- Darlingtonův tranzistorový pár a jeho konfigurace:
- Výpočet proudového zisku dvojice tranzistorů Darlington:
- Příklad Darlingtonova tranzistoru:
- Aplikace tranzistoru Darlington:
- Co je to identický Darlingtonův tranzistor?
- Darlingtonův tranzistorový IC:
- Přepínání motoru pomocí IC ULN2003:
Darlingtonský tranzistor vynalezl v roce 1953 americký elektrotechnik a vynálezce Sidney Darlington.
Darlingtonův tranzistor používá dva standardní tranzistory BJT (bipolární spojovací tranzistor), které jsou vzájemně propojeny. Darlingtonův tranzistor připojený v konfiguraci, kde jeden z emitorů tranzistoru poskytuje předpjatý proud do základny druhého tranzistoru.
Darlingtonův tranzistorový pár a jeho konfigurace:
Pokud vidíme symbol Darlingtonova tranzistoru, můžeme jasně vidět, jak jsou propojeny dva tranzistory. Na obrázcích níže jsou zobrazeny dva typy Darlingtonova tranzistoru. Na levé straně je to NPN Darlington a na druhé straně je to PNP Darlington. Vidíme, že NPN Darlington se skládá ze dvou NPN tranzistorů a PNP Darlington se skládá ze dvou PNP tranzistorů. Vysílač prvního tranzistoru je přímo připojen přes základnu druhého tranzistoru, také kolektor dvou tranzistorů je spojen dohromady. Tato konfigurace se používá pro tranzistory Darlington NPN i PNP. V této konfiguraci dvojice nebo Darlingtonův tranzistor produkuje mnohem vyšší zisk a velké schopnosti zesílení.
Normální BJT tranzistor (NPN nebo PNP) může pracovat mezi dvěma stavy, ZAPNUTO a VYPNUTO. Musíme zajistit proud do základny, která řídí kolektorový proud. Když základně poskytneme dostatek proudu, vstupuje BJT do režimu nasycení a proud teče z kolektoru do emitoru. Tento kolektorový proud je přímo úměrný základnímu proudu. Poměr základního proudu a proudu kolektoru se nazývá proudový zisk tranzistoru, který se označuje jako Beta (β). U typického BJT tranzistoru je proudový zisk omezen v závislosti na specifikaci tranzistoru. V některých případech však aplikace potřebuje větší proudový zisk, který by jediný tranzistor BJT nemohl poskytnout. TheDarlingtonův pár je ideální pro aplikace, kde je vyžadován vysoký proudový zisk.
Křížová konfigurace:
Konfigurace zobrazená na výše uvedeném obrázku však používá buď dva PNP nebo dva NPN, existují i jiné konfigurace Darlington nebo je také k dispozici křížová konfigurace, kde se používá PNP s NPN nebo NPN se používá s PNP. Tento typ křížové konfigurace se nazývá konfigurace dvojic Sziklai Darlington nebo konfigurace Push-Pull.
Na obrázku výše jsou uvedeny dvojice Sziklai Darlington. Tato konfigurace produkuje méně tepla a má výhody ohledně doby odezvy. Budeme o tom diskutovat později. Používá se pro zesilovače třídy AB nebo tam, kde je potřeba topologie Push-Pull.
Zde je několik projektů, kde jsme použili Darlingtonovy tranzistory:
- Generování tónů klepnutím na prsty pomocí Arduina
- Jednoduchý obvod detektoru lži pomocí tranzistorů
- Obvod infračerveného vysílače s dlouhým dosahem
- Line Follower Robot pomocí Arduina
Výpočet proudového zisku dvojice tranzistorů Darlington:
Na následujícím obrázku vidíme dva PNP nebo dva NPN tranzistory, které jsou vzájemně propojeny.
Celkový proud zisk Darlington dvojice bude BE
Zisk proudu (hFE) = Zisk prvního tranzistoru (hFE 1) * Zisk druhého tranzistoru (hFE 2)
Na výše uvedeném obrázku vytvořily dva NPN tranzistory konfiguraci NPN Darlington. Dva NPN tranzistory T1 a T2 jsou spojeny dohromady v pořadí, ve kterém jsou spojeny kolektory T1 a T2. První tranzistor T1 poskytuje požadovaný základní proud (IB2) do základny druhého tranzistoru T2. Takže základní proud IB1, který řídí T1, řídí tok proudu na základně T2.
Takže celkový proudový zisk (β) je dosaženo, když je sběrač proudu
β * IB jako hFE = fFE 1 * hFE 2
Jelikož jsou dva kolektory tranzistorů propojeny dohromady, celkový proud kolektoru (IC) = IC1 + IC2
Nyní, jak bylo diskutováno výše, dostaneme proud kolektoru β * IB 1
V této situaci je aktuální zisk jednota nebo větší než jedna.
Podívejme se, jak je současný zisk násobením proudového zisku dvou tranzistorů.
IB2 je řízen emitorovým proudem T1, kterým je IE1. IE1 je přímo připojen přes T2. Takže IB2 a IE1 jsou stejné.
IB2 = IE1.
Tento vztah můžeme dále změnit pomocí
IC 1 + IB 1
Změníme IC1, jak jsme to udělali dříve, dostaneme
β 1 IB 1 + IB 1 IB 1 (β 1 + 1)
Stejně jako dříve jsme to viděli
IC = β 1 IB 1 + β 2 IB 2 As, IB2 nebo 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 }
Takže celkový IC proudu kolektoru je kombinačním ziskem zisku jednotlivých tranzistorů.
Příklad Darlingtonova tranzistoru:
60W zatížení s 15V potřeby vstupního napětí je třeba přepnout pomocí dvou tranzistorů NPN, vytváří Darlington pár. Zisk prvního tranzistoru bude 30 a zisk druhého tranzistoru bude 95. Vypočítáme základní proud pro přepínání zátěže.
Jak víme, při zapnutí zátěže bude proudem kolektoru proud zátěže. Jak na elektrické právo je kolektorový proud (IC) nebo zatížení proudu (IL), bude
I L = I C = Napájení / Napětí = 60/15 = 4Amp
Protože zisk základního proudu pro první tranzistor bude 30 a pro druhý tranzistor bude 95 (β1 = 30 a β2 = 95), můžeme základní proud vypočítat pomocí následující rovnice -
Pokud tedy na první tranzistorovou základnu použijeme proud 1,3 mA, zátěž se přepne na „ ON “ a pokud použijeme proud 0 mA nebo uzemníme základnu, zátěž se vypne „ OFF “.
Aplikace tranzistoru Darlington:
Použití Darlingtonova tranzistoru je stejné jako u normálního BJT tranzistoru.
Na obrázku nahoře se pro přepínání zátěže používá tranzistor NPN Darlington. Zátěž může být cokoli od indukční nebo odporové zátěže. Základní odpor R1 poskytuje základní proud do NPN Darlingtonova tranzistoru. Rezistor R2 má omezit proud na zátěž. Je použitelný pro konkrétní zátěže, které při stabilním provozu vyžadují omezení proudu. Protože příklad naznačuje, že základní proud je vyžadován velmi nízký, lze jej snadno přepnout z mikrokontroléru nebo digitálních logických jednotek. Ale když je Darlingtonův pár v nasycené oblasti nebo plně za podmínek, dochází k poklesu napětí přes základnu a emitor. Pro darlingtonský pár je to hlavní nevýhoda. Poklesy napětí se pohybují od 0,3 V do 1,2 V. Díky tomuto poklesu napětí se Darlingtonův tranzistor zahřeje, když je plně zapnutý a dodává proud do zátěže. Díky konfiguraci druhého rezistoru je také zapnut prvním rezistorem, Darlingtonův tranzistor produkuje pomalejší dobu odezvy. V takovém případě poskytuje konfigurace Sziklai výhodu oproti době odezvy a tepelnému výkonu.
Populární tranzistor NPN Darlington je BC517.
Podle datového listu BC517 poskytuje výše uvedený graf stejnosměrný proudový zisk BC517. Informace o teplotě okolí poskytují tři křivky od nižší po vyšší. Pokud vidíme křivku teploty okolí 25 stupňů, je zisk stejnosměrného proudu maximální, když je kolektorový proud kolem 150 mA.
Co je to identický Darlingtonův tranzistor?
Identický Darlingtonův tranzistor má dva identické páry se přesně stejnou specifikací se stejným proudovým ziskem pro každý z nich. To znamená, že proudový zisk prvního tranzistoru β1 je stejný jako proudový zisk druhých tranzistorů β2.
Pomocí vzorce kolektorového proudu bude proudový zisk identického tranzistoru
IC = {{ β 1 + (β2 * β1) + β 2} * IB} IC = {{ β 1 + (β2 * β1) + β 1} * IB} β 2 = IB / IC
Současný zisk bude mnohem vyšší. Příklady párů NPN Darlington jsou TIP120, TIP121, TIP122, BC517 a příklady párů PNP Darlington jsou BC516, BC878 a TIP125.
Darlingtonův tranzistorový IC:
Darlingtonův pár umožňuje uživatelům řídit více energetických aplikací pomocí několika miliampérového proudu zdroje z mikrořadiče nebo zdrojů nízkého proudu.
ULN2003 je čip široce používaný v elektronice, který poskytuje vysoce aktuální Darlingtonova pole se sedmi výstupy s otevřeným kolektorem. Rodina ULN se skládá z ULN2002A, ULN2003A, ULN2004A, tří různých variant v několika možnostech balení. ULN2003 je široce používán variantu v sérii ULN. Toto zařízení obsahuje odrušovací diody uvnitř integrovaného obvodu, což je další funkce k řízení indukční zátěže pomocí tohoto.
Toto je vnitřní struktura IC ULN2003. Jedná se o 16pin dip balíček. Jak vidíme, vstupní a výstupní kolík jsou přesně opačné, díky tomu je jednodušší připojení IC a zjednodušení návrhu desky plošných spojů.
K dispozici je sedm otevřených sběratelských kolíků. K dispozici je také jeden další kolík, který je užitečný pro aplikace související s indukční zátěží, mohou to být motory, solenoidy, relé, které potřebují volnoběžné diody, můžeme připojení provést pomocí tohoto kolíku.
Vstupní piny jsou kompatibilní pro použití s TTL nebo CMOS, na druhé straně jsou výstupní piny schopné potopit vysoké proudy. Podle datového listu jsou dvojice Darlingtonů schopné potopit 500 mA proudu a mohou tolerovat 600 mA špičkového proudu.
Na horním obrázku je pro každý ovladač zobrazeno skutečné připojení Darlingtonova pole. Používá se v sedmi ovladačích, každý ovladač tvoří tento obvod.
Pokud jsou vstupní piny ULN2003, od pinu 1 do pinu 7, vybaveny High, bude výstup nízký a bude skrz něj proud klesat. A když poskytneme Low in input pin, výstup bude ve stavu vysoké impedance a nebude klesat proud. Čep 9 se používá pro nulovou diodu; při přepínání jakékoli indukční zátěže pomocí řady ULN by mělo být vždy připojeno k VCC. Můžeme také řídit více současných aplikací paralelizací vstupů a výstupů dvou párů, jako bychom mohli spojit pin 1 s pinem 2 a na druhé straně můžeme připojit pin 16 a 15 a paralelně dva Darlingtonovy páry pro řízení vyšších proudových zátěží.
ULN2003 se také používá k pohonu krokových motorů s mikrokontroléry.
Přepínání motoru pomocí IC ULN2003:
V tomto videu je motor připojen přes výstupní kolík otevřeného kolektoru, na druhé straně vstup poskytujeme proud přibližně 500 nA (0,5 mA) a řízení 380 mA proudu přes motor. Takto malé množství základního proudu může řídit mnohem vyšší kolektorový proud v Darlingtonově tranzistoru.
Při použití motoru je také kolík 9 připojen přes VCC, aby poskytoval ochranu proti volnoběhu.
Rezistor poskytuje nízké vytahování, čímž se vstup LOW, když ze zdroje nepřichází žádný proud, což způsobí, že výstup s vysokou impedancí zastaví motor. Zpět nastane, když je na vstupní kolík přiveden další proud.