Составной транзистор. Схема Дарлингтона, пара Шиклаи

Составной транзистор - схема объединения двух или более транзисторов, которая позволяет добиться лучших характеристик.

На рисунке приведена схема Дарлингтона, названная по имени изобретателя, Сидни Дарлингтона, который предложил её в 1953 году. Схема эквивалентна одиночному транзистору: имеет три вывода для общения с внешним миром, и даже выпускается промышленностью как самостоятельная деталь. Но при этом обладает более высоким коэффициентом усиления и большим входным сопротивлением, по сравнению с одиночным транзистором.

Содержание статьи:

• Характеристики составного транзистора Дарлингтона
• Недостатки схемы Дарлингтона
• Резистор для ускорения переключения
• Высокое напряжение смещения
• Схема Шиклаи
• Супербета-транзисторы

Характеристики пары Дарлингтона

Входной сигнал усиливается последовательно первым транзистором, затем вторым. За счёт этого общий коэффициент усиления по току схемы Дарлингтона равен произведению коэффициентов входящих в неё транзисторов:

β_общ ≈ β₁ * β₂

Далее, у первого транзистора нагрузка включена в эмиттерную цепь. Значит, он наследует некоторые свойства схемы эмиттерного повторителя. А именно, высокое входное сопротивление: базовое напряжение слабо влияет на базовый ток из-за действия отрицательной обратной связи.

Благодаря этим характеристикам, пара Дарлингтона может использоваться в тех участках схемы, где необходимо с помощью малого тока управлять током, на порядки большем: в линейных стабилизаторах напряжения, низкочастотных усилителях мощности, сенсорных переключателях (схема Дарлингтона настолько чувствительна, что база первого транзистора пары может реагировать даже на простое прикосновение). В качестве примера в одной из статей рассмотрена схема блока питания с составным транзистором.

Недостатки схемы Дарлингтона

Однако, у такого составного транзистора есть и недостатки. К примеру, транзистор Q₂, по сути, не может полностью войти в режим насыщения. Даже если Q₁ полностью открыт, и его напряжение эмиттер-коллектор составляет 0.2 В, то на эмиттере Q₂ не может быть менее чем 0.8 В относительно коллектора, т.к. здесь добавляется напряжение эмиттерного перехода второго транзистора.

Такое большое падение напряжения К-Э при высоких токах означает значительное тепловыделение (рассеиваемая мощность равна ток умножить на напряжение). Поэтому, транзисторы Дарлингтона, особенно мощные, часто устанавливают на радиатор.

Второй недостаток - медленное переключение составного транзистора, из-за чего он может применяться только в низкочастотных схемах. Дело в том, что, когда транзистор Q₁ закрывается, Q₂ продолжает некоторое время оставаться открытым: накопленным на базе Q₂ зарядам просто некуда деться, а естественное рассеивание их происходит сравнительно медленно.

Резистор в схеме

Для устранения этого недостатка в схему добавляют резистор между базой и эмиттером второго транзистора:

Этот резистор подтягивает базу Q₂ к земле и ускоряет его выключение. Кроме того, резистор не даёт неуправляемым токам утечки Q₁ случайно открыть транзистор Q₂.

Конечно, резистор забирает часть эмиттерного тока первого транзистора. Тем самым, второму транзистору достаётся меньше тока, и общий коэффициент усиления падает. Однако, в некоторых случаях, с помощью резистора R₁ можно добиться и повышения усиления. Дело в том, что коэффициент усиления некоторых моделей транзисторов сложным образом зависит от коллекторного тока. Регулируя коллекторный ток Q₁ с помощью подбора резистора, можно добиться оптимального усиления. Обычно номинал R₁ равен порядка сотен Ом для мощных транзисторов, и десятки кОм для маломощных.

Высокое напряжение смещения

Третий недостаток схемы Дарлингтона - высокое напряжение смещения база-эмиттер. Оно складывается из напряжений смещения двух эмиттерных переходов, включенных последовательно. И если для одного транзистора оно составляет 0.6-0.7 В (именно столько падает на прямовключенном pn-переходе), то, чтобы открыть составной транзистор, необходимо подать на базу 1.2 - 1.4 В. относительно эмиттера:

Схема Шиклаи

Чтобы устранить этот недостаток, была разработана схема на транзисторах разной проводимости, известная как пара Шиклаи по имени изобретателя. Также эту схему называют "комплиментарным Дарлингтоном", т.к. в ней используют транзисторы с одинаковыми характеристиками но с разным типом проводимости. Пример такой схемы, эквивалентной транзистору n-p-n, приведен на рисунке:

Если заменить транзисторы на транзисторы противоположной проводимости, получим составной транзистор, эквивалентный транзистору p-n-p.

Резистор R₁ в этой схеме устанавливается с теми же целями, что и в схеме Дарлингтона.

Если посмотреть внимательно на схему Шиклаи, мы увидим, что падение напряжения база-эмиттер будет равно падению одного транзистора (0.6-0.7 В), в отличие от пары Дарлингтона. За счёт этого, схема Шиклаи обладает большей температурной стабильностью, позволяет в более широком диапазоне задавать ток покоя, и достигать лучших линейных характеристик. Тем не менее, по скорости переключения она даже уступает схеме Дарлингтона, также как и по падению напряжения коллектор-эмиттер выходного транзистора.

Супербета транзисторы

Схему Дарлингтона и Шиклаи иногда ошибочно называют супербета транзистором. На самом деле, супербета транзистор - это не составной, а единичный транзистор с высоким коэффициентом усиления по току β. Такой коэффициент достигается конструктивно, за счёт очень тонкой базы (её толщина всего 0.2-0.3 мкм). Подобные транзисторы достаточно сложны в производстве, и весьма чувствительны к превышению допустимых напряжений и токов. Супербета транзистор может работать только при достаточно малых напряжениях коллектора.