В электронной схемотехнике часто можно встретить элемент, который называется составным транзистором. Наибольшее распространение получила схема, называемая транзистором Дарлингтона. Это два соединённых между собой биполярных транзистора структуры n-p-n. Чтобы понять, что даёт такое объединение транзисторов, стоит разобраться с основными свойствами этих компонентов.
Главной особенностью транзисторов можно считать их усилительные свойства, а именно – биполярные транзисторы могут усиливать ток. В спецификациях на транзисторы можно найти такую характеристику, которая имеет обозначение h21 или hFE. Это коэффициент усиления транзистора по току. Данный параметр показывает во сколько раз больше можно получить силу тока в силовой коллекторной цепи данного полупроводникового компонента, относительно входной, управляющей цепи (тока базы). Естественно, коэффициент усиления для одного транзисторного компонента не может быть безграничным. Более того, максимальным усилением по току обладают именно маломощные транзисторы. У транзисторов с большей мощностью коэффициент усиления значительно меньше.
Для примера возьмём отечественный, маломощный биполярный транзистор типа КТ3102. Максимальный коэффициент h21 у него может доходить до 1000, при этом его максимальный коллекторный ток не превышает 0,1 ампера, а максимальная рассеиваемая мощность равна 0,25 Вт. Для сравнения возьмём более мощный биполярный транзистор типа КТ815. Максимальный ток коллектора у него до 1,5 ампер, а максимальная рассеиваемая мощность до 10 Вт. При этом, максимальный коэффициент усиления у данного транзистора уже не превышает 40. Обратите внимание: параметр h21 зависит от величины рабочего коллекторного тока и от температуры транзистора. Чем больше ток и/или температура, тем меньше будет коэффициент итоговый усиления по току. Далеко не во всех случаях есть возможность получить желаемый коэффициент усиления по току за счёт использования в схемах всего одного транзистора.
Выручить может составной транзистор. Соединяя транзисторы по схеме Дарлингтона можно получать достаточно большие коэффициенты усиления по току. При соединении транзисторов таким образом суммарное усиление по току равно произведению коэффициентов h21 каждого из них. Возьмём два относительно мощных транзистора – КТ815 и КТ819 (у обоих тип проводимости n-p-n). Коэффициент усиления КТ815 равен 40 (в лучшем случае), а у КТ819 еще меньше - до 20. Соединив эти транзисторы по схеме Дарлингтона можно получить общее усиление по току – около 800. Мощность этого элемента будет порядка 60 Вт. Ни один одиночный биполярный транзистор не даст такой большой коэффициент усиления при такой мощности! Этого эффекта можно добиться, используя объединение транзисторов по схеме составного транзистора. Помимо получения больших коэффициентов усиления по току к достоинствам составных транзисторов относится их использование при достаточно высоких напряжениях.
Транзисторы Дарлингтона можно делать самостоятельно, спаивая несколько подходящих транзисторов по схеме. Однако, продаются уже готовые сборки, содержащие несколько дискретных транзисторов, а иногда и несколько транзисторов Дарлингтона в одном цельном корпусе. Для улучшения рабочих характеристик в таких сборках могут быть и дополнительные компоненты, например, резисторы.
Когда необходимо получить очень большое усиление, то схема Дарлингтона может содержать до пяти транзисторов. Более пяти компонентов на практике уже не используется, так как в результате чрезмерного усиления, выходной транзистор будет переходить в режим насыщения от малейшего тока на базе первого элемента. Такой составной транзистор будет открываться от случайной наводки, помехи в цепи управления или питания схемы.
Схема Дарлингтона имеет и определенные недостатки, о которых обязательно стоит помнить!
Во-первых, увеличенное падение напряжение на база-эмиттерном переходе этого элемента (транзистора Дарлингтона). Как известно, чтобы перевести кремниевый биполярный транзистор в открытое состояние между базой и эмиттером необходимо напряжение не менее 0,6 вольт. При соединении двух транзисторов по схеме Дарлингтона, падение увеличивается вдвое. Получается уже 1.2 вольта на база-эмиттерном переходе составного транзистора. При соединении трех биполярных транзисторов, по схеме Дарлингтона, можно получить падение напряжения между базой и эмиттером в 1,8 вольт. Это падение напряжения обязательно нужно брать во внимание. Потому что, например, в схеме эмиттерного повторителя, из-за падения напряжения, на выходе схемы получится напряжение меньшей величины. Разница между входным и выходным напряжением будет на то значение, которое присутствует на база-эмиттерном переходе составного транзистора.
Вторым недостатком составного транзистора Дарлингтона является относительно низкое быстродействие. Это существенно ограничивает практическое использование. По этой причине их применяют по большей части в выходных цепях низкочастотных усилителей, в коммутационных схемах (в роли ключей), для управления электрическими машинами и т.д.
и, наконец, у составных транзисторов имеется значительное падение напряжения между коллектором и эмиттером в открытом состоянии. У транзисторов малой мощности это падение напряжения может достигать 1 вольта, а у более мощных доходить до 2 вольт. При малых токах это не особенно заметно, хотя и влияет на потери, а с увеличением выходного тока каскада становится ощутимой проблемой, ведь чем больше падение напряжения и сила тока, проходящего через коллектор, тем сильнее будет нагреваться данный компонент. Это требует применения более мощных транзисторов, более крупных теплоотводов и увеличивает габариты устройства
Перед тем, как использовать транзистор Дарлингтона в своих схемах, необходимо учитывать все особенности и недостатки данной схемы, чтобы не допускать досадных ошибок!
