Wydajne kompozytowe tranzystory npn. Tranzystor kompozytowy. Zespół tranzystora Darlingtona. Ochrona tranzystora przed głębokim nasyceniem

W układach scalonych i elektronice dyskretnej rozpowszechniły się dwa typy tranzystorów kompozytowych: obwody Darlingtona i Sziklai. W obwodach mikromocy, takich jak stopnie wejściowe wzmacniacza operacyjnego, tranzystory złożone zapewniają wysoką impedancję wejściową i niskie prądy wejściowe. W urządzeniach pracujących z dużymi prądami (na przykład w stabilizatorach napięcia lub stopniach wyjściowych wzmacniaczy mocy) w celu zwiększenia wydajności konieczne jest zapewnienie dużego wzmocnienia prądowego tranzystorów mocy.

Schemat Siklai implementuje potężny p-n-p tranzystor o wysokim wzmocnieniu wykorzystujący małą moc p-n-p tranzystor z małym W i potężny n-p-n tranzystor ( Rysunek 7.51). W układach scalonych włączenie to jest realizowane przez wysoką wersję beta p-n-p poziomy oparty na tranzystorze p-n-p tranzystorowe i pionowe n-p-n tranzystor. Obwód ten jest również używany w mocnych stopniach wyjściowych przeciwsobnych, gdy używane są tranzystory wyjściowe o tej samej polaryzacji ( n-p-n).

Rysunek 7.51 - Kompozyt p-n-p tranzystor Rysunek 7.52 - Kompozyt n-p-n według obwodu Szyklai, tranzystor według obwodu Darlingtona

Obwód Sziklai lub komplementarny tranzystor Darlingtona zachowuje się jak tranzystor p-n-p typ ( Rysunek 7.51) z dużym wzmocnieniem prądowym,

Napięcie wejściowe jest identyczne jak w przypadku pojedynczego tranzystora. Napięcie nasycenia jest wyższe niż w przypadku pojedynczego tranzystora o wielkość spadku napięcia na złączu emitera n-p-n tranzystor. W przypadku tranzystorów krzemowych napięcie to jest rzędu jednego wolta, w przeciwieństwie do ułamków wolta w przypadku pojedynczego tranzystora. Pomiędzy bazą a emiterem n-p-n tranzystora (VT2), zaleca się dodanie rezystora o małej rezystancji, aby stłumić niekontrolowany prąd i zwiększyć stabilność termiczną.

Tranzystor Darlingtona jest realizowany przy użyciu tranzystorów unipolarnych ( Rysunek 7.52). Wzmocnienie prądu jest określane jako iloczyn współczynników tranzystorów składowych.

Napięcie wejściowe tranzystora Darlingtona jest dwukrotnie większe niż w przypadku pojedynczego tranzystora. Napięcie nasycenia przekracza tranzystor wyjściowy. Impedancja wejściowa wzmacniacza operacyjnego przy

.

Obwód Darlingtona jest stosowany w dyskretnych monolitycznych tranzystorach przełączających. Dwa tranzystory, dwa rezystory bocznikowe i dioda zabezpieczająca ( Rysunek 7.53). Rezystory R 1 i R 2 tłumią wzmocnienie w trybie niskoprądowym, ( Rysunek 7.38), co zapewnia niską wartość niekontrolowanego prądu i wzrost napięcia roboczego zamkniętego tranzystora,

Rysunek 7.53 - Obwód elektryczny monolitycznego tranzystora impulsowego Darlingtona

Rezystor R2 (około 100 omów) jest uformowany w postaci bocznika technologicznego, podobnego do bocznika złącza katodowego tyrystorów. W tym celu podczas formowania emitera za pomocą fotolitografii w niektórych obszarach pozostawia się maskę tlenkową w kształcie koła. Te lokalne maski nie pozwalają na rozproszenie zanieczyszczeń dawcy i pozostają P- kolumny ( Rysunek 7.54). Po metalizacji na całej powierzchni emitera kolumny te reprezentują rozproszoną rezystancję R2 i diodę ochronną D ( Rysunek 7.53). Dioda ochronna chroni złącza emitera przed przebiciem w przypadku odwrócenia napięcia kolektora. Pobór mocy wejściowej tranzystora wykorzystującego obwód Darlingtona jest o półtora do dwóch rzędów wielkości niższy niż w przypadku pojedynczego tranzystora. Maksymalna częstotliwość przełączania zależy od napięcia granicznego i prądu kolektora. Tranzystory prądowe z powodzeniem pracują w przetwornikach impulsowych do częstotliwości rzędu 100 kHz. Charakterystyczną cechą monolitycznego tranzystora Darlingtona jest jego kwadratowa charakterystyka przenoszenia, ponieważ W- charakterystyka amperowa rośnie liniowo wraz ze wzrostem prądu kolektora do wartości maksymalnej,

Darlington), są często elementami projektów amatorskich radiotelefonów. Jak wiadomo, przy takim połączeniu wzmocnienie prądu z reguły wzrasta dziesiątki razy. Jednak nie zawsze możliwe jest osiągnięcie znacznego marginesu wydajności operacyjnej dla napięcia działającego na kaskadę. Wzmacniacze składające się z dwóch tranzystorów bipolarnych (ryc. 1.23) często ulegają awarii pod wpływem napięcia impulsowego, nawet jeśli nie przekracza ono wartości parametrów elektrycznych określonych w literaturze przedmiotu.

Z tym nieprzyjemnym efektem można sobie poradzić na różne sposoby. Jednym z nich - najprostszym - jest obecność w parze tranzystora o dużej (kilkukrotnej) rezerwie zasobów w zakresie napięcia kolektor-emiter. Stosunkowo wysoki koszt takich tranzystorów „wysokonapięciowych” prowadzi do wzrostu kosztów projektu. Możesz oczywiście kupić specjalne kompozytowe urządzenia krzemowe w jednym pakiecie, na przykład: KT712, KT829, KT834, KT848, KT852, KT853, KT894, KT897, KT898, KT973 itp. Na tej liście znajdują się urządzenia dużej i średniej mocy urządzenia przeznaczone do niemal całego spektrum urządzeń radiotechnicznych. Można też zastosować klasyczny - z dwoma tranzystorami polowymi typu KP501V połączonymi równolegle - lub zastosować urządzenia KP501A...V, KP540 i inne o podobnych charakterystykach elektrycznych (rys. 1.24). W tym przypadku wyjście bramki jest podłączone zamiast podstawy VT1, wyjście źródła - zamiast emitera VT2, wyjście drenu - zamiast połączonych kolektorów VT1, VT2.

Ryż. 1,24. Zastąpienie tranzystora kompozytowego tranzystorami polowymi

Po tak prostej modyfikacji, tj. wymiana elementów obwodów elektrycznych, uniwersalne zastosowanie, prąd na tranzystorach VT1, VT2 nie zawodzi nawet przy 10-krotnym i większym przeciążeniu napięcia. Co więcej, rezystor ograniczający w obwodzie bramki VT1 również wzrasta kilkakrotnie. Prowadzi to do tego, że mają one większą moc wejściową i w rezultacie wytrzymują przeciążenia ze względu na pulsacyjny charakter sterowania tą jednostką elektroniczną.

Wzmocnienie prądowe powstałej kaskady wynosi co najmniej 50. Wzrasta ono wprost proporcjonalnie do wzrostu napięcia zasilania węzła.

VT1, VT2. W przypadku braku dyskretnych tranzystorów typu KP501A...B można zastosować mikroukład 1014KT1V bez utraty jakości urządzenia. W odróżnieniu od np. 1014KT1A i 1014KT1B, ten wytrzymuje większe przeciążenia przyłożonego napięcia impulsowego - do napięcia 200 V DC. Rozkład pinów do włączania tranzystorów mikroukładu 1014KT1A…1014K1V pokazano na ryc. 1,25.

Podobnie jak w poprzedniej wersji (ryc. 1.24) są one włączane równolegle.

Pinout tranzystorów polowych w mikroukładzie 1014KT1A…V

Autor przetestował dziesiątki komponentów elektronicznych obsługiwanych przez . Węzły takie stosowane są w konstrukcjach radioamatorskich jako przełączniki prądu w taki sam sposób, w jaki włączane są tranzystory kompozytowe. Do wyżej wymienionych cech tranzystorów polowych możemy dodać ich efektywność energetyczną, ponieważ w stanie zamkniętym, ze względu na duży pobór prądu, praktycznie nie pobierają prądu. Jeśli chodzi o koszt takich tranzystorów, dziś jest on prawie taki sam, jak koszt tego typu tranzystorów średniej mocy (i podobnych), które są zwykle używane jako wzmacniacz prądu do sterowania urządzeniami obciążającymi.

Projektując obwody urządzeń radioelektronicznych często pożądane jest posiadanie tranzystorów o parametrach lepszych niż modele oferowane przez producentów elementów radioelektronicznych (lub lepszych niż jest to możliwe przy dostępnej technologii wytwarzania tranzystorów). Z taką sytuacją najczęściej spotykamy się przy projektowaniu układów scalonych. Zwykle wymagamy większego wzmocnienia prądowego H 21, wyższa wartość rezystancji wejściowej H 11 lub mniej wartości przewodności wyjściowej H 22 .

Różne obwody tranzystorów kompozytowych mogą poprawiać parametry tranzystorów. Istnieje wiele możliwości wykonania tranzystora kompozytowego z tranzystorów polowych lub bipolarnych o różnej przewodności, przy jednoczesnej poprawie jego parametrów. Najbardziej rozpowszechniony jest schemat Darlingtona. W najprostszym przypadku jest to połączenie dwóch tranzystorów o tej samej polaryzacji. Przykład obwodu Darlingtona wykorzystującego tranzystory npn pokazano na rysunku 1.

Rysunek 1 Obwód Darlingtona wykorzystujący tranzystory NPN

Powyższy obwód jest odpowiednikiem pojedynczego tranzystora NPN. W tym obwodzie prąd emitera tranzystora VT1 jest prądem bazowym tranzystora VT2. Prąd kolektora tranzystora kompozytowego zależy głównie od prądu tranzystora VT2. Główną zaletą obwodu Darlingtona jest duże wzmocnienie prądowe H 21, który można w przybliżeniu zdefiniować jako produkt H W obwodzie 21 tranzystorów:

(1)

Należy jednak pamiętać, że współczynnik H 21 zależy dość silnie od prądu kolektora. Dlatego przy niskich wartościach prądu kolektora tranzystora VT1 jego wartość może znacznie spaść. Przykład zależności H 21 z prądu kolektora dla różnych tranzystorów pokazano na rysunku 2

Rysunek 2 Zależność wzmocnienia tranzystora od prądu kolektora

Jak widać z tych wykresów, współczynnik H 21e praktycznie się nie zmienia tylko dla dwóch tranzystorów: krajowego KT361V i zagranicznego BC846A. W przypadku innych tranzystorów wzmocnienie prądowe zależy w dużym stopniu od prądu kolektora.

W przypadku, gdy prąd bazy tranzystora VT2 jest wystarczająco mały, prąd kolektora tranzystora VT1 może być niewystarczający do zapewnienia wymaganej wartości wzmocnienia prądowego H 21. W tym przypadku zwiększenie współczynnika H 21 i odpowiednio zmniejszenie prądu bazowego tranzystora kompozytowego można osiągnąć poprzez zwiększenie prądu kolektora tranzystora VT1. Aby to zrobić, między bazą a emiterem tranzystora VT2 podłącza się dodatkowy rezystor, jak pokazano na rysunku 3.

Rysunek 3 Kompozytowy tranzystor Darlingtona z dodatkowym rezystorem w obwodzie emitera pierwszego tranzystora

Na przykład zdefiniujmy elementy obwodu Darlingtona zmontowanego na tranzystorach BC846A.Niech prąd tranzystora VT2 będzie równy 1 mA. Wtedy jego prąd bazowy będzie równy:

(2)

Przy tym prądzie, bieżące wzmocnienie H 21 gwałtownie spada, a całkowite wzmocnienie prądu może być znacznie mniejsze niż obliczone. Zwiększając prąd kolektora tranzystora VT1 za pomocą rezystora, można znacznie zwiększyć wartość całkowitego wzmocnienia H 21. Ponieważ napięcie na bazie tranzystora jest stałe (dla tranzystora krzemowego ty be = 0,7 V), wówczas obliczamy zgodnie z prawem Ohma:

(3)

W tym przypadku możemy spodziewać się wzmocnienia prądu do 40 000. Tak powstaje wiele krajowych i zagranicznych tranzystorów superbetta, takich jak KT972, KT973 lub KT825, TIP41C, TIP42C. Obwód Darlingtona jest szeroko stosowany na przykład w stopniach wyjściowych wzmacniaczy niskiej częstotliwości (), wzmacniaczy operacyjnych, a nawet cyfrowych.

Należy zauważyć, że obwód Darlingtona ma wadę polegającą na podwyższonym napięciu U ke. Jeśli w zwykłych tranzystorach U ke wynosi 0,2 V, wówczas w tranzystorze kompozytowym napięcie to wzrasta do 0,9 V. Wynika to z konieczności otwarcia tranzystora VT1 i w tym celu do jego podstawy należy przyłożyć napięcie 0,7 V (jeśli rozważamy tranzystory krzemowe) .

Aby wyeliminować tę wadę, opracowano złożony obwód tranzystorowy wykorzystujący tranzystory komplementarne. W rosyjskim Internecie nazywano to schematem Siklai. Nazwa ta pochodzi z książki Tietzego i Schenka, chociaż schemat ten miał wcześniej inną nazwę. Na przykład w literaturze radzieckiej nazywano to parą paradoksalną. W książce W.E. Heleina i W.H. Holmesa tranzystor złożony oparty na tranzystorach komplementarnych nazywany jest obwodem White'a, dlatego będziemy go po prostu nazywać tranzystorem złożonym. Obwód kompozytowego tranzystora pnp wykorzystującego tranzystory komplementarne pokazano na rysunku 4.

Rysunek 4 Kompozytowy tranzystor pnp oparty na tranzystorach komplementarnych

Tranzystor NPN jest zbudowany dokładnie w ten sam sposób. Obwód kompozytowego tranzystora npn wykorzystującego tranzystory komplementarne pokazano na rysunku 5.

Rysunek 5 Kompozytowy tranzystor npn oparty na tranzystorach komplementarnych

W spisie literatury pierwsze miejsce zajmuje książka wydana w 1974 r., ale są też KSIĄŻKI i inne publikacje. Istnieją podstawy, które długo się nie dezaktualizują i ogromna liczba autorów, którzy po prostu te podstawy powtarzają. Musisz umieć mówić jasno! W całej mojej karierze zawodowej natknąłem się na mniej niż dziesięć KSIĄŻEK. Zawsze polecam naukę projektowania obwodów analogowych z tej książki.

Data ostatniej aktualizacji pliku: 18.06.2018

Literatura:

Wraz z artykułem „Tranzystor kompozytowy (obwód Darlingtona)” przeczytaj:

http://site/Sxemoteh/ShVklTrz/kaskod/

http://site/Sxemoteh/ShVklTrz/OE/

Jeśli weźmiemy na przykład tranzystor MJE3055T ma maksymalny prąd 10 A, a wzmocnienie wynosi tylko około 50, dlatego aby całkowicie się otworzyć, musi wpompować do podstawy około dwustu miliamperów prądu. Zwykłe wyjście MK nie wytrzyma tyle, ale jeśli podłączysz między nie słabszy tranzystor (jakiś BC337) mogący wyciągnąć te 200 mA, to jest proste. Ale to tak, żeby wiedział. A co jeśli będziesz musiał zrobić system sterowania z improwizowanych śmieci - przyda się.

W praktyce gotowe zespoły tranzystorowe. Zewnętrznie nie różni się od konwencjonalnego tranzystora. To samo ciało, te same trzy nogi. Tyle, że ma dużą moc, a prąd sterujący mikroskopijny :) W cennikach zwykle się nie zawracają i piszą po prostu – tranzystor Darlingtona, czy tranzystor kompozytowy.

Na przykład para BDW93C(NPN) i BDW94С(PNP) Oto ich wewnętrzna struktura z arkusza danych.

Co więcej, istnieją Zgromadzenia Darlingtona. Kiedy kilka jest zapakowanych w jedną paczkę na raz. Rzecz niezastąpiona, gdy trzeba sterować jakimś mocnym wyświetlaczem LED lub silnikiem krokowym (). Doskonały przykład takiego buildu - bardzo popularny i łatwo dostępny ULN2003, zdolny do przeciągnięcia do 500 mA dla każdego z siedmiu zespołów. Wyjścia są możliwe uwzględnić równolegle zwiększyć bieżący limit. W sumie jeden ULN może przenosić przez siebie aż 3,5 A, jeśli wszystkie jego wejścia i wyjścia są równoległe. Cieszy mnie to, że wyjście jest naprzeciwko wejścia, bardzo wygodnie jest poprowadzić pod nim deskę. Bezpośrednio.

Arkusz danych pokazuje wewnętrzną strukturę tego chipa. Jak widać, tutaj również znajdują się diody ochronne. Pomimo tego, że są rysowane tak, jakby były wzmacniaczami operacyjnymi, wyjście jest tutaj typu otwarty kolektor. Oznacza to, że może jedynie zwarć z ziemią. Co staje się jasne z tego samego arkusza danych, jeśli spojrzysz na konstrukcję jednego zaworu.