И снова УМЗЧ JLH. Тест отечественных транзисторов в выходном каскаде.

В этой статье мы расскажем о транзисторе Дарлингтона или паре Дарлингтона, приведем несколько примеров схем, покажем варианты применения, преимущества и недостатки.

На современном рынке доступны самые разнообразные транзисторы Дарлингтона, которые различаются по проводимости, току коллектора, мощности рассеяния, типу корпуса, максимальному напряжению CE и т. д.

Эти транзисторы встречаются в различных типах устройств, таких как регуляторы мощности, контроллеры двигателя, аудиоусилители и т. д. Многие оптико-изоляторные схемы изготавливаются на транзисторах Дарлингтона, чтобы иметь высокую токовую нагрузку на выходном каскаде.

Почему мы используем транзистор Дарлингтона?

Как известно, для перевода транзистора в режим проводимости требуется небольшой базовый ток в схеме с общим эмиттером. Иногда этого малого тока базы (коэффициент усиления по току) может быть недостаточно, чтобы перевести транзистор в состояние проводимости.

Коэффициент усиления по току или бета транзистора — это отношение тока коллектора к току базы.

Коэффициент усиления транзистора или коэффициент усиления по току (β) = ток нагрузки или коллектора / входной или базовый ток.

Ток нагрузки = коэффициент усиления по току (β) × базовый ток

Для обычного транзистора значение β составляет примерно 100. Приведенное выше соотношение говорит о том, что ток нагрузки превышает в 100 раз базовый ток транзистора.

Тестер транзисторов / ESR-метр / генератор

Многофункциональный прибор для проверки транзисторов, диодов, тиристоров…

Подробнее

Рассмотрим схематичный рисунок, приведенный ниже. Здесь транзистор с переменным резистором, подключенным между источником питания и базой транзистора, используется для изменения яркости лампы.

В этой схеме базовый ток является единственным фактором, который определяет ток, протекающий через коллектор — эмиттер. Таким образом, изменяя сопротивление переменного резистора, можно добиться изменения яркости свечения лампы.

Если значение сопротивления переменного резистора больше, то базовый ток уменьшается — транзистор выключается. Когда сопротивление слишком мало, достаточное количество тока будет протекать через базу, что приведет к увеличению тока коллектор-эмиттер, соответственно лампа будет светить ярче. Это усиление тока в транзисторе.

В приведенном выше примере мы видели управление нагрузкой (лампой) с использованием одного транзистора. Но в некоторых схемах входной базовый ток от источника может быть недостаточным для управления нагрузкой. Мы знаем, что величина тока, протекающего через коллектор-эмиттер, является произведением тока базы и коэффициента усиления транзистора.

Поскольку увеличение тока от источника невозможно, единственный способ увеличить ток нагрузки — это увеличить коэффициент усиления транзистора. Но для каждого транзистора это постоянный коэффициент. Однако мы можем увеличить усиление, используя комбинацию из двух транзисторов. Эта конфигурация называется конфигурацией Дарлингтона.

Транзистор Дарлингтона представляет собой соединение двух транзисторов определенным образом. Пара биполярных транзисторов обеспечивает очень высокое усиление тока по сравнению с одним стандартным транзистором, как упомянуто выше.

Пара этих транзисторов может быть PNP или NP. На рисунке ниже показана конфигурация пары Дарлингтона с NPN, а также с транзисторами PNP.

Чувствительность

Чувствительность передатчика в значительной степени зависит от номинала нагрузочного резистора R1 электретного микрофона. В прототипе мы использовали сопротивление 39 кОм, так как используемый нами микрофон был очень чувствительным. Если вы хотите повысить чувствительность, то сопротивление этого резистора можно уменьшить до 33 кОм, но не опускайтесь ниже.

Электретные микрофоны бывают разных размеров. Все они работают по одному и тому же принципу — генерируют выходной сигнал при подаче напряжения. Некоторые из них обладают высокой чувствительностью, а другие — крайне низкой. Невозможно выяснить разницу не испытав их на деле.

Инфракрасный обогреватель с термостатом + светильник

Быстрый прогрев помещения, индивидуальная температура в каждой ком…

Подробнее

Электретные микрофоны не производят напряжение или ток, а скорее изменяют напряжение на нагрузочном резисторе. Вот почему необходим нагрузочный резистор, подключенный последовательно с одним из выводов.

Пример транзисторной схемы Дарлингтона

Рассмотрим следующую схему, где пара Дарлингтона используется для переключения нагрузки, которая рассчитана на 12 В и 80 Вт. Усиление тока первого и второго транзисторов возьмем как 50 и 60 соответственно. Таким образом, базовый ток, необходимый для полного включения лампы, рассчитывается следующим образом.

Ток коллектора равен току нагрузки,

I C = 80/12 = 6,67 A

Выходной ток транзистора Дарлингтона задается как Ic = I B (β 1 + β 2 + β 1 β 2 ),

I B = I C / (β 1 + β 2 + β 1 β 2 )

Коэффициент усиления по току, β1 = 50 and β2 = 60

Итак, IB= 6.67 / (50 + 60 + (60 × 50))

IB = 2.2 mA

Из приведенного выше расчета ясно, что при небольшом базовом токе мы можем переключать большие нагрузки. Этот небольшой базовый ток может подаваться с любого выхода микроконтроллера или любых цифровых логических схем.

Аналоги

Для замены могут подойти транзисторы кремниевые, со структурой NPN, эпитаксиально-планарные, предназначенные для использования в импульсных источниках питания, пускорегулирующих устройствах, схемах управления электродвигателями и др., аппаратуре общего применения.

Отечественное производство

Транзисторы, близкие по параметрам к серии 13003 (MJE13003).

Зарубежное производство

Аналоги транзистора E13003 (MJE13003).

Аналоги транзисторов 13003BR (MJE13003BR) и 13003T (KSE13003T).

Примечание: данные таблиц получены из даташип компаний-производителя.

Применение транзистора Дарлингтона

Транзисторы Дарлингтона в основном используются в схемах коммутации и усиления для обеспечения очень высокого усиления постоянного тока. Некоторые из ключевых схем — это переключатели на стороне высокого и низкого уровня, сенсорные усилители и усилители звука. Для светочувствительных устройств используются фотодарлингтон. Давайте посмотрим работу транзистора Дарлингтона на конкретном примере.

Транзистор Дарлингтон (NPN) в качестве переключателя

На рисунке ниже показано управление светодиодом с использованием транзистора Дарлингтона. Переключатель на базе также может быть заменен сенсорным датчиком, так что при касании сенсора будет загораться светодиод. Резистор на 100 кОм действует как защитный резистор для пары транзисторов.

Дарлингтонский Транзистор как Переключатель

Когда переключатель замкнут, на транзистор Дарлингтона подается напряжение более 1,4 В. Это приводит к тому, что пара Дарлингтона становится активной и пропускает ток через нагрузку. Это приводит к тому, что светодиоды начинают светиться очень ярко, даже при изменении сопротивления у базы.

Когда переключатель разомкнут, оба биполярных транзистора находятся в режиме отсечки, и ток через нагрузку равен нулю. Таким образом, светодиод гаснет.

Также возможно использовать пару Дарлингтона для управления индуктивными нагрузками, такими как реле, двигатели. По сравнению с одним транзистором, управление индуктивными нагрузками с помощью пары Дарлингтона является более эффективным, поскольку обеспечивается высокий ток нагрузки при небольшом входном токе базы.

На рисунке ниже показана пара Дарлингтона, которая управляет катушкой реле. При коммутации индуктивной нагрузки необходимо параллельно подключить диод, чтобы защитить цепь от индуцированных токов. Как и в приведенной выше схеме работы светодиодов, катушка реле получает питание при подаче тока базы. Мы также можем использовать двигатель постоянного тока в качестве индуктивной нагрузки вместо катушки реле.

Симметричный мультивибратор на транзисторах

Принцип работы состоит в переходе из одного нестабильного состояния (Q1 закрыт, Q2 открыт) в другое (Q1 открыт, Q2 закрыт).
Начнем с первого состояния: Q1 закрыт, Q2 открыт.

Конденсатор С1 быстро заряжается идет через «меньший» резистор R4 и базовый переход Q2. Одновременно с этим через открытый Q2 через «больший» резистор R2 медленно разряжается C2, отрицательное напряжение на котором держит в запертом состоянии Q1.

В процессе дальнейшего перезаряда С2 на базе Q1 появляется уже положительное, отпирающее напряжение, и Q1 начинает открываться. Ток через него возрастает, снижается напряжение на коллекторе Q1 и базе Q2, что вызывает его запирание.

Напряжение на коллекторе Q2 увеличивается и через конденсатор C2 еще сильнее открывает Q1.

Процесс открывания Q1 ускоряет запирание Q2, и процесс происходит практически лавинообразно, и переход из одного состояния в другое происходит очень быстро.

Напряжения на конденсаторе C1, база-эмиттер и коллектор-эмиттер транзистора Q2Напряжения на конденсаторе C1, база-эмиттер и коллектор-эмиттер транзистора Q2

В общем, транзисторы периодически друг друга открывают и закрывают.

Теперь немного о расчете элементов.

Период состоит из двух частей t1 и t2, зависящих от сопротивлений R2, R3 и емкостей C1, C2:

t1 = 0,7 x R3 x C1;

t2 = 0,7 x R2 x C2

Для примера, в схеме на картинке выше период равен t1 + t2 = 2*0,7*22 кОм*0,1 мкФ = 3,08 мс.

Период 3,3 мсПериод 3,3 мс

От сопротивления резисторов R1 и R4 зависит длительность спада импульсов: чем меньше сопротивление, тем быстрее спад.

При R1 = R4 = 470 ОмПри R1 = R4 = 470 Ом

Главный недостаток такой схемы — медленные спады. Этот недостаток исправляют в схеме:

Транзистор Дарлингтон (PNP) в качестве переключателя

Мы можем использовать PNP-транзисторы в качестве пары Дарлингтона, но чаще всего используются NPN-транзисторы. Нет большой разницы в схеме с использованием NPN или PNP. Ниже на рисунке показана простая схема датчика, которая выдает аварийный сигнал с использованием пары Дарлингтона.

Этот контур представляет собой простой индикатор уровня воды, в котором пара Дарлингтона используется в качестве переключателя. Мы знаем, что эта конфигурация транзистора обеспечивает большой ток коллектора, поэтому он может управлять зуммером на выходе.

Когда уровень воды недостаточен для замыкания датчика, транзистор Дарлингтона находится в выключенном состоянии. Следовательно, цепь разорвана, и через нее не протекает ток.

По мере повышения уровня воды датчик замыкается, в результате чего поступает необходимый базовый ток на пару Дарлингтона. Следовательно, цепь замыкается, и ток нагрузки протекает так, что зуммер подает сигнал.

Частота мультивибратора

Отметим, что заряд конденсатора через Rб продолжается сравнительно долго по времени, а вот переключение транзисторов происходит практически мгновенно. Поэтому мультивибратор генерирует прямоугольные импульсы. А их частота определяется временем заряда конденсаторов:

f = 1.443 / (C1*Rб1 + C2*Rб2)

где f — частота (Гц), C — ёмкость в фарадах, R — сопротивление в омах

Остаётся добавить парочку технических замечаний. Первое: у мультивибратора два выхода, сигнал можно снимать и с коллектора T1 и с коллектора T2. Эти два сигнала находятся в противофазе, в некоторых схемах используется это свойство и задействованы оба сигнала. При подключении нагрузки важно не зашунтировать транзистор, иначе есть риск внести искажения в работу мультивибратора, или даже вовсе сорвать генерацию. Лучше всего нагрузку подключать параллельно коллекторному сопротивлению.

Ну и второе замечание. Очевидное, но без его упоминания статья была бы неполная: мы разбираем здесь схему на основе транзисторов n-p-n, но точно также мультивибратор можно построить на транзисторах p-n-p, поменяв полярность питания. А также на радиолампах, операционных усилителях, логических элементах и т. д. — главное, чтобы были два усилительных каскада, охваченных ОС. Одна из таких схем будет приведена ниже.

Советуем к прочтению: Микросхема LM358: datasheet на русском, применение, аналоги, назначение выводов

Выходные формы импульса

Выходное напряжение имеет форму, приблизительно квадратной формы волны. Считается ниже транзистора Q1. В состоянии 1 , Q2 база-эмиттер в обратном направлении и конденсатор С1 «отцепленный» от земли. Выходное напряжение включенного транзистора Q1 быстро меняется от высокого(пределы: более 1кВ) к низкому(пределы: до 250 В), так как это низко-резистивного выход, то загружается высокий импеданс нагрузки (последовательно соединенных конденсаторов С1 и высокоомных базу резистор R2). Во время состояния 2 , Q2 база-эмиттер в прямом смещением и конденсатор С1 «подключили» к земле. Выходное напряжение выключенного транзистора Q1 изменяется экспоненциально от низкого до высокого, так как это относительно высокий резистивный выход, то загружается низкий импеданс нагрузки (емкость C1). Это для выходного напряжения R 1 C 1 интегрирующей цепи. Чтобы приблизиться к необходимой площади сигнала,нужно, чтобы ток коллектора резисторов был ниже сопротивления. База резисторов должна быть достаточно низкой, чтобы насытить транзисторы в конце восстановления (R B <�β.r c=»»></β.r>

Начальное питание

Однако, если схема временного хранения и с высокой базы, длиннее, чем требуется для полной зарядки конденсаторов, то схема будет оставаться в стабильном состоянии, как с базы на 0,6 В, и коллекторы на 0 В, и оба конденсатора разряжаются до -0,6 В. Это может произойти при запуске без внешнего вмешательства, если R и С и очень мало.

Защитные компоненты

Хотя это и не основополагающее значение для работы схемы, диоды соединенные последовательно с базой или эмиттером транзисторов необходимы, чтобы предотвратить переход база-эмиттер, их гонят в обратном направлении пробоя, когда напряжение питания превышает V EB напряжение пробоя, как правило, около 5 -10 вольт для кремниевых транзисторов общего назначения.

Преимущества пары Дарлингтон

Пара Дарлингтона имеет несколько преимуществ по сравнению со стандартным одиночным транзистором. Вот некоторые из них:

• Он обеспечивает очень высокий коэффициент усиления по току, чем стандартный одиночный транзистор
• Он обеспечивает очень высокий входной импеданс или хорошее преобразование импеданса.
• Они могут быть двумя отдельными транзисторами или поставляются в одном корпусе.
• Простая и удобная конфигурация схемы, так как используется всего несколько компонентов.
• В случае пары фотодарлингтон внешний шум намного меньше по сравнению с фототранзистором с внешним усилителем.

Недостатки пары Дарлингтон

• Низкая скорость переключения
• Пропускная способность ограничена
• На определенных частотах в цепи отрицательной обратной связи эта конфигурация вводит фазовый сдвиг.
• Требуемое напряжение базы-эмиттера высокое и в два раза больше, чем у стандартного транзистора.
• Высокое рассеивание мощности из-за высокого напряжения насыщения.
• Общий ток утечки высокий, потому что ток утечки первого транзистора усиливается следующим транзистором. Вот почему три или более ступений Дарлингтона невозможны.

Следовательно, пара Дарлингтона очень полезна в большинстве приложений, поскольку она обеспечивает высокий коэффициент усиления по току при низких базовых токах.

Хотя это имеет некоторые ограничения, эти пары широко используются в приложениях, где не требуется высокочастотная характеристика, а требуются высокие уровни усиления по току. В случае схем усилителя мощности звука эта конфигурация обеспечивает лучшую выходную мощность.

Можно ли собрать схему самостоятельно

Да, можно. Это устройство отлично подойдет для начинающих и для тех, кто интересуется электроникой.

На этой схеме мало деталей, но работает она просто и надежно. Можно собрать схему и навесным монтажом, на монтажной плате или же попробовать свои силы в изготовлении печатной платы — лазерно утюжная технология (ЛУТ).

Из деталей транзисторы КТ315 можно брать любые, близкие по аналогам. Резисторы 0,125 Вт, а конденсаторы — не меньше питающего напряжения. Питать можно от ЛБП (лабораторного блока питания) или от аккумулятора +12 В, зарядного устройства.

По поводу настройки частоты. Можно поменять частоту при помощи емкости и сопротивления. При помощи резисторов намного проще. Достаточно просто поменять обычный резистор на переменный (не подстроечный). Достаточно из контактов 1-2-3 использовать 1-2 или 3-1.

Чем больше сопротивление — тем меньше шаг регулировки. От переменного резистора можно провести провода и визуально наблюдать за изменением частоты.