Kurs elektroniki II – #3 – układ Darlingtona

Kurs elektroniki II – #3 – układ Darlingtona

W kursie elektroniki na poziomie I omówiliśmy tranzystory bipolarne. Oczywiście temat ten nie został wtedy wyczerpany.

Tym razem omówimy specyficzną sytuację, gdy odpowiednio łączymy dwa tranzystory bipolarne w tzw. układ Darlingtona. Dzięki temu uzyskamy połączenie o bardzo ciekawych właściwościach.

Kiedy przydaje się układ Darlingtona?

Powinieneś już pamiętać, że tranzystor bipolarny jest elementem sterowanym prądowo. Wprowadzając do bazy prąd o znanej wartości, oczekujemy, że prąd kolektora będzie β-krotnie większy, gdzie β to współczynnik wzmocnienia prądowego, który łączy ze sobą prąd bazy i kolektora.

Odwróćmy teraz sytuację: załóżmy, że chcemy za pomocą tranzystora załączać silnik pobierający prąd rzędu 5 A. Napięcie zasilania jest tak niskie, że użycie tranzystorów MOSFET nie jest możliwe, zatem zostają tylko bipolarne. Bierzemy do ręki katalog elementów – 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 więc zapewnić prąd bazy przynajmniej trzykrotnie większy od obliczonego, tj. rzędu 150–375 mA. Jednak nasz mikrokontroler (np. z Arduino) jest w stanie dostarczyć jedynie 20 mA (bezpieczna wydajność dla jednego wyjścia), czyli zdecydowanie zbyt mało… I tutaj z pomocą przychodzi właśnie układ Darlingtona.

Idea układu Darlingtona

Jeżeli jeden tranzystor jest w stanie wzmacniać prąd, to czy użycie dwóch tranzystorów poprawi naszą sytuację? Okazuje się, że tak. Wystarczy, że połączymy je w układ Darlingtona, czyli konfigurację, która została opracowana w 1953 roku przez Sidneya Darlingtona.

Przykładowy schemat połączenia dwóch tranzystorów bipolarnych w układ Darlingtona

Przykładowy schemat połączenia dwóch tranzystorów bipolarnych w układ Darlingtona

Opisując działanie układu Darlingtona, założymy, że prąd kolektora jest równy prądowi emitera (dla uproszczenia pominiemy tutaj prąd bazy). Uznamy też, że układ zawiera 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. Zdecydowanie większa część prądu płynie przez T2, dlatego prąd kolektora T1 można uznać za pomijalnie mały.

Rozkład prądów płynących w układzie Darlingtona

Rozkład prądów płynących w układzie Darlingtona

Przekształcając wzory, dokonaliśmy kilku uproszczeń. Jednak 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.

Zalety układu Darlingtona

Tranzystory połączone w układzie Darlingtona stosuje się tak samo jak pojedyncze bipolarne. Można je traktować jako jeden tranzystor o zmodyfikowanych parametrach. Najważniejszą cechą tej konfiguracji jest mnożenie się współczynników wzmocnienia prądowego.

Wróćmy 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 5 A wymagać będzie zaledwie 3 mA – taki prąd z powodzeniem zapewni większość mikrokontrolerów.

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

Gotowe zestawy do kursów Forbota

 Komplet elementów  Gwarancja pomocy  Wysyłka w 24h

Chcesz zrozumieć elektronikę? Zamów zestaw elementów do wykonania wszystkich ćwiczeń z kursu i przejdź do praktyki!

Zamów w Botland.com.pl »

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 sumują się (około 0,7 V przy włączeniu).

Znacznie poważniejszym mankamentem jest jednak zwiększone napięcie nasycenia. Zagadnienie to najlepiej przeanalizować na schemacie z rozpisanymi napięciami.

Rozkład napięć w nasyconym tranzystorze Darlingtona

Rozkład napięć w nasyconym tranzystorze Darlingtona

Na napięcie kolektor–emiter tranzystora Darlingtona składają się:

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

Gdy doprowadzamy układ do stanu nasycenia, tranzystor T2 musi być wciąż otwarty, czyli jego napięcie baza–emiter wynosi 0,7 V. Dzięki temu tranzystor T1 może się prawidłowo nasycić i jego UCE spada do umownego poziomu 0,2 V. Po zsumowaniu tych napięć okazuje się, że UCE tranzystora T2 to aż 0,9 V!

W naszym przykładowym układzie z początku artykułu pojedynczy tranzystor ma dużą przewagę: w stanie nasycenia odłoży się na nim około 0,2 V (w praktyce nieco więcej), co w połączeniu z prądem rzędu 5 A płynącym przez jego kolektor spowoduje wydzielenie mocy około 1 W.

Taką ilość ciepła można bez trudu rozproszyć za pomocą niewielkiego radiatora, czyli elementu, który odprowadza ciepło z przykręconego (lub przyklejonego) do niego elementu. Na ogół wykonuje się go z aluminium, które jest lekkie i dobrze przewodzi ciepło. Radiatory mają różne formy – najczęściej w przekroju przypominają grzebień, co zwiększa powierzchnię kontaktu z opływającym go powietrzem.

Przykładowy radiator – element odprowadzający ciepło

Przykładowy radiator – element odprowadzający ciepło

Wróćmy jednak do sterowania naszym silnikiem. Jeśli wykorzystamy układ Darlingtona, to traconej mocy będzie prawie 5 W. Wymaga to znacznie solidniejszego radiatora. Ponadto napięcie zasilające odbiornik będzie mniejsze o około 1 V. W przypadku układów zasilanych niskim napięciem, np. 3,3 V, będzie to znaczący spadek.

Jeszcze jedna kwestia – może oczywista, ale często zapominana. W stanie zatkania napięcie kolektor–emiter obu tranzystorów jest prawie takie samo. Oznacza to, że przy sterowaniu odbiornikiem z zasilania np. 60 V takie napięcie muszą wytrzymać (z zapasem) oba tranzystory.

Połączenie Darlingtona w praktyce

Pora na sprawdzenie właściwości układu Darlingtona w praktyce. Oczywiście zgodnie z wcześniejszym schematem taką konfigurację możemy zbudować „ręcznie” za pomocą dwóch tranzystorów. Układ ten jest jednak tak popularny, że producenci sprzedają też gotowe tranzystory Darlingtona, które mają w sobie takie podwójne połączenie, a z wyglądu przypominają zwykły, pojedynczy tranzystor.

W naszym eksperymencie użyjemy tranzystora MPSA29 (β > 10000), który jest gotowym tranzystorem Darlingtona. Porównamy jego działanie z omawianym wcześniej BC546 (β = 200–450). Tym razem zbudujemy dwie wersje „grafitowo-papierowego potencjometru”, w którym jedna ze ścieżek, przez którą płynie prąd, będzie namalowana ołówkiem na kartce!

Do wykonania tego ćwiczenia potrzebne są:

  • 1 × rezystor 10 kΩ,
  • 1 × rezystor 1 kΩ,
  • 1 × dioda świecąca (wybierz ulubiony kolor),
  • 1 × tranzystor BC546,
  • 1 × tranzystor MPSA29,
  • 1 × ołówek,
  • 1 × kartka papieru,
  • 4 × bateria AA,
  • 1 × koszyk na 4 baterie AA,
  • 1 × płytka stykowa,
  • komplet przewodów połączeniowych.

W pierwszej kolejności wykonaj własny potencjometr – na kartce papieru narysuj ołówkiem grubą linię o długości kilkunastu centymetrów. Kilkukrotnie przeciągnij ołówek po linii, aby była ona wyraźna (jednokrotne przeciągnięcie nie wystarczy, bo ślad węgla na kartce nie będzie ciągły). Jak pewnie wiesz, grafit przewodzi prąd – stawia jednak dość spory opór. Rysując linię, wykonałeś rezystor o rezystancji rzędu setek kiloomów na centymetr – możesz sprawdzić to miernikiem uniwersalnym.

Za pomocą miernika możliwe jest zmierzenie oporu linii narysowanej ołówkiem

Za pomocą miernika możliwe jest zmierzenie oporu linii narysowanej ołówkiem

Teraz musimy ułożyć na płytce stykowej układ, który będzie korzystał z naszego grafitowego rezystora. Na razie wykorzystamy znany nam tranzystor BC546, który został omówiony w kursie elektroniki na poziomie I. Od razu warto jednak zwrócić uwagę na inne ułożenie wyprowadzeń MPSA29!

Porównanie wyprowadzeń tranzystora BC546 oraz MPSA29

Porównanie wyprowadzeń tranzystora BC546 oraz MPSA29

Grafitową linię wykorzystamy w roli „potencjometru” regulującego prąd płynący przez bazę – wystarczy, że przyciśniemy do kartki przewody sygnałowe. Im większy dystans będzie między przewodami, tym większy będzie między nimi opór. Rezystor 10 kΩ służy zabezpieczeniu tranzystora przed spaleniem w przypadku omyłkowego zwarcia tych przewodów.

Schemat układu do badania wzmocnienia BC546

Schemat układu do badania wzmocnienia BC546

Cały układ może wyglądać w praktyce następująco:

Pora sprawdzić, jak układ zachowa się przy różnym oporze. Podczas wykonywania tego ćwiczenia nie dotykaj palcami przewodów „potencjometru” – rezystancja skóry jest relatywnie niska, co zaburzy przebieg tego 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 swój wynik, wyłącz zasilanie i podmień tranzystor na MPSA29. Pamiętaj jednak o tym, że ten tranzystor ma inaczej wyprowadzony emiter i kolektor!

Schemat układu do badania wzmocnienia MPSA29

Schemat układu do badania wzmocnienia MPSA29

Cały układ może wyglądać w praktyce następująco:

Po zbudowaniu układu włączamy zasilanie i ponownie dociskamy końcówki przewodów do ścieżki na kartce. Teraz dystans między przewodami, przy którym dioda świeci, powinien być znacznie dłuższy. Wszystko za sprawą właściwości nowego tranzystora, który charakteryzuje się znacznie większym wzmocnieniem beta.

Tranzystory Darlingtona są powolne!

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.

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 ten prąd i podaje go na bazę T2, a ten również załącza się bardzo sprawnie. Wszystko dzieje się całkiem szybko.

Przykładowy schemat połączenia dwóch tranzystorów bipolarnych w układ Darlingtona

Przykładowy schemat połączenia dwóch tranzystorów bipolarnych w układ Darlingtona

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, 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 tylko zatkany tranzystor… Nie pozostaje nic innego, jak czekać, aż te nośniki samorzutnie „rozproszą się” i tranzystor w końcu przestanie przewodzić.

Zjawisko to demonstrują poniższe ilustracje (wartości prądu oczywiście nie oddają prawdziwych – mają ilustrować jedynie skalę i sam fakt przewodzenia prądu; RL i ikonka silnika symbolizują jakiś element, który zasilany jest przez tranzystor, np. właśnie silnik).

Przy wyłączeniu sytuacja wygląda następująco:

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 sposób na częściowe rozwiązanie tego problemu. Metoda ta polega na dodaniu rezystora między bazą a emiterem tranzystora T2. Dzięki temu nośniki znajdą ujście z bazy. Pewną wadą jest zmniejszenie wzmocnienia prądowego, bo ten rezystor „podkrada” prąd z emitera T1.

Takie zmodyfikowane tranzystory Darlingtona są dostępne w sprzedaży, zarówno pojedyncze, jak i w formie układów scalonych z większą liczbą elementów w środku. Dobrym przykładem jest popularny układ ULN2003, który zawiera w swojej strukturze aż 7 takich układów.

Popularny układ ULN2003

Popularny układ ULN2003

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

Schemat wewnętrzny ULN2003 – przykład dla jednego sterownika

Schemat wewnętrzny ULN2003 – przykład dla jednego sterownika

Podsumowanie

Za nami kolejny odcinek kursu, w którym omówiliśmy właściwości tranzystorów, a to i tak mały skrawek tajemnic, jakie wiążą się z tymi niezwykle popularnymi elementami. Od teraz nie powinieneś mieć już problemu, jeśli okaże się, że potrzebny jest tranzystor o dużo większym wzmocnieniu prądowym niż to, co jest dostępne pod ręką. Musisz jednak pamiętać, że tranzystory Darlingtona mają kilka wad.

Czy wpis był pomocny? Oceń go:

Średnia ocena 4.8 / 5. Głosów łącznie: 316

Nikt jeszcze nie głosował, bądź pierwszy!

Artykuł nie był pomocny? Jak możemy go poprawić? Wpisz swoje sugestie poniżej. Jeśli masz pytanie to zadaj je w komentarzu - ten formularz jest anonimowy, nie będziemy mogli Ci odpowiedzieć!

To nie koniec naszej przygody z tranzystorami. W dalszej części kursu elektroniki zajmiemy się dokładniej tranzystorami, które sterowane są napięciowo, a nie prądowo. Mowa o MOSFET-ach!

Nawigacja kursu


Autorzy kursu: Damian Szymański, Michał Kurzela, ilustracje: Piotr Adamczyk. Zakaz kopiowania treści kursów oraz grafik bez zgody FORBOT.pl. Data ostatniego sprawdzenia tego wpisu: 17.09.2021.

darlington, elektronika, kurs, kursElektroniki2

Trwa ładowanie komentarzy...