Transistors bipolaires composites. Transistor composite (circuit Darlington et Shiklai). Augmenter la puissance du transistor

Dans les circuits intégrés et l'électronique discrète, deux types de transistors composites sont largement utilisés : selon les schémas Darlington et Shiklai. Dans les circuits de micropuissance, tels que les étages d'entrée des amplificateurs opérationnels, les transistors composés fournissent une résistance d'entrée élevée et de faibles courants d'entrée. Dans les appareils qui fonctionnent avec des courants élevés (par exemple, pour les stabilisateurs de tension ou les étages de sortie des amplificateurs de puissance), afin d'augmenter l'efficacité, il est nécessaire de fournir un gain de courant élevé pour les transistors haute puissance.

Le schéma Shiklai met en œuvre un puissant p-n-p transistor à gain élevé avec une faible puissance p-n-p transistor avec petit DANS et puissant n-p-n transistor ( figure 7.51). Dans les circuits intégrés, cette inclusion implémente un high-bit p-n-p transistor basé sur horizontal p-n-p transistor et vertical n-p-n transistor. De plus, ce circuit est utilisé dans de puissants étages de sortie push-pull, lorsque des transistors de sortie de même polarité sont utilisés ( n-p-n).

Figure 7.51 - Composite p-n-p transistor Figure 7.52 - Composite n-p-n Transistor Shiklai Transistor Darlington

Le circuit Shiklai ou transistor Darlington complémentaire se comporte comme un transistor p-n-p taper ( figure 7.51) avec un gain de courant important,

La tension d'entrée est identique à un seul transistor. La tension de saturation est supérieure à celle d'un seul transistor par la quantité de chute de tension à travers la jonction de l'émetteur n-p-n transistor. Pour les transistors au silicium, cette tension est de l'ordre du volt, par opposition à des fractions de volt pour un seul transistor. Entre base et émetteur n-p-n transistor (VT2), il est recommandé d'inclure une résistance avec une petite résistance pour supprimer le courant incontrôlé et augmenter la stabilité thermique.

Le transistor Darlington est implémenté sur des transistors unipolaires ( figure 7.52). Le gain en courant est déterminé par le produit des coefficients des transistors constitutifs.

La tension d'entrée d'un transistor Darlington est le double de celle d'un seul transistor. La tension de saturation dépasse le transistor de sortie. L'impédance d'entrée de l'amplificateur opérationnel à

Le circuit Darlington est utilisé dans les transistors de commutation monolithiques discrets. Deux transistors, deux résistances shunt et une diode de protection sont formés sur un cristal ( figure 7.53). Résistances R 1 et R 2 supprimer le gain en mode courant faible, ( figure 7.38), qui fournit un faible courant incontrôlé et une augmentation de la tension de fonctionnement d'un transistor fermé,

Figure 7.53 - Circuit électrique d'un transistor Darlington monolithique pulsé

La résistance R2 (de l'ordre de 100 Ohm) est réalisée sous la forme d'un shunt technologique, similaire aux shunts de la jonction cathodique des thyristors. A cet effet, lors de la formation - de l'émetteur par photolithographie, certaines zones locales laissent le masque d'oxyde sous la forme d'un cercle. Ces masques locaux ne permettent pas la diffusion des impuretés donneuses, et sous eux restent p- Colonnes ( figure 7.54). Après métallisation sur toute la surface de l'émetteur, ces colonnes représentent une résistance répartie R2 et une diode de protection D ( figure 7.53). La diode de protection protège les jonctions de l'émetteur contre les pannes lorsque la tension du collecteur est inversée. La consommation d'énergie d'entrée d'un transistor Darlington est inférieure d'un ordre et demi à deux ordres de grandeur à celle d'un seul transistor. La fréquence de commutation maximale dépend de la tension limite et du courant de collecteur. Les transistors pour courants fonctionnent avec succès dans des convertisseurs d'impulsions jusqu'à des fréquences de l'ordre de 100 kHz. Une caractéristique distinctive du transistor Darlington monolithique est la caractéristique de transfert quadratique, puisque DANS- la caractéristique d'ampère augmente linéairement avec l'augmentation du courant de collecteur jusqu'à une valeur maximale,

Lors de la conception de circuits électroniques, il existe souvent des situations où il est souhaitable d'avoir des transistors avec des paramètres meilleurs que ceux proposés par les fabricants d'éléments radio. Dans certains cas, nous pouvons avoir besoin d'un gain de courant plus élevé h 21 , dans d'autres une résistance d'entrée plus élevée h 11 , et d'autres encore d'une conductivité de sortie plus faible h 22 . Pour résoudre ces problèmes, l'option d'utiliser un composant électronique, dont nous parlerons plus loin, est excellente.

Le dispositif du transistor composite et la désignation sur les schémas

Le circuit ci-dessous équivaut à un seul semi-conducteur npn. Dans ce circuit, le courant d'émetteur VT1 est le courant de base VT2. Le courant de collecteur du transistor composite est déterminé principalement par le courant VT2.

Ce sont deux transistors bipolaires séparés fabriqués sur la même puce et dans le même boîtier. Il y a aussi une résistance de charge dans le circuit émetteur du premier transistor bipolaire. Le transistor Darlington a les mêmes bornes qu'un transistor bipolaire standard - base, collecteur et émetteur.

Comme vous pouvez le voir sur la figure ci-dessus, un transistor composite standard est une combinaison de plusieurs transistors. Selon le niveau de complexité et la dissipation de puissance, il peut y en avoir plus de deux dans la composition du transistor Darlington.

Le principal avantage du transistor composite est un gain de courant h 21 beaucoup plus important, qui peut être calculé approximativement par la formule comme le produit des paramètres h 21 des transistors inclus dans le circuit.

h 21 \u003d h 21vt1 × h21vt2 (1)

Donc, si le gain du premier est de 120 et le second de 60, alors le gain total du circuit Darlington est égal au produit de ces valeurs - 7200.

Mais gardez à l'esprit que le paramètre h21 dépend assez fortement du courant de collecteur. Dans le cas où le courant de base du transistor VT2 est suffisamment faible, le collecteur VT1 peut ne pas suffire à fournir la valeur souhaitée du gain en courant h 21 . Ensuite, une augmentation de h21 et, par conséquent, une diminution du courant de base du transistor composite peuvent entraîner une augmentation du courant de collecteur VT1. Pour ce faire, une résistance supplémentaire est incluse entre l'émetteur et la base VT2, comme indiqué dans le schéma ci-dessous.

Calculons les éléments pour le circuit Darlington, montés, par exemple, sur des transistors bipolaires BC846A, le courant VT2 est de 1 mA. Ensuite, son courant de base est déterminé à partir de l'expression :

je kvt1 \u003d je bvt2 \u003d je kvt2 / h 21vt2 \u003d 1 × 10 -3 A / 200 \u003d 5 × 10 -6 A

Avec un courant aussi faible de 5 µA, le coefficient h 21 diminue fortement et le coefficient global peut être d'un ordre de grandeur inférieur à celui calculé. En augmentant le courant de collecteur du premier transistor à l'aide d'une résistance supplémentaire, vous pouvez gagner de manière significative dans la valeur du paramètre général h 21. Étant donné que la tension à la base est une constante (pour un semi-conducteur à trois broches en silicium typique u être \u003d 0,7 V), la résistance peut être calculée à partir de:

R \u003d u bevt2 / i evt1 - i bvt2 \u003d 0,7 Volts / 0,1 mA - 0,005mA \u003d 7 kOhm

En même temps, on peut compter sur un gain en courant allant jusqu'à 40 000. C'est selon ce schéma que de nombreux transistors superbetta sont construits.

En ajoutant du goudron, je mentionnerai que ce circuit Darlington présente un inconvénient aussi important que l'augmentation de la tension U ke. Si dans les transistors conventionnels la tension est de 0,2 V, alors dans un transistor composite elle monte à un niveau de 0,9 V. Cela est dû à la nécessité d'ouvrir VT1, et pour cela il est nécessaire d'appliquer une tension allant jusqu'à 0,7 V à sa base (si lors de la fabrication du silicium a été utilisé comme semi-conducteur).

En conséquence, afin d'éliminer l'inconvénient mentionné, des modifications mineures ont été apportées au circuit classique et un transistor Darlington complémentaire a été obtenu. Un tel transistor composite est composé de dispositifs bipolaires, mais de conductivité différente : p-n-p et n-p-n.

Les radioamateurs russes et étrangers appellent une telle connexion le schéma Shiklai, bien que ce schéma soit appelé une paire paradoxale.

Un inconvénient typique des transistors composites qui limitent leur utilisation est leur faible vitesse, ils ne sont donc largement utilisés que dans les circuits basse fréquence. Ils fonctionnent parfaitement dans les étages de sortie des ULF puissants, dans les circuits de contrôle moteur et les dispositifs d'automatisation, dans les circuits d'allumage des voitures.

Sur les schémas de circuit, un transistor composite est appelé transistor bipolaire conventionnel. Bien que, rarement, une telle image graphique conditionnelle d'un transistor composite dans le circuit soit utilisée.

L'un des plus courants est l'ensemble intégré L293D - il s'agit de quatre amplificateurs de courant dans un seul boîtier. De plus, le microensemble L293 peut être défini comme quatre clés électroniques à transistors.

L'étage de sortie du microcircuit consiste en une combinaison de circuits Darlington et Shiklai.

De plus, les micro-assemblages spécialisés basés sur le schéma de Darlington ont également reçu le respect des radioamateurs. Par exemple . Ce circuit intégré est essentiellement une matrice de sept transistors Darlington. De tels assemblages universels décorent parfaitement les circuits radioamateurs et les rendent plus fonctionnels.

Le microcircuit est un commutateur à sept canaux de charges puissantes basé sur des transistors composites Darlington à collecteur ouvert. Les commutateurs contiennent des diodes de protection, ce qui permet de commuter des charges inductives, telles que des enroulements de relais. Le commutateur ULN2004 est requis lors de l'interfaçage de charges haute puissance avec des puces logiques CMOS.

Le courant de charge à travers la batterie, en fonction de sa tension (appliquée à la jonction B-E VT1), est régulé par le transistor VT1, dont la tension de collecteur contrôle l'indicateur de charge sur la LED (lorsqu'il se charge, le courant de charge diminue et la LED s'éteint progressivement) et un puissant transistor composite contenant VT2, VT3, VT4.

Le signal nécessitant une amplification à travers l'ULF préliminaire est envoyé à l'étage d'amplification différentielle préliminaire construit sur les composites VT1 et VT2. L'utilisation d'un circuit différentiel dans l'étage d'amplification réduit les effets de bruit et fournit une rétroaction négative. La tension OS est fournie à la base du transistor VT2 à partir de la sortie de l'amplificateur de puissance. DC OS est implémenté via la résistance R6.

Au moment où le générateur est allumé, le condensateur C1 commence à se charger, puis la diode Zener s'ouvre et le relais K1 est activé. Le condensateur commence à se décharger à travers la résistance et le transistor composite. Après une courte période de temps, le relais s'éteint et un nouveau cycle de générateur commence.

La désignation d'un transistor composite constitué de deux transistors séparés connectés selon le circuit de Darlington est illustrée à la figure 1. Le premier des transistors mentionnés est connecté selon le circuit émetteur-suiveur, le signal de l'émetteur du premier transistor va à la base du deuxième transistor. L'avantage de ce circuit est son gain exceptionnellement élevé. Le gain de courant total p pour ce circuit est égal au produit des gains de courant des transistors individuels : p = pgr2.

Par exemple, si le transistor d'entrée d'une paire Darlington a un gain de 120 et que le gain du deuxième transistor est de 50, alors le total p est de 6000. En fait, le gain sera encore légèrement plus grand, car le courant total du collecteur du transistor composite est égal à la somme des courants de collecteur de la paire lui de transistors.
Le circuit complet du transistor composite est illustré à la figure n ° 2. Dans ce circuit, les résistances R 1 et R 2 forment un diviseur de tension qui polarise la base du premier transistor. La résistance Rn connectée à l'émetteur d'un transistor composite forme un circuit de sortie. Un tel dispositif est largement utilisé en pratique, notamment dans les cas où un gain de courant important est requis. Le circuit est très sensible au signal d'entrée et possède un courant de collecteur de sortie élevé, ce qui permet d'utiliser ce courant comme courant de commande (surtout à basse tension d'alimentation). L'utilisation du schéma Darlington permet de réduire le nombre de composants dans les circuits.

Le circuit Darlington est utilisé dans les amplificateurs basse fréquence, les oscillateurs et les dispositifs de commutation. L'impédance de sortie du circuit Darlington est plusieurs fois inférieure à l'entrée. En ce sens, ses caractéristiques sont similaires à celles d'un transformateur abaisseur. Cependant, contrairement au transformateur, le circuit Darlington permet d'obtenir un gain de puissance important. L'impédance d'entrée du circuit est approximativement égale à $²Rn et son impédance de sortie est généralement inférieure à Rn. Dans les dispositifs de commutation, le circuit Darlington est utilisé dans la gamme de fréquences jusqu'à 25 kHz.

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08.10.2014
Le volume stéréo, la balance et le contrôle de tonalité sur le ТСА5550 ont les paramètres suivants : Faible distorsion harmonique pas plus de 0,1 % Tension d'alimentation 10-16 V (12 V nominal) Consommation de courant 15 ... 30 mA Tension d'entrée 0,5 V (gain à une tension d'alimentation de l'unité 12V) Plage de contrôle de tonalité -14…+14dB Plage de réglage de la balance 3dB Différence entre les canaux 45dB Rapport signal sur bruit …

Darlington), font souvent partie intégrante des conceptions de radio amateur. Comme on le sait, avec une telle inclusion, le gain de courant est généralement multiplié par dix. Cependant, il n'est pas toujours possible d'obtenir une marge d'opérabilité significative pour la tension agissant sur la cascade. Les amplificateurs allumés, constitués de deux transistors bipolaires (Fig. 1.23), échouent souvent lorsqu'ils sont exposés à une tension d'impulsion, même si elle ne dépasse pas la valeur des paramètres électriques indiqués dans la littérature de référence.

Cet effet désagréable peut être traité de différentes manières. L'un d'eux - le plus simple - est la présence dans une paire d'un transistor avec une réserve de ressources importante (plusieurs fois) en termes de tension collecteur-émetteur. Le coût relativement élevé de tels transistors "haute tension" entraîne une augmentation du coût de construction. Vous pouvez, bien sûr, acheter du silicium composite spécial dans un seul paquet, par exemple : KT712, KT829, KT834, KT848, KT852, KT853, KT894, KT897, KT898, KT973, etc. Cette liste comprend des appareils puissants et moyens conçus pour presque l'ensemble des dispositifs d'ingénierie radio du spectre. Et vous pouvez utiliser le classique - avec deux transistors à effet de champ de type KP501V connectés en parallèle - ou utiliser KP501A ... V, KP540 et d'autres avec des caractéristiques électriques similaires (Fig. 1.24). Dans ce cas, la sortie de grille est connectée à la place de la base VT1 et la sortie source - au lieu de l'émetteur VT2, la sortie de drain - au lieu des collecteurs combinés VT1, VT2.

Riz. 1.24. Remplacement d'un transistor composite par des transistors à effet de champ selon

Après une révision aussi simple, c'est-à-dire remplacement des nœuds dans les circuits électriques, application universelle, le courant sur les transistors VT1, VT2 ne tombe pas en panne même avec une surcharge de tension de 10 fois ou plus. De plus, la résistance de limitation dans le circuit de porte VT1 augmente également plusieurs fois. Cela conduit au fait qu'ils ont une entrée plus élevée et, par conséquent, résistent aux surcharges avec la nature impulsionnelle du contrôle de cette unité électronique.

Le gain de courant de la cascade résultante est d'au moins 50. Il augmente en proportion directe avec l'augmentation de la tension d'alimentation du nœud.

TV1, TV2. En l'absence de transistors discrets de type KP501A ... V, il est possible d'utiliser le microcircuit 1014KT1V sans perdre la qualité de l'appareil. Contrairement, par exemple, à 1014KT1A et 1014KT1B, celui-ci résiste à des surcharges plus élevées en termes de tension appliquée de nature pulsée - jusqu'à 200 V de tension continue. Le brochage pour activer les transistors du microcircuit 1014KT1A ... 1014K1V est illustré à la Fig. 1.25.

Comme dans la version précédente (Fig. 1.24), ils sont connectés en parallèle.

Le brochage des transistors à effet de champ dans le microcircuit 1014KT1A ... V

L'auteur a testé des dizaines de nœuds électroniques inclus dans . De tels nœuds sont utilisés dans les conceptions de radio amateur comme clés de courant de la même manière que les transistors composites allumés. Aux caractéristiques ci-dessus des transistors à effet de champ, on peut ajouter leur efficacité énergétique, car à l'état fermé, en raison de l'entrée élevée, ils ne consomment pratiquement pas de courant. Quant au coût de tels transistors, il est aujourd'hui pratiquement le même que celui des transistors de type moyenne puissance (et similaires), qui sont couramment utilisés comme amplificateur de courant pour contrôler les dispositifs de charge.

Si vous ouvrez un livre sur l'ingénierie électronique, vous pouvez voir immédiatement combien d'éléments portent le nom de leurs créateurs: diode Schottky, diode Zener (alias diode zener), diode Gunn, transistor Darlington.

L'ingénieur électricien Sidney Darlington a expérimenté des moteurs à courant continu à balais et des circuits de commande pour eux. Des amplificateurs de courant ont été utilisés dans les circuits.

L'ingénieur Darlington a inventé et breveté un transistor composé de deux bipolaires et réalisé sur un seul cristal de silicium avec diffusion n(négatif) et p transitions (positives). Le nouveau dispositif à semi-conducteur porte son nom.

Dans la littérature technique nationale, le transistor Darlington est appelé composite. Alors apprenons à mieux le connaître !

Dispositif à transistor composite.

Comme déjà mentionné, il s'agit de deux transistors ou plus fabriqués sur la même puce semi-conductrice et emballés dans un boîtier commun. Il y a aussi une résistance de charge dans le circuit émetteur du premier transistor.

Le transistor Darlington a les mêmes conclusions que le transistor bipolaire familier : base (Base), émetteur (Emitter) et collecteur (Collector).

Diagramme de Darlington

Comme vous pouvez le voir, un tel transistor est une combinaison de plusieurs. Selon la puissance, il peut contenir plus de deux transistors bipolaires. Il convient de noter que dans l'électronique haute tension, un transistor est également utilisé, composé d'un bipolaire et d'un champ. Il s'agit d'un transistor IGBT. Il peut également être classé comme un dispositif semi-conducteur hybride composite.

Les principales caractéristiques du transistor Darlington.

Le principal avantage d'un transistor composite est un gain de courant important.

L'un des principaux paramètres d'un transistor bipolaire doit être rappelé. C'est le gain ( 21h). Il est également désigné par la lettre β ("beta") de l'alphabet grec. Il est toujours supérieur ou égal à 1. Si le gain du premier transistor est de 120 et le second de 60, alors le gain du composite est déjà égal au produit de ces valeurs, soit 7200, ce qui est très bien. En conséquence, un très faible courant de base suffit pour que le transistor s'allume.

L'ingénieur Shiklai (Sziklai) a quelque peu modifié la connexion Darlington et a reçu un transistor, appelé transistor Darlington complémentaire. Rappelons qu'une paire complémentaire est appelée deux éléments avec exactement les mêmes paramètres électriques, mais une conductivité différente. Une telle paire à un moment donné était KT315 et KT361. Contrairement au transistor Darlington, le transistor composite selon le schéma de Shiklai est assemblé à partir de conductivité bipolaire différente : p-n-p Et n-p-n. Voici un exemple de transistor composite Shiklai qui fonctionne comme un transistor npn, bien qu'il se compose de deux structures différentes.

Schéma Shiklai

Les inconvénients des transistors composites comprennent faible niveau de rendement, ils ne sont donc largement utilisés que dans les circuits basse fréquence. De tels transistors ont fait leurs preuves dans les étages de sortie de puissants amplificateurs basse fréquence, dans les circuits de commande de moteurs électriques et dans les commutateurs des circuits d'allumage électroniques des voitures.

Principaux paramètres électriques :

Tension collecteur-émetteur 500 V ;

Emetteur de tension - base 5 V ;

Courant de collecteur - 15 A;

Courant de collecteur maximal - 30 A;

Puissance de dissipation à 25 0 C - 135 W ;

La température du cristal (transition) est de 175 0 C.

Sur les schémas de circuit, il n'y a pas d'icône de symbole spécial pour désigner les transistors composites. Dans la grande majorité des cas, il est indiqué sur le schéma comme un transistor ordinaire. Bien qu'il y ait des exceptions. Voici une de ses désignations possibles sur le schéma électrique.

Permettez-moi de vous rappeler que l'assemblage de Darlington peut avoir à la fois une structure p-n-p et une structure n-p-n. A cet égard, les fabricants de composants électroniques produisent des paires complémentaires. Il s'agit notamment des séries TIP120-127 et MJ11028-33. Ainsi, par exemple, les transistors TIP120, TIP121, TIP122 ont la structure n-p-n, et TIP125, TIP126, TIP127 - p-n-p.

Vous pouvez également trouver une telle désignation sur les schémas de circuit.

Exemples d'application d'un transistor composite.

Considérez un circuit de commande de moteur de collecteur utilisant un transistor Darlington.

Lorsqu'un courant d'environ 1mA est appliqué à la base du premier transistor, un courant 1000 fois supérieur va traverser son collecteur, soit 1000mA. Il s'avère qu'un circuit simple a un gain décent. Au lieu d'un moteur, vous pouvez connecter une ampoule électrique ou un relais avec lequel vous pouvez commuter des charges puissantes.

Si au lieu de l'assemblage Darlington, l'assemblage Shiklai est utilisé, la charge est connectée au circuit émetteur du deuxième transistor et est connectée non pas au plus, mais au moins de l'alimentation.

Si vous combinez le transistor Darlington et l'assemblage Shiklai, vous obtenez un amplificateur de courant push-pull. On l'appelle push-pull car à un instant donné un seul des deux transistors, supérieur ou inférieur, peut être ouvert. Ce circuit inverse le signal d'entrée, c'est-à-dire que la tension de sortie sera l'opposé de l'entrée.

Ce n'est pas toujours pratique, et donc un autre onduleur est ajouté à l'entrée de l'amplificateur de courant push-pull. Dans ce cas, le signal de sortie répète exactement le signal à l'entrée.

Application de l'assemblage Darlington dans les microcircuits.

Les circuits intégrés contenant plusieurs transistors composites sont largement utilisés. L'un des plus courants est le montage intégral L293D. Il est souvent utilisé dans leurs amateurs de robotique maison. La puce L293D est constituée de quatre amplificateurs de courant dans un boîtier commun. Puisqu'un seul transistor est toujours ouvert dans l'amplificateur push-pull décrit ci-dessus, la sortie de l'amplificateur est connectée à son tour au plus ou au moins de la source d'alimentation. Cela dépend de la tension d'entrée. En fait, nous avons une clé électronique. Autrement dit, la puce L293 peut être définie comme quatre clés électroniques.

Voici un "morceau" du circuit de l'étage de sortie de la puce L293D, extrait de sa fiche technique (fiche de référence).

Comme vous pouvez le voir, l'étage de sortie consiste en une combinaison de circuits Darlington et Shiklai. La partie supérieure du circuit est un transistor composite selon le circuit Shiklai, et la partie inférieure est réalisée selon le circuit Darlington.

Beaucoup de gens se souviennent de l'époque où il y avait des magnétoscopes au lieu de lecteurs de DVD. Et avec l'aide de la puce L293, deux moteurs électriques du magnétoscope ont été contrôlés et en mode plein fonctionnement. Pour chaque moteur, il était possible de contrôler non seulement le sens de rotation, mais en fournissant des signaux du contrôleur PWM, il était possible de contrôler la vitesse de rotation dans une large mesure.

Les microcircuits spécialisés basés sur le circuit de Darlington ont également été très largement utilisés. Un exemple est la puce ULN2003A (similaire à K1109KT22). Ce circuit intégré est une matrice de sept transistors Darlington. De tels ensembles universels peuvent être facilement utilisés dans des circuits radioamateurs, par exemple un relais radiocommandé. A ce propos je.