image
image

Tranzystory bipolarne były i nadal są stosowane we wszelkiego rodzaju wzmacniaczach – w tym przede wszystkim w układach audio. Choć tranzystory małej mocy (o maksymalnym prądzie kolektora rzędu do około 100-200 mA) oferują najczęściej wzmocnienia prądowe rzędu 100, 500 i więcej, to już w przypadku elementów o nieco większej mocy strat współczynnik β jest wielokrotnie niższy. Oznacza to, że znacznie wyższy musi być także prąd bazy – szczególnie w układach przełączających, w których chcemy uzyskać stan nasycenia w celu minimalizacji mocy strat tranzystora w obszarze przewodzenia. W tym artykule zajmiemy się pewnym trikiem układowym, który od lat jest chętnie stosowany w tego typu sytuacjach.

canvas

Układ Darlingtona – budowa i działanie

Układ Darlingtona składa się z dwóch tranzystorów o tej samej polaryzacji (NPN + NPN lub PNP + PNP), połączonych w szczególny sposób: emiter tranzystora „wejściowego” łączy się z bazą tranzystora „wyjściowego”. Kolektory są połączone razem, stąd cały układ widziany niejako „z zewnątrz” ma tylko trzy końcówki: bazę tranzystora „wejściowego”, wspólny dla obydwu tranzystorów kolektor oraz emiter tranzystora „wyjściowego”. Dlatego właśnie z punktu widzenia układu elektronicznego układ Darlingtona stanowi pewnego rodzaju, „szczególny tranzystor”. Polaryzacja wynikowa jest oczywiście zgodna z polaryzacją tranzystorów składowych, czyli np. układ Darlingtona złożony z dwóch struktur NPN daje w wyniku „tranzystor” o polaryzacji NPN – różnice są jednak widoczne w parametrach elektrycznych. Wzmocnienie układu Darlingtona jest w przybliżeniu równe iloczynowi współczynników β tranzystorów składowych – bez większego problemu może więc osiągać ogromne wartości, rzędu kilkudziesięciu tysięcy. Z uwagi na sposób połączenia obwodów baza-emiter tranzystorów, napięcie UBE układu Darlingtona jest sumą napięć UBE tranzystorów składowych – wynosi zatem co najmniej 1,2. – 1,4 V dla połączenia dwóch tranzystorów małej mocy, a w układach dużej mocy może z powodzeniem przekraczać 2 V. Co ważne, także napięcie saturacji UCEsat jest znacznie wyższe niż w pojedynczym tranzystorze – dochodzi nawet do kilku woltów.

Gotowe tranzystory Darlingtona

Układ Darlingtona możesz z powodzeniem zbudować samodzielnie z pojedynczych (dyskretnych) tranzystorów. Znacznie łatwiejszą opcją jest jednak zakup gotowych „Darlingtonów”, oferowanych przez wielu producentów w formie znanej z klasycznych tranzystorów, np. w popularnej obudowie TO-220 czy TO-92. Przykładem jest MPSA29, niewielki tranzystor o maksymalnym prądzie kolektora równym 800 mA. Jednak znacznie częściej wykorzystujemy dziś gotowe zestawy „Darlingtonów”, oferowane w postaci znanych i lubianych, wielokanałowych sterowników scalonych. Do najbardziej popularnych przedstawicieli tej grupy należą układy ULN2003A i ULN2803A. Jeśli zajrzysz do noty katalogowej jednego z nich, zauważysz zapewne, że na schemacie budowy wewnętrznej pojedynczego kanału takiego sterownika znajdują się dwa rezystory wpięte pomiędzy bazę a kolektor każdego z dwóch tranzystorów składowych. To nie przypadek – zadaniem tych rezystorów jest przyspieszenie procesu wyłączania tranzystorów, co ma szczególne znaczenie w układach pracujących w sposób impulsowy (np. kontrolerach PWM). Wbudowane, szeregowe rezystory bazowe sprawiają, że większość tego typu układów z serii ULN2 można podłączyć bezpośrednio do mikrokontrolera, bez konieczności stosowania żadnych dodatkowych elementów.

Gdzie można zastosować układ Darlingtona?

W zasobach internetowych znajdziesz zapewne schematy prostych detektorów zbudowanych w oparciu o proste wzmacniacze z układem Darlingtona w stopniu wejściowym – podobne układy były i są chętnie stosowane np. w prostych gadżetach wykrywających dotyk czy wilgoć (np. w detektorach zalania). Układów Darlingtona nie znajdziesz zbyt często w tranzystorowych wzmacniaczach audio, gdyż odpowiedni poziom wzmocnienia realizuje się tam za pomocą kilku połączonych kaskadowo („jeden za drugim”) wzmacniaczy napięciowych z pojedynczymi tranzystorami – takie rozwiązanie zapewnia wysoką jakość sygnału i niski poziom zniekształceń. Jak wcześniej wspomnieliśmy, układ Darlingtona jest natomiast powszechnie stosowany w sterownikach elementów o dość dużym poborze prądu – np. kontrolerach silników krokowych, silników DC czy nawet diod LED. Z użyciem układów typu ULN2803A można z łatwością wysterować do ośmiu diod lub łańcuchów LED, nie obciążając przy tym portów wyjściowych mikrokontrolera. W przypadku sterowania silników krokowych z użyciem układów z tej serii należy pamiętać, że nie wszystkie napędy można sterować w ten sposób, nawet jeśli pozwala na to wydajność prądowa układów (w przywołanym przykładzie wynosi ona 500 mA/kanał). Większość stosowanych powszechnie silników krokowych wymaga sterowania bipolarnego, w którym wykorzystuje się tzw. mostek H.

Podsumowanie

Układ Darlingtona, pomimo upływu niemal 70 lat od jego wynalezienia, nadal jest chętnie stosowany głównie w układach przełączających duże obciążenia – sterownikach silników prądu stałego i unipolarnych silników krokowych czy też kontrolerach oświetlenia LED. Stosując tranzystory Darlingtona, zamiast dyskretnych tranzystorów średniej i dużej mocy, warto jednak pamiętać o pewnych ograniczeniach – wyższe napięcia baza-emiter i kolektor-emiter w stanie saturacji, a także stosunkowo niska częstotliwość pracy sprawiają, że w wielu szybkich układach impulsowych znacznie lepszym rozwiązaniem – choć zazwyczaj bardziej złożonym konstrukcyjnie – będą stopnie wyjściowe, zbudowane w oparciu o nowoczesne tranzystory MOSFET.