Výpočty Darlingtonových tranzistorov

Darlingtonov tranzistor je dobre známe a populárne pripojenie využívajúce dvojicu bipolárnych tranzistorových spojovacích tranzistorov (BJT) určených na prácu ako zjednotený „vynikajúci“ tranzistor. Nasledujúca schéma zobrazuje podrobnosti o pripojení.

Definícia

Darlingtonov tranzistor možno definovať ako spojenie medzi dvoma BJT, ktoré im umožňuje vytvoriť jediný kompozitný BJT získavajúci značné množstvo súčasného zisku, ktorý sa môže typicky pohybovať nad tisíc.

Hlavnou výhodou tejto konfigurácie je, že kompozitný tranzistor sa správa ako jediné zariadenie so zlepšenou funkciou súčasný zisk ekvivalent k súčinu súčasných ziskov každého tranzistora.

Ak sa Darlingtonovo spojenie skladá z dvoch samostatných BJT so súčasnými ziskami β₁a p_dvakombinovaný prúdový zisk je možné vypočítať pomocou vzorca:

b_D= β₁b_dva-------- (12,7)

Keď sa spárované tranzistory používajú v Darlingtonovom zapojení tak, že β₁= β_dva= β, vyššie uvedený vzorec pre aktuálny zisk sa zjednoduší ako:

b_D= β^dva-------- (12,8)

Balený Darlingtonov tranzistor

Pre svoju nesmiernu popularitu sú tranzistory Darlington tiež vyrábané a dostupné hotové v jednom balení, ktoré má dva BJT interne zapojené ako jeden celok.

V nasledujúcej tabuľke je uvedený údajový list príkladu darlingtonského páru v jednom balíku.

Indikovaný súčasný zisk je čistý zisk z dvoch BJT. Jednotka sa dodáva s 3 štandardnými svorkami externe, a to základňou, vysielačom a kolektorom.

Tento druh zabalených Darlingtonových tranzistorov má vonkajšie vlastnosti podobné normálnym tranzistorom, ale má veľmi vysoký a zvýšený výstup prúdového zisku v porovnaní s normálnymi samostatnými tranzistormi.

Ako DC Bias a Darlingtonov tranzistorový obvod

Nasledujúci obrázok ukazuje bežný Darlingtonov obvod využívajúci tranzistory s veľmi vysokým prúdovým ziskom β_D.

Tu je možné vypočítať základný prúd pomocou vzorca:

Ja_B= V_DC- V_BE/ R_B+ β_DR_JE-------------- (12,9)

Aj keď to môže vyzerať podobne ako rovnica, ktorá sa bežne používa pre každú bežnú BJT , hodnota β_Dvo vyššie uvedenej rovnici bude podstatne vyššia a V_BEbude porovnateľne väčšia. Toto sa preukázalo aj vo vzorovom údajovom liste uvedenom v predchádzajúcom odseku.

Preto je možné prúd emitora vypočítať ako:

Ja_JE= (β_D+ 1) Ja_B≈ β_DJa_B-------------- (12.10)

DC napätie bude:

V._JE= Ja_JER_JE-------------- (12.11)

V._B= V_JE+ V_BE-------------- (12.12)

Vyriešený príklad 1

Z údajov uvedených na nasledujúcom obrázku vypočítajte predpäťové prúdy a napätia Darlingtonovho obvodu.

Riešenie : Pri použití ekv. 12.9 sa základný prúd určí ako:

Ja_B= 18 V - 1,6 V / 3,3 MΩ + 8000 (390Ω) ≈ 2,56 μA

Použitím Rovnice 12.10 možno prúd emitora vyhodnotiť ako:

Ja_JE≈ 8000 (2,56 μA) ≈ 20,28 mA ≈ I_C.

DC napätie vysielača sa dá vypočítať pomocou rovnice 12.11, ako:

V._JE= 20,48 mA (390 Ω) ≈ 8 V,

Napokon možno kolektorové napätie vyhodnotiť použitím ekv. 12.12, ako je uvedené nižšie:

V._B= 8 V + 1,6 V = 9,6 V

V tomto príklade bude napájacie napätie na kolektore Darlingtonu:
V._C.= 18 V

AC ekvivalentný Darlingtonov obvod

Na obrázku zobrazenom nižšie môžeme vidieť a Sledovač emitorov BJT obvod zapojený v Darlingtonovom režime. Základná svorka páru je pripojená k vstupnému signálu striedavého prúdu cez kondenzátor C1.

Výstupný striedavý signál získaný cez kondenzátor C2 je spojený s svorkou vysielača zariadenia.

Výsledok simulácie vyššie uvedenej konfigurácie je uvedený na nasledujúcom obrázku. Tu je možné vidieť Darlingtonov tranzistor nahradený obvodom ekvivalentným striedavému prúdu so vstupným odporom r _i a výstupný zdroj prúdu predstavovaný ako b _D Ja _b

AC vstupnú impedanciu je možné vypočítať podľa nasledujúcich pokynov:

Prechádza striedavý prúd r _i je:

Ja_b= V_i- V_alebo/ r_i---------- (12.13)

Odkedy
V._alebo= (Ja_b+ β_DJa_b) R_JE---------- (12.14)

Ak použijeme Eq 12.13 v Eq. 12.14 dostaneme:

Ja_br_i= V_i- V_alebo= V_i- Ja_b(1 + β_D) R_JE

Riešenie vyššie uvedeného pre V. _i:

V._i= Ja_b[r_i+ (1 + β_D) R_JE]

V._i/ Ja_b= r_i+ β_DR_JE

Teraz, skúmajúc základňu tranzistora, možno jeho vstupnú impedanciu striedavého prúdu vyhodnotiť ako:

S_i= R_B॥ r_i+ β_DR_JE---------- (12.15)

Vyriešený príklad 2

Teraz poďme vyriešiť praktický príklad pre vyššie uvedený návrh sledovača emitoru ekvivalentného striedavému prúdu:

Určte vstupnú impedanciu obvodu danú r _i = 5 kΩ

Aplikáciou Rovnice 12.15 vyriešime rovnicu uvedenú nižšie:

S_i= 3,3 MΩ॥ [5 kΩ + (8000) 390 Ω)] = 1,6 MΩ

Praktický dizajn

Tu je praktický dizajn Darlingtonu pripojením Výkonový tranzistor 2N3055 s malým signálnym tranzistorom BC547.

Na strane vstupu signálu sa používa 100K rezistor na zníženie prúdu na niekoľko millamps.

Za normálnych okolností s takým nízkym prúdom v základni samotný 2N3055 nikdy nedokáže osvetliť vysoké prúdové zaťaženie, ako napríklad žiarovka 12V 2 amp. Je to preto, že súčasný zisk 2N3055 je veľmi nízky na to, aby sa nízky základný prúd mohol spracovať na vysoký kolektorový prúd.

Avšak akonáhle je tu ďalší BJT, ktorý je BC547, pripojený k 2N3055 v Darlingtonovom páre, zjednotený prúdový zisk vyskočí na veľmi vysokú hodnotu a umožní žiarovke svietiť pri plnom jase.

Priemerný súčasný zisk (hFE) 2N3055 je okolo 40, zatiaľ čo pre BC547 je to 400. Keď sa tieto dva skombinujú ako darlingtonský pár, zisk vystrelí v podstate až na 40 x 400 = 16000, nie je to úžasné. To je druh energie, ktorú môžeme získať z konfigurácie Darlingtonovho tranzistora, a z obyčajne vyzerajúceho tranzistora by sa dal jednoduchou úpravou urobiť prístroj s obrovským hodnotením.