- Пара транзисторов Дарлингтона и ее конфигурация:
- Расчет коэффициента усиления пары транзисторов Дарлингтона:
- Пример транзистора Дарлингтона:
- Применение транзистора Дарлингтона:
- Что такое идентичный транзистор Дарлингтона?
- Микросхема транзистора Дарлингтона:
- Переключение двигателя с помощью ULN2003 IC:
Транзистор Дарлингтона изобретен в 1953 году американским инженером-электриком и изобретателем Сидни Дарлингтоном.
Транзистор Дарлингтона использует два стандартных транзистора BJT (биполярный переходный транзистор), которые соединены вместе. Транзистор Дарлингтона подключен в конфигурации, в которой один из эмиттеров транзистора подает ток смещения на базу другого транзистора.
Пара транзисторов Дарлингтона и ее конфигурация:
Если мы увидим символ транзистора Дарлингтона, мы можем ясно увидеть, как два транзистора соединены. На изображениях ниже показаны два типа транзисторов Дарлингтона. Слева - NPN Darlington, а с другой - PNP Darlington. Мы видим, что NPN Darlington состоит из двух транзисторов NPN, а PNP Darlington состоит из двух транзисторов PNP. Эмиттер первого транзистора напрямую подключен к базе другого транзистора, также коллекторы двух транзисторов соединены вместе. Эта конфигурация используется как для NPN-, так и для PNP-транзисторов Дарлингтона. В этой конфигурации пара транзисторов Дарлингтона дает гораздо более высокий коэффициент усиления и большие возможности усиления.
Обычный BJT-транзистор (NPN или PNP) может работать между двумя состояниями: ВКЛ и ВЫКЛ. Нам нужно подать ток на базу, которая контролирует ток коллектора. Когда мы обеспечиваем достаточный ток на базу, BJT переходит в режим насыщения, и ток течет от коллектора к эмиттеру. Этот ток коллектора прямо пропорционален току базы. Отношение тока базы к току коллектора называется коэффициентом усиления транзистора по току, который обозначается как бета (β). В типичном BJT-транзисторе коэффициент усиления по току ограничен в зависимости от спецификации транзистора. Но в некоторых случаях приложению требуется большее усиление по току, которое не может обеспечить один транзистор BJT. ВПара Дарлингтона идеально подходит для приложений, где требуется высокий коэффициент усиления по току.
Перекрестная конфигурация:
Однако конфигурация, показанная на изображении выше, использует либо два PNP, либо два NPN, существуют другие конфигурации Дарлингтона, или также доступна перекрестная конфигурация, где PNP используется с NPN или NPN используется с PNP. Этот тип перекрестной конфигурации называется парной конфигурацией Шиклая-Дарлингтона или конфигурацией Push-Pull.
На изображении выше показаны пары Шиклай-Дарлингтон. Эта конфигурация выделяет меньше тепла и имеет преимущества в отношении времени отклика. Об этом мы поговорим позже. Он используется для усилителя класса AB или там, где необходимы топологии Push-Pull.
Вот несколько проектов, в которых мы использовали транзисторы Дарлингтона:
- Генерация тонов касанием пальцев с помощью Arduino
- Простая схема детектора лжи на транзисторах
- Схема ИК-передатчика дальнего действия
- Робот следящего за линией, использующий Arduino
Расчет коэффициента усиления пары транзисторов Дарлингтона:
На изображении ниже мы видим, что два транзистора PNP или два NPN соединены вместе.
Общий коэффициент усиления по току пары Дарлингтона будет быть-
Коэффициент усиления по току (hFE) = коэффициент усиления первого транзистора (hFE 1) * коэффициент усиления второго транзистора (hFE 2)
На изображении выше два транзистора NPN создают конфигурацию Дарлингтона NPN. Два NPN-транзистора T1 и T2 соединены вместе в том порядке, в котором соединены коллекторы T1 и T2. Первый транзистор Т1 подает требуемый базовый ток (IB2) на базу второго транзистора Т2. Итак, базовый ток IB1, который управляет T1, управляет текущим потоком в базе T2.
Таким образом, общий коэффициент усиления по току (β) достигается, когда ток коллектора равен
β * IB как hFE = fFE 1 * hFE 2
Поскольку два коллектора транзистора соединены вместе, общий ток коллектора (IC) = IC1 + IC2
Теперь, как обсуждалось выше, мы получаем ток коллектора β * IB 1
В этой ситуации текущий коэффициент усиления равен единице или больше единицы.
Давайте посмотрим, как коэффициент усиления по току является умножением коэффициента усиления по току двух транзисторов.
IB2 управляется током эмиттера T1, который равен IE1. IE1 напрямую подключен к T2. Итак, IB2 и IE1 одинаковы.
IB2 = IE1.
Мы можем изменить это отношение дальше с помощью
IC 1 + IB 1
Изменяя IC1, как мы делали ранее, мы получаем
β 1 IB 1 + IB 1 IB 1 (β 1 + 1)
Как и раньше, мы видели, что
IC = β 1 IB 1 + β 2 IB 2 As, IB2 или IE2 = IB1 (β1 + 1) IC = β 1 IB 1 + β 2 IB 1 (β1 + 1) IC = β 1 IB 1 + β 2 IB 1 β 1 + β 2 IB 1 IC = { β 1 + (β 1 + β 2) + β 2 }
Таким образом, общий ток коллектора IC является комбинационным усилением отдельных транзисторов.
Пример транзистора Дарлингтона:
60W нагрузки с 15В потребностями входного напряжения, чтобы быть переключены с помощью двух транзисторов NPN, создавая пары Дарлингтона. Коэффициент усиления первого транзистора будет 30, а коэффициент усиления второго транзистора будет 95. Рассчитаем базовый ток для переключения нагрузки.
Как известно, при включении нагрузки ток коллектора будет током нагрузки. Согласно закону мощности, ток коллектора (IC) или ток нагрузки (IL) будет
I L = I C = Мощность / Напряжение = 60/15 = 4 А
Поскольку коэффициент усиления по току базы для первого транзистора будет 30, а для второго транзистора будет 95 (β1 = 30 и β2 = 95), мы можем рассчитать базовый ток по следующему уравнению:
Таким образом, если мы применяем 1.3mA тока через первый транзистор базы, нагрузка переключается « ON », и если мы применим 0 мА тока или заземлен базу нагрузка будет переключена « OFF ».
Применение транзистора Дарлингтона:
Применение транзистора Дарлингтона такое же, как и для обычного транзистора BJT.
На изображении выше NPN-транзистор Дарлингтона используется для переключения нагрузки. Нагрузка может быть любой, от индуктивной до резистивной. Резистор базы R1 обеспечивает ток базы на транзисторе Дарлингтона NPN. Резистор R2 предназначен для ограничения тока нагрузки. Это применимо для конкретных нагрузок, которым требуется ограничение тока для стабильной работы. Поскольку пример показывает, что базовый ток требуется очень мало, его можно легко переключить с микроконтроллера или цифровых логических устройств. Но когда пара Дарлингтона находится в области насыщения или полностью исправна, на базе и эмиттере возникает падение напряжения. Это главный недостаток пары Дарлингтонов.. Падение напряжения составляет от 0,3 В до 1,2 В. Из-за этого падения напряжения транзистор Дарлингтона нагревается, когда он полностью включен и подает ток на нагрузку. Кроме того, из-за конфигурации второй резистор включается первым резистором, транзистор Дарлингтона дает более медленное время отклика. В таком случае конфигурация Sziklai обеспечивает преимущество по времени отклика и тепловым характеристикам.
Популярный NPN-транзистор Дарлингтона - BC517.
Согласно таблице данных BC517, на приведенном выше графике показано усиление постоянного тока BC517. Три кривые от более низкой к более высокой соответственно предоставляют информацию о температуре окружающей среды. Если мы видим кривую температуры окружающей среды 25 градусов, усиление постоянного тока будет максимальным, когда ток коллектора составляет около 150 мА.
Что такое идентичный транзистор Дарлингтона?
Идентичный транзистор Дарлингтона имеет две идентичные пары с одинаковыми характеристиками с одинаковым коэффициентом усиления по току для каждой из них. Это означает, что коэффициент усиления по току первого транзистора β1 такой же, как коэффициент усиления по току второго транзистора β2.
Используя формулу тока коллектора, коэффициент усиления по току Идентичного транзистора будет:
IC = {{ β 1 + (β2 * β1) + β 2} * IB} IC = {{ β 1 + (β2 * β1) + β 1} * IB} β 2 = IB / IC
Текущий прирост будет намного выше. Примеры пар Дарлингтона NPN - это TIP120, TIP121, TIP122, BC517, а примерами пар Дарлингтона PNP являются BC516, BC878 и TIP125.
Микросхема транзистора Дарлингтона:
Пара Дарлингтона позволяет пользователям управлять большим количеством мощных приложений с помощью источника тока в несколько миллиампер от микроконтроллера или источников слабого тока.
ULN2003 - это микросхема, широко используемая в электронике, которая обеспечивает сильноточные матрицы Дарлингтона с семью выходами с открытым коллектором. Семейство ULN состоит из трех различных вариантов ULN2002A, ULN2003A, ULN2004A в нескольких вариантах комплектации. ULN2003 широко используется вариант в серии ULN. Это устройство включает в себя подавляющие диоды внутри интегральной схемы, что является дополнительной функцией для управления индуктивной нагрузкой с ее помощью.
Это внутренняя структура микросхемы ULN2003. Это 16- контактный дип-пакет. Как мы видим, входной и выходной штырьки полностью противоположны, благодаря чему проще подключить ИС и упростить конструкцию печатной платы.
Доступно семь выводов с открытым коллектором. Также доступен один дополнительный вывод, который полезен для приложений, связанных с индуктивной нагрузкой, это могут быть двигатели, соленоиды, реле, которым требуются обратные диоды, мы можем выполнить соединение, используя этот вывод.
Входные контакты совместимы для использования с TTL или CMOS, с другой стороны, выходные контакты способны принимать высокие токи. Согласно таблице данных, пары Дарлингтона способны потреблять ток 500 мА и выдерживать пиковый ток 600 мА.
На верхнем изображении показано фактическое соединение массива Дарлингтона для каждого драйвера. Он используется в семи драйверах, каждый драйвер состоит из этой схемы.
Когда входные контакты ULN2003, от контакта 1 до контакта 7, имеют высокий уровень, на выходе будет низкий уровень, и через него будет проходить ток. И когда мы обеспечиваем низкий входной контакт, выход будет в состоянии высокого импеданса и не будет потреблять ток. Контакт 9 используются для выбега диода; он всегда должен быть подключен к VCC при переключении любой индуктивной нагрузки с использованием серии ULN. Мы также можем управлять более современными приложениями, параллельно подключив две пары входов и выходов, например, мы можем соединить контакт 1 с контактом 2, а с другой стороны, можем подключить контакты 16 и 15. и параллельно две пары Дарлингтона для управления более высокими токовыми нагрузками.
ULN2003 также используется для управления шаговыми двигателями с микроконтроллерами.
Переключение двигателя с помощью ULN2003 IC:
В этом видео двигатель подключен к выходному контакту с открытым коллектором, с другой стороны, к входу, мы обеспечиваем ток около 500 нА (0,5 мА) и контролируем ток 380 мА на двигателе. Вот как небольшая величина базового тока может управлять гораздо более высоким током коллектора в транзисторе Дарлингтона.
Кроме того, как двигатель используется, контакт 9 соединен через VCC для обеспечения свободного хода защиты.
Резистор обеспечивает низкую нагрузку, делая вход НИЗКИМ, когда от источника не поступает ток, что приводит к высокому сопротивлению выхода, останавливающему двигатель. Обратное произойдет, когда на входной вывод подается дополнительный ток.