пролётный диод · Туннельный диод · Диод Ганна
Транзистор · Биполярный транзистор · Полевой транзистор · КМОП-транзистор · Однопереходный транзистор · Фототранзистор · Составной транзистор
Интегральная схема · Цифровая интегральная схема · Аналоговая интегральная схема
Тиристор · Симистор · Динистор |
| Пассивные вакуумные |
Бареттер |
| Активные вакуумные и газоразрядные |
Электронная лампа · Электровакуумный диод · Триод · Тетрод · Пентод · Механотрон · Клистрон · Магнетрон · Амплитрон · Платинотрон · Электронно-лучевая трубка · Лампа бегущей волны |
| Устройства отображения |
Электронно-лучевая трубка · ЖК монитор · Светодиод · Газоразрядный индикатор · Флажковый индикатор · Семисегментный индикатор |
| Акустические устройства и датчики |
Микрофон · Динамик · Тензорезистор · Пьезокерамический излучатель |
| Термоэлектрические устройства |
Термистор · Термопара · Элемент Пельтье |
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:
12 недорогих наборов электроники для самостоятельной сборки и пайки
Моя личная подборка конструкторов с Aliexpress «сделай сам» для пайки от простых за 153 до 2500 рублей. Дочке 5 лет — надо приучать к паяльнику))) — пусть пока хотя-бы смотрит — переходи посмотреть, один светодиодный куб чего только стоит
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:
- Транзистор — это токовый прибор. Ток базы управляем током коллектора.
- Транзистор имеет всего три вывода. База (Б), коллектор (К) и эмиттер (Э) и соответственно на англ. B (Base), С (Collector), E (Emitter).
- Ток эмиттера — это сумма токов коллектора и базы. IЭ =IК +IБ
- Коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ — это отношение приращений тока коллектора к току базы. h21e (β)=ΔIK / ΔIБ .
- h21e зависит от тока коллектора. При минимальных или максимальных его значениях h21e стремится к нулю.
- По входу (при обратном напряжении), транзистор напоминает диод в прямом включении.
- По входу (при обратном напряжении), транзистор напоминает стабилитрон.
- Транзистор в закрытом состоянии все же поддается и дает ток утечки.
- Не подключенная никуда база транзистора, которая висит в воздухе — это его смерть. Поэтому надо обязательно садить базу на землю через высокоомный резистор.
- 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.
- Транзистор не любит высоких частот. Знаете ли, всякие эффекты Миллера и прочее.
- При большой мощности нагрузки, корпус транзистора изготавливается определенным образом, чтобы можно было его поставить на радиатор
- Область безопасной работы (ОБР) — это все транзисторные ограничения при сочетании предельных тока и напряжения
- Минимальные шумы транзистора достигаются при минимально-оптимальных токах коллектора
- 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: