Помните нашу статью, в которой мы изучали биполярные транзисторы. Так вот, тогда, данная тема не была полностью раскрыта.
В этой статье мы обсудим конкретную ситуацию, где мы, правильно соединив два биполярных транзистора, получим схему Дарлингтона. Таким образом, мы получим комбинацию с очень интересными свойствами.
Зачем нужна схема Дарлингтона?
Вы должны помнить, что биполярный транзистор — это элемент, управляемый током. Когда ток, известной величины, течет в базу, мы ожидаем, что ток коллектора будет в β раз больше, где β — коэффициент усиления по току, который соединяет токи базы и коллектора вместе.
Теперь давайте представим ситуацию: предположим, что мы хотим использовать транзистор для включения двигателя, потребляющего ток 5 А. Напряжение питания настолько низкое, что использование полевых МОП-транзисторов невозможно, поэтому они остаются только биполярными. Оказывается, что транзисторы, способные проводить такой большой ток, имеют параметр β в диапазоне 40–100.
Делим ток коллектора на коэффициент усиления по току. Результат будет находится в диапазоне 50–125 мА. Поэтому для насыщения транзистора необходимо обеспечить ток базы, по крайней мере, в три раза превышающий расчетный, то есть порядка 150–375 мА. Однако наш микроконтроллер (например, Arduino) может выдавать только 20 мА (безопасная производительность для одного выхода), что определенно слишком мало… Вот здесь и пригодится схема Дарлингтона.
Идея схемы Дарлингтона
Если один транзистор может усилить ток, улучшит ли нашу ситуацию использование двух транзисторов? Да, правильно, улучшит. Все, что нам нужно сделать, это объединить наши транзисторы в схему Дарлингтона, данная схема была разработана в 1953 году Сидни Дарлингтоном.
При описании работы схемы Дарлингтона, мы предполагаем, что ток коллектора равен току эмиттера (для простоты здесь мы опускаем ток базы). Также будем учитывать, что в схеме используются однотипные биполярные транзисторы. Принцип работы следующий: ток, который подается на базу Т1, течет с его эмиттера усиленным. Обозначим коэффициент усиления этого транзистора по току β T1 .
T1 течет из эмиттера I BT1 · β T1 и напрямую влияет на базу T2. Транзистор Т2 усилен в β Т2 — кратно. В результате ток I BT1 · β T1 · β T2 протекает через коллектор T2. Гораздо большая часть тока проходит через T2, поэтому ток коллектора T1 можно считать незначительным.
| В результате общий коэффициент усиления по току этой системы составляет β D = β T1 · β T2. |
Преобразовывая формулы, мы сделали несколько упрощений. Однако, они мало повлияют на результат (порядка одного процента). Коэффициент усиления по току транзисторов колеблется намного сильнее (температура, производитель).
| Если у вас возникли проблемы с пониманием приведенной выше схемы, попробуйте нарисовать её на листе бумаги самостоятельно (шаг за шагом). |
Преимущества схемы Дарлингтона
Транзисторы Дарлингтона используются так же, как одинарные биполярные. Их можно рассматривать как один транзистор с измененными параметрами. Наиболее важной особенностью такого изменения является умножение текущих коэффициентов усиления.
Вернемся к примеру, приведенному в начале: объединив мощный транзистор с β = 40 с меньшим значением β, мы получим коэффициент усиления 1600. Для включения нагрузки, потребляющей 5 А, потребуется всего 3 мА — это ток, который успешно обеспечивает большинство микроконтроллеров.
Однако необходимо помнить, что транзисторы в этом соединении загружены неравномерно: большая часть тока проходит через T2. Это означает, что они не обязательно должны быть одного типа. Например, T1 может быть транзистором малой мощности с большим β, что делает результирующее усиление еще выше!
Недостатки схемы Дарлингтона
К сожалению, на этом преимущества заканчиваются. Первый недостаток этой схемы — это то, что на базе-эмиттрере напряжение приходит вдвое большее. Здесь мы имеем дело с последовательным соединением переходов база-эмиттер, поэтому напряжения на каждом из них складываются (около 0,7 В при включении).
| Это означает, что U BE схемы Дарлингтона составляет примерно 1,4 вольта. Это следует учитывать при выборе резисторов, ограничивающих базовый ток. |
Однако гораздо более серьезным недостатком является повышенное напряжение насыщения. Этот вопрос лучше всего проанализировать на диаграмме с записью напряжений.
Напряжение коллектор-эмиттер транзистора Дарлингтона состоит из:
- напряжение база-эмиттер транзистора Т2,
- напряжение коллектор-эмиттер Т1.
Когда система насыщена, транзистор T2 все еще должен быть открыт, то есть, его напряжение база-эмиттер составляет 0,7 В. Благодаря этому, транзистор T1 может правильно насыщаться, и его U CE падает до произвольного уровня 0,2 В. После суммирования этих значений напряжения, оказывается, что U CE транзистора T2 целых 0,9 В!
| Эту потерю напряжения следует учитывать при проектировании схемы, потому что такой величиной определенно нельзя пренебрегать! |
В нашей примерной схеме, из начала этой статьи, одиночный транзистор имеет большое преимущество: в насыщенном состоянии на нем будет около 0,2 В (на практике немного больше), что в сочетании с протекающим током 5 А, через коллектор, приведет к рассеиванию мощности около 1 Вт.
Это количество тепла можно легко рассеять с помощью небольшого радиатора, то есть элемента, который отводит тепло. Обычно он изготавливается из алюминия, который имеет легкий вес и хорошо проводит тепло. Радиаторы имеют различную форму — чаще всего в поперечном сечении они напоминают гребешок, увеличивающий поверхность контакта с протекающим воздухом.
Но вернемся к управлению нашим двигателем. Если мы воспользуемся Дарлингтоном, эта мощность будет потрачена впустую, да и радиатор потребуется намного прочнее. Кроме того, напряжение питания приемника будет ниже примерно на 1 В. В случае схем, питающихся от низкого напряжения, например 3,3 В, это будет значительное снижение.
| 5 Вт — это очень большая мощность. 5 Вт, например, может потреблять светодиодная настольная лампа. |
И еще, в забитом состоянии, напряжение коллектор-эмиттер обоих транзисторов практически одинаково. Это означает, что при управлении приемником от источника питания, например 60 В, оба транзистора должны выдерживать такое напряжение (с запасом).
Схема Дарлингтона на практике
Пришло время проверить свойства схемы Дарлингтона на практике. Конечно, согласно предыдущей схеме, такую конфигурацию можно построить «вручную» на двух транзисторах. Однако, эта схема настолько популярна, что производители также продают готовые транзисторы Дарлингтона, которые имеют такое двойное соединение и выглядят, как обычный одиночный транзистор.
В нашем эксперименте мы будем использовать транзистор MPSA29 (β> 10000), который представляет собой готовый транзистор Дарлингтона. Сравним его работу с ранее рассмотренным BC546 (β = 200–450). На этот раз, мы построим две версии «графитово-бумажного потенциометра», в которых один из путей, по которым протекает ток, будет нарисован карандашом на листе бумаги!
 |
 |
Для выполнения этого упражнения вам потребуются:
- Резистор 1 × 10 кОм,
- Резистор 1 × 1 кОм,
- 1 × светодиод (выберите свой любимый цвет),
- 1 × транзистор BC546,
- 1 × транзистор MPSA29,
- 1 × карандаш,
- 1 × лист бумаги,
- батареи 4 × AA,
1 × слот для 4 батареек АА, - 1 × макетная плата,
- комплект соединительных проводов.
| При выполнении упражнений обратите внимание на то, что транзисторы BC546 и MPSA29 имеют разные положения выводов (подробности см. ниже)! |
Сначала сделайте потенциометр самостоятельно. На листе бумаги проведите карандашом толстую линию, длиной в несколько сантиметров. Несколько раз проведите карандашом по линии, чтобы она была четкой (одного проведения недостаточно, потому что углеродный след на листе не будет сплошным). Как вы, наверное, знаете, графит проводит электричество, но обладает довольно большим сопротивлением. Проведя линию, вы сделали резистор с сопротивлением в сотни килоом на сантиметр. Это вы можете проверить с помощь. мультиметра.
Теперь нам нужно разместить на макетной плате микросхему, которая будет использовать наш графитовый резистор. Пока мы будем использовать хорошо известный транзистор BC546. Однако, стоит сразу обратить внимание на другое расположение выводов MPSA29!
Мы будем использовать графитовую линию как «потенциометр», регулирующий ток, протекающий через основание. Просто прижмите провода к листу бумаги. Чем больше расстояние между проводниками, тем больше сопротивление между ними. Резистор 10 кОм используется для защиты транзистора от возгорания, в случае случайного короткого замыкания этих проводов.
На практике вся схема может выглядеть так:
 |
 |
| Сборка схемы на макетной плате | Схема с BC546 на практике |
Пришло время проверить, как ведет себя схема при разном сопротивлении. Выполняя это упражнение, не касайтесь пальцами проводов «потенциометра» — сопротивление кожи относительно низкое, что нарушит ход данного эксперимента.
 |
 |
| Сопротивление низкое — светодиод горит | Сопротивление высокое — светодиод не горит |
Чем длиннее дорожка между концами проводов, тем выше сопротивление и меньше тока течет в базу. На какой длине дорожки светодиод перестает гореть? Запишите свой результат, выключите питание и замените транзистор на MPSA29. Однако помните, что у этого транзистора другой эмиттер и коллектор!
На практике вся схема может выглядеть так:
 |
 |
| Схема на макетной плате | Пример с MPSA29 |
После сборки схемы включите питание, и снова прижмите концы проводов к дорожке на листе. Теперь расстояние между проводами, на которых горит светодиод, должно быть намного больше. Это все благодаря свойствам нового транзистора, который имеет гораздо более высокое бета-усиление.
 |
 |
| Сопротивление низкое — светодиод горит | Сопротивление высокое — светодиод все еще горит |
Транзисторы Дарлингтона медленные!
Для схемы Дарлингтона характерно определенное явление, которое очень затрудняет работу на высоких частотах. Его переключение, а особенно выключение, занимает много времени (для электроники).
Давайте еще раз посмотрим на принципиальную схему. При включении питания потенциал базы T1 повышается (например, микроконтроллером), тем самым вводя в нее ток. Этот транзистор очень быстро переходит из состояния засорения в активный, в котором он усиливает этот ток и подает его на базу T2, которая также очень эффективно включается. Все происходит довольно быстро.
| Предположим, что этот транзистор используется для включения мощного приемника, например двигателя, который требует его сильного насыщения. |
Теперь выключаем транзистор Дарлингтона. Потенциал базы T1 подтягивается резистором к земле. Носители заряда, накопившиеся в этой базе, должны оттекать от нее через этот резистор. Поскольку T1 был «по-настоящему» насыщен, таких носителей там было довольно много.
В течение этого времени, T2 все еще был проводящим, хотя он больше не должен таковым быть. Предположим, что носители вышли из базы T1, вопрос: куда должны уйти носители с базы T2? Единственный выход — это база, но к ней подключен только забитый транзистор… Нам остается только ждать, пока эти носители самопроизвольно «рассеются» и транзистор окончательно перестанет проводить.
Это явление демонстрируют следующие иллюстрации (текущие значения, конечно, не отражают реальные — они служат только для иллюстрации шкалы и самого факта прохождения тока; RL и значок двигателя символизируют какой-то элемент, который питается от транзистора, например двигатель).
 |
 |
| Оба транзистора непроводящие | Течение тока через базу, активирует оба транзистора |
В выключенном состоянии ситуация следующая:
 |
 |
| Заряд, накопленный после отключения тока | Захваченный заряд медленно рассеивается |
Таким образом, на отключение транзистора Дарлингтона влияют два события:
- снятие с насыщения и засорения Т1,
- ожидание, пока транзистор Т2 перестанет проводить.
Первую проблему можно как-то решить, используя, например, соответствующие схемы для ускорения переключения транзисторов. Однако с последним есть проблема, потому что по носителям должен быть обеспечен поток от базы к эмиттеру.
Электроника придумала способ частично решить эту проблему. Этот метод предполагает добавление резистора между базой и эмиттером Т2. Благодаря этому, носители заряда находят выход из базы. Одним из недостатков является снижение коэффициента усиления по току, поскольку этот резистор «крадет» ток у эмиттера T1.
Такие модифицированные транзисторы Дарлингтона коммерчески доступны как одиночные, так и в виде интегральных схем с большим количеством компонентов внутри. Хорошим примером является популярная микросхема ULN2003, в состав которой входит аж 7 таких систем.
В состав этой микросхемы также входят резисторы, ограничивающие базовый ток T1 (2,7 кОм) и ускоряющие выключение T1. Использование таких интегральных блоков удобно тем, что экономит место на плате, вход этой схемы подключается напрямую к выходу микроконтроллера.
Вывод
Позади еще одна статья, в которой мы обсудили свойства транзисторов. Мы раскрыли еще несколько небольших секретов, связанных с этими чрезвычайно популярными элементами. С этого момента у вас больше не должно возникнуть проблем, если вам вдруг понадобится транзистор с гораздо большим усилением по току, чем тот, что у вас есть. Однако не стоит забывать, что транзисторы Дарлингтона имеют ряд недостатков.
С Уважением, МониторБанк