Меню
х

Составной транзистор (транзистор Дарлингтона)

Что такое транзистор

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:

Обычный 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:

Схема транзистора

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.

Биполярные транзисторы

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.

Структура однопереходного транзистора

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.
Схема транзистора с управляющим переходом
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.

Шокли, Бардин и Браттейн
Слева направо: Шокли, 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

Сидни Дарлингтон
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:
Аббревиатуры

Основные параметры транзистора по даташиту:
Параметры транзистора по даташиту

Параметры (заданные, измеренные или расчетные):

Параметры

Транзисторные основы

Что мы здесь можем сказать нового? Да ничего! Но повторить основы все же полезно, не так ли? ;-)

Основные догмы о биполярном транзисторе:

  1. Транзистор – это токовый прибор. Ток базы управляем током коллектора.
  2. Транзистор имеет всего три вывода. База (Б), коллектор (К) и эмиттер (Э) и соответственно на англ. B (Base), С (Collector), E (Emitter).
  3. Ток эмиттера  – это сумма токов коллектора и базы. IЭ =IК +IБ
  4. Коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ – это отношение приращений тока коллектора к току базы. h21e (β)=ΔIK / ΔIБ .
  5. h21e зависит от тока коллектора. При минимальных или максимальных его значениях h21e стремится к нулю.
  6. По входу (при обратном напряжении), транзистор напоминает диод в прямом включении.
  7. По входу (при обратном напряжении), транзистор напоминает стабилитрон.
  8. Транзистор в закрытом состоянии все же поддается и дает ток утечки.
  9. Не подключенная никуда база транзистора, которая висит в воздухе – это его смерть. Поэтому надо обязательно садить базу на землю через высокоомный резистор.
  10. 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.
  11. Транзистор не любит высоких частот. Знаете ли, всякие эффекты Миллера и прочее.
  12. При большой мощности нагрузки, корпус транзистора изготавливается определенным образом, чтобы можно было его поставить на радиатор
  13. Область безопасной работы (ОБР)  – это все транзисторные ограничения при сочетании предельных тока и напряжения
  14. Минимальные шумы транзистора достигаются при минимально-оптимальных токах коллектора
  15. 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:

Два транзистора

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:

Транзистор Дарлингтона

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):

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:

Транзистор инженера Шиклаи

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.

Старый видеомагнитофон

Также на основе схемы Дарлингтона создана микросхема ULN2003A, которая часто используется в сборках радиолюбителей.

Можете еще посмотреть видео, где подробно рассказывают о составных транзисторах:

 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.