Ta strona używa ciasteczek (plików cookies), dzięki którym może działać lepiej. Dowiedz się więcejRozumiem i akceptuję

Kurs elektroniki II – #4 – układ Darlingtona

Elektronika 28.12.2015 Futrzaczek

KursElektroniki2_4Podczas pierwszego poziomu kursu elektroniki, poznaliśmy tranzystory bipolarne. Oczywiście ich temat nie został wtedy wyczerpany.

Tym razem omówimy specyficzną sytuację, gdy odpowiednio łączymy dwa tranzystory bipolarne. Okazuje się, że takie zestawienie pozwala na osiągnięcie zadziwiająco ciekawych rezultatów. Oczywiście mowa o układzie Darlingtona.

Nawigacja serii artykułów:
« poprzednia częśćnastępna część »

Kup zestaw elementów i zacznij naukę w praktyce! Przejdź do strony dystrybutora »

Zanim przejdziesz dalej upewnij się, że znasz materiał z kursu elektroniki, poziom I:
tranzystory bipolarne w praktyce” oraz „tranzystory ciąg dalszy„.

Tranzystor bipolarny jest elementem sterowanym prądowo. Wprowadzając do bazy prąd o znanej wartości, oczekujemy, że prąd kolektora będzie β-krotnie większy. β (beta) to współczynnik wzmocnienia prądowego, który wiąże ze sobą prąd bazy i kolektora.

Odwróćmy teraz sytuację: załóżmy, że chcemy tranzystorem załączać silnik pobierający prąd rzędu 5A. Napięcie zasilania jest tak niskie, że użycie tranzystorów MOSFET nie jest możliwe, zatem zostają tylko bipolarne. Bierzemy do ręki katalog – okazuje się, że tranzystory zdolne przewodzić tak duży prąd mają parametr β w granicach 40…100.

Dzielimy prąd kolektora przez wzmocnienie prądowe. Wynik zawiera się w przedziale 50-125 mA. Aby wprowadzić tranzystor w stan nasycenia, należy zapewnić prąd bazy przynajmniej trzykrotnie większy od obliczonego, czyli rzędu 150-375 mA. Jednak nasz mikrokontroler (np. z Arduino) jest w stanie dostarczyć jedynie 20 mA, czyli zdecydowanie za mało.

Zestaw elementów do przeprowadzenia ćwiczeń

Gwarancja pomocy na forum dla osób, które kupią poniższy zestaw!

Elementy konieczne do wykonania ćwiczeń zebrane zostały w gotowe zestawy, które można nabyć w Botlandzie. W wygodnym kuferku znajdziecie ponad 160 części elektronicznych!


Kup w Botlandzie »

Idea układu Darlingtona

Jeżeli jeden tranzystor jest w stanie wzmacniać prąd, to czy użycie dwóch tranzystorów poprawi naszą sytuację? Okazuje się, że tak. Jeżeli tylko połączymy je w konfiguracji Darlingtona – układzie opracowanym w 1953 r. przez Sidneya Darlingtona.

Schemat jest prosty i znajduje się poniżej:

Schemat ideowy układu Darlingtona.

Schemat ideowy układu Darlingtona.

Wyprowadzając wzory opisujące działanie układu Darlingtona założę, że prąd kolektora jest równy prądowi emitera. W rzeczywistości, przez emiter płynie również prąd bazy, lecz można dla uproszczenia przyjąć, że jest on zaniedbywalnie mały na tle całkowitego prądu emitera.

Układ zawiera dwa tranzystory bipolarne, tego samego typu. Zasada działania jest następująca: prąd, który jest wprowadzany na bazę T1, wypływa z jego emitera wzmocniony. Współczynnik wzmocnienia prądowego tego tranzystora oznaczmy jako βT1.

Z emitera T1 wypływa prąd IBT1 · βT1 i wpływa bezpośrednio na bazę T2. Przez tranzystor T2 jest on wzmacniany βT2 – krotnie. W rezultacie, przez kolektor T2 płynie prąd IBT1 · βT1 · βT2. Lwia część prądu płynie przez tranzystor T2, dlatego prąd kolektora T1 można uznać za pomijalnie mały.

W efekcie, całkowite wzmocnienie prądowe tego układu to βcał = βT1 · βT2.

Jest to bardzo ważny wniosek!

Graficzna ilustracja powyższego opisu:

Prądy płynące w układzie Darlingtona.

Przekształcając wzory, dokonałem paru uproszczeń. Warto jednak zaznaczyć, że będą one miały niewielki wpływ na wynik, rzędu pojedynczych procentów. W znacznie większym stopniu wzmocnienie prądowe tranzystorów ulega wahaniom wskutek zmian temperatury i rozrzutów produkcyjnych.

Jeśli masz problem ze zrozumieniem powyższej ilustracji spróbuj narysować na kartce taki układ i wyprowadzić te wzory samodzielnie (krok, po kroku).

Właściwości układu Darlingtona

Tranzystory połączone w układzie Darlingtona stosuje się tak samo, jak pojedyncze bipolarne. Można je traktować jako jeden tranzystor, o zmodyfikowanych parametrach. Oto te najistotniejsze.

Najważniejszą cechą tej konfiguracji jest mnożenie się współczynników wzmocnienia prądowego. Wracając do przykładu podanego na początku: łącząc tranzystor dużej mocy o β = 40 z mniejszym, o takiej samej wartości parametru β, uzyskamy wzmocnienie 1600. Załączenie obciążenia pobierającego 5A, wymagać będzie zalednie 3mA. Taki prąd z powodzeniem zapewni większość mikrokontrolerów.

Tranzystory nie są obciążone równomiernie: większość prądu płynie przez T2. Oznacza to, że nie muszą to być tranzystory tego samego typu. T1 może być tranzystorem niewielkiej mocy, o dużym współczynniku β, przez co wypadkowe wzmocnienie będzie jeszcze wyższe!

Wady układu Darlingtona

Niestety, na tym zalety się kończą. Pierwszą wadą tego układu jest dwukrotnie wyższe napięcie baza-emiter. Mamy tutaj do czynienia z połączeniem szeregowym złącz baza-emiter, czyli napięcia na każdym z nich (ok. 0,7V przy włączeniu) sumują się.

Oznacza to, że UBE tranzystora Darlingtona to około 1,4V. Należy o tym pamiętać, dobierając rezystory ograniczające prąd bazy.

Znacznie poważniejszym mankamentem jest zwiększone napięcie nasycenia. Przeanalizujmy to na tym schemacie:

Rozkład napięć w nasyconym tranzystorze Darlingtona

Na napięcie koletor-emiter tranzystora Darlingtona składają się:

  • napięcie baza-emiter tranzystora T2,
  • napięcie kolektor-emiter T1.

Doprowadzając układ do stanu nasycenia, tranzystor T2 musi być wciąż otwarty, czyli jego napięcie baza-emiter wynosi 0,7 V. Tranzystor T1 może się prawidłowo nasycić, jego UCE spada do umownego poziomu 0,2 V. Dokonując zwykłego sumowania tych napięć okazuje się, że UCE tranzystora T2 to aż 0,9V!

Tę stratę napięcia należy uwzględniać podczas projektowania układu.
Zdecydowanie nie jest ona pomijalna!

Odnosząc się ponownie do przykładu z początku artykułu, pojedynczy tranzystor ma dużą przewagę: w stanie nasycenia odłoży się na nim ok. 0,2V (w praktyce nieco więcej), co w połączeniu z prądem rzędu 5A płynącym przez jego kolektor spowoduje wydzielenie mocy ok. 1W. Taką ilość ciepła można bez trudu rozproszyć za pomocą niewielkiego radiatora.

Przykładowy radiator.

Przykładowy radiator.

Radiator ułatwia odprowadzenie ciepła z przykręconego doń elementu, np. tranzystora. Na ogół wykonuje się je z aluminium, które jest lekkie i dobrze przewodzi ciepło. Mają różne formy – najczęściej w przekroju przypominają grzebień, co zwiększa powierzchnię kontaktu z opływającym go powietrzem.

W przypadku układu Darlingtona, traconej mocy będzie prawie 5W. Wymaga to znacznie solidniejszego radiatora. Ponadto, napięcie zasilające odbiornik będzie mniejsze o około 1V. W przypadku układów zasilanych niskim napięciem, np. 3.3 V, będzie to znaczący spadek.

Jezcze jedna uwaga – może oczywista, ale często zapominana. W stanie zatkania, napięcie kolektor-emiter obywu tranzystorów jest prawie takie samo. Oznacza to, że sterując odbiornik z zasilania np. 60V, takie napięcie muszą wytrzymać (z zapasem) obydwa tranzystory.

Połączenie Darlingtona w praktyce

Przekonaj się sam, czy układ Darlingtona posiada zauważalnie większe wzmocnienie. Użyjemy tutaj tranzystora typu MPSA29 (β > 10000), który jest gotowym tranzystorem Darlingtona. Porównamy go ze znanym Ci już BC546 (β = 200 … 450).

Układ Darlingtona jest tak popularny, że producenci zamykają dwa tak połączone tranzystory (lub całe ich zespoły) w jednej obudowie. Dzięki temu, nie trzeba samodzielnie łączyć ich na płytce.

Tym razem zbudujemy dwie wersje grafitowo-papierowego potencjometru, który będzie w jednej ze swoich postaci wyglądał tak:

Układ Darlingtona - grafitowy potencjometr.

Układ Darlingtona – grafitowy potencjometr.

Do ćwiczenia praktycznego będziesz potrzebował:

  • płytki stykowej i przewodów połączeniowych
  • koszyka baterii 4xAA
  • rezystora 10kΩ
  • rezystora 330Ω
  • diody świecącej
  • tranzystora BC546
  • tranzystora MPSA29
  • ołówka i kartki papieru (najlepiej drukarkowego lub z zeszytu)

Zanim zaczniesz, zwróć uwagę, że BC546 oraz MPSA29 mają inaczej ułożone wyprowadzenia!

darlington_pinout

W pierwszej kolejności wykonaj własny potencjometr: na kartce papieru narysuj linię o długości kilkunastu centymetrów, kilkukrotnie przeciągając ołówek po śladzie. Jednokrotne pociągnięcie nie wystarczy, ponieważ ślad węgla nie będzie ciągły. Tak wykonany rezystor ma rezystancję rzędu setek kiloomów na centymetr – możesz sprawdzić to miernikiem uniwersalnym.

Teraz przystąp do zmontowania prostego układu z tranzystorem BC546. Jeśli masz problem z samodzielnym złożeniem poniższego układu na płytce stykowej, to wróć do artykułu o czytaniu schematów: Czytaj schematy, jak doświadczony elektronik. Możesz również zerknąć na zdjęcie, które umieściłem niżej.

Schemat układu sprawdzającego wzmocnienie BC546

Schemat układu do badania wzmocnienia BC546

 „Ołówkowy potencjometr” podłączysz poprzez dociśnięcie końcówek przewodów do śladu grafitu. Rezystor 10kΩ służy zabezpieczeniu bazy tranzystora przed spaleniem w przypadku omyłkowego zwarcia się tych przewodów.

Nie dotykaj palcami przewodów „potencjometru”.
Rezystancja skóry jest relatywnie niska, co zaburzy przebieg doświadczenia.

Im dłuższy jest ślad pomiędzy końcówkami przewodów, tym wyższa rezystancja i mniejszy prąd wpływa do bazy. Przy jakiej długości ścieżki świecenie diody przestaje być zauważalne? Zanotuj wyniki, wyłącz zasilanie i podmień tranzystor na MPSA29.

Pamiętaj, że w tym układzie fizycznie zamieniono miejsce kolektora i emitera!

Schemat układu do badania tranzystora MPSA29

Schemat układu do badania wzmocnienia MPSA29

Włącz zasilanie i ponownie dociskaj końcówki przewodów do ścieżki na kartce. Jak długi może być dystans między przewodami, aby dioda nadal świeciła się? Podziel się swoimi wynikami w komentarzu!

Zbliżenie na jeden ze złożonych układów znajduje się poniżej. Dasz radę odszyfrować, której wersji jest to zdjęcie? Daj znać w komentarzu!

darlington_uklad_1

Grafitowy potencjometr – układ Darlingtona w praktyce.

Dla dociekliwych

Układ Darlingtona cechuje się pewnym zjawiskiem, które bardzo utrudnia jego pracę przy wysokich częstotliwościach. Jego przełączanie, a zwłaszcza wyłączanie trwa, jak na elektronikę, bardzo długo. Dlaczego?

Popatrzmy jeszcze raz na schemat ideowy: w momencie włączania zasilania, potencjał bazy T1 jest podnoszony (np. przez mikrokontroler), przez co wstrzykiwany jest do niej prąd. Tranzystor ten bardzo szybko przechodzi ze stanu zatkania do aktywnego, w którym wzmacnia ów prąd i podaje go na bazę T2. Ten również załącza się sprawnie. Wszystko dzieje się całkiem szybko.

Załóżmy, że tym tranzystorem załączany jest odbiornik dużej mocy, np. silnik, przez co potrzebne jest jego silne nasycenie.

Teraz wyłączamy tranzystor Darlingtona. Potencjał bazy T1 jest ściągany, przez jakiś rezystor, do masy. Nośniki ładunku, które były zgromadzone w tej bazie, muszą z niej odpłynąć – właśnie przez ten rezystor. Ponieważ T1 został „prawdziwie” nasycony, to tych nośników było tam całkiem sporo.

Przez ten czas tranzystor T2 nadal przewodził, chociaż już nie powinien. Załóżmy, że nośniki wypłynęły z bazy T1, został on zatkany. Pytanie: dokąd mają odpłynąć nośniki z bazy T2? Jedyna droga ich ucieczki to baza, ale do niej podłączony jest jedynie zatkany tranzystor… Nie pozostaje nic innego, jak czekać, aż te nośniki samorzutnie zrekombinują i tranzystor w końcu przestanie przewodzić.

Zjawisko to ilustruje poniższa animacja (wartości prądu oczywiście nie oddają prawdziwych – mają ilustrować jedynie skale i sam fakt przewodzenia prądu):

Układ Darlingtona -ilustracja powyższego procesu.

Układ Darlingtona -ilustracja powyższego procesu.

Podsumowując na wyłączanie tranzystora Darlingtona mają wpływ dwie rzeczy:

  1. wyciągnięcie z nasycenia i zatkanie T1
  2. odczekanie, aż tranzystor T2 przestanie przewodzić

Ten pierwszy problem można w pewien sposób załagodzić, stosując np. odpowiednie obwody przyspieszające przełączanie tranzystorów. Z drugim jest jednak kłopot, ponieważ należałoby zapewnić nośnikom przepływ z bazy do emitera.

Elektronicy wymyślili pewien sposób na częściowe załagodzenie tego problemu. Polega on na dodaniu rezystora między bazą a emiterem tranzystora T2. Dzięki temu, nośniki znajdą ujście z bazy. Pewną wadą jest zmniejszenie wzmocnienia prądowego, ponieważ ten rezystor cały czas „podkrada” prąd z emitera T1.

Takie zmodyfikowane tranzystory Darlingtona są dostępne powszechnie, zarówno pojedyncze, jak i scalone. Przykładem jest popularny ULN2003, który zawiera w swojej strukturze siedem takich układów, jak pokazane poniżej:

Pojedynczy driver układu ULN2003

Pojedynczy driver układu ULN2003

W strukturze układu zostały dodatkowo zawarte rezystory ograniczające prąd bazy T1 (o wartości 2,7kΩ) oraz przyspieszające wyłączanie T1. Stosowanie takich scalonych zespołów jest wygodne, ponieważ oszczędza miejsce na płytce – wejście tego układu łączy się bezpośrednio z wyjściem mikrokontrolera. Informacje na temat ULN2003 potraktuj jako ciekawostkę. Nie będziemy teraz szerzej zajmować się tym układem.

Podsumowanie

Artykuł ten miał na celu poszerzenie wiedzy na temat tranzystorów zdobytej podczas pierwszego poziomu kursu elektroniki. Teraz wiesz, jak w bardzo łatwy sposób można zwiększać wzmocnienie prądowe tranzystorów.

W pierwszej chwili rozwiązanie może  wydawać się wręcz doskonałe. Należy jednak pamiętać, aby stosując układa Darlingtona pamiętać o jego wadach, które zostały tutaj wspomniane. W kolejnym odcinku kursu elektroniki (poziom II) omówione zostaną  tranzystory unipolarne!

Kup zestaw elementów i zacznij naukę w praktyce! Przejdź do strony dystrybutora »

Nie chcesz przegapić kolejnych części kursu? Skorzystaj z poniższego formularza i zapisz się na powiadomienia o nowych artykułach!

Autor kursu: Michał Kurzela
Redakcja: Damian (Treker) Szymański

Powiadomienia o nowych, darmowych artykułach!

Komentarze

Treker
Administrator

22:12, 28.12.2015

#1

hob_bit, super - właśnie o takie ćwiczenia w praktyce tu chodzi :)

PiotrekR

15:58, 29.12.2015

#2

Na śladzie gdzie układ z BC znacząco tracił jasność świecenia diody, układ z darlingtonem praktycznie nie reagował na zmianę odległości przewodów :D

Treker
Administrator

16:01, 29.12.2015

#3

PiotrekR, a próbowałeś rysować jeszcze dłuższe ścieżki :)?

PiotrekR

18:49, 29.12.2015

#4

Narysowałem ślad długości ok 16cm, zdecydowanie wystarczający do pokazania wzmocnienia. Choć w sumie zawsze można zobaczyć kiedy zgaśnie dioda w układzie z darlingtonem :->

Treker
Administrator

21:00, 29.12.2015

#5

PiotrekR, zachęcam do testów :)

AsDur

13:18, 26.11.2016

#6

Hi, moze ja czegos nie zrozumialem ale :) Zmierzylem prad kolektora i emitera w tranzystorze BC, bylo to kolejno 12,2mA i 12,63mA. Spodziewalem sie wiekszych pradow w tranzystorze MPS. Ale tu prad kolektora i emitera byl odpowiednio: 10,45mA i 10,72mA. Wiec cos to wzmocnienie nie dziala albo czegos nie skumalem? Help! :)

Zobacz powyższe komentarze na forum

FORBOT Damian Szymański © 2006 - 2017 Zakaz kopiowania treści oraz grafik bez zgody autora. vPRsLH.

Kurs budowy robotów – #1 – wstęp, spis treści

Podczas tego kursu wracamy do korzeni Forbota, czyli do budowy...

Zamknij