Схема Дарлингтона¶

Схема Дарлингтона — это электронное устройство, представляющее собой составной транзистор, образованный каскадным соединением двух (или более) биполярных транзисторов, включённых по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель). Главная особенность схемы — чрезвычайно высокий коэффициент усиления по току (обычно в диапазоне от 1000 до 100 000 и более), что позволяет управлять мощной нагрузкой с помощью очень слабого входного сигнала. Схема названа в честь американского инженера Сидни Дарлингтона (Sidney Darlington), который запатентовал её в 1953 году.

¶История

Идея каскадного соединения транзисторов для увеличения усиления по току возникла в начале 1950-х годов, когда биполярные транзисторы только начали вытеснять вакуумные лампы. Сидни Дарлингтон, работавший в Bell Laboratories, подал заявку на патент 9 мая 1952 года и получил патент США № 2 663 806 22 декабря 1953 года. В патенте описывалась схема, в которой эмиттер первого транзистора соединялся с базой второго, а коллекторы обоих транзисторов объединялись. Это позволяло получить коэффициент усиления по току, равный произведению коэффициентов усиления отдельных транзисторов (β₁ × β₂). Первоначально схема использовалась в телефонных усилителях и импульсных устройствах, где требовалось управление слабыми сигналами. С развитием полупроводниковой технологии схема Дарлингтона стала широко применяться в интегральных микросхемах, где её реализация не требует дополнительных внешних компонентов.

¶Принцип работы

Схема Дарлингтона состоит из двух биполярных транзисторов (Q1 и Q2), соединённых следующим образом:

• Эмиттер Q1 подключается к базе Q2.
• Коллекторы Q1 и Q2 соединяются вместе и подключаются к общему источнику питания (обычно через нагрузку).
• Входной сигнал подаётся на базу Q1.
• Выходной сигнал снимается с эмиттера Q2 (в схеме с общим коллектором) или с коллектора Q2 (в схеме с общим эмиттером).

Ток базы Q1 усиливается в β₁ раз, становясь током коллектора Q1. Этот ток одновременно является током базы Q2, который усиливается в β₂ раз. Общий ток коллектора составного транзистора равен сумме токов коллекторов обоих транзисторов, а общий коэффициент усиления по току β_total приблизительно равен β₁ × β₂. Например, если каждый транзистор имеет β = 100, то составной транзистор будет иметь β ≈ 10 000. На практике из-за потерь и неидеальности транзисторов точное значение может быть несколько ниже.

¶Напряжение насыщения

Одним из недостатков схемы Дарлингтона является повышенное напряжение насыщения (V_CE(sat)). Для составного транзистора оно складывается из напряжения насыщения Q2 (обычно 0,2–0,3 В) и напряжения база-эмиттер Q1 (около 0,7 В), что даёт суммарное значение около 0,9–1,2 В. Это ограничивает применение схемы в низковольтных устройствах и увеличивает потери мощности.

¶Ток утечки

В закрытом состоянии через составной транзистор протекает небольшой ток утечки, который также усиливается каскадно. Для уменьшения этого эффекта между базой и эмиттером Q2 часто включают резистор (обычно сопротивлением 1–10 кОм), который шунтирует ток утечки Q1.

¶Виды и модификации

¶Стандартная схема Дарлингтона

Классическая реализация с двумя транзисторами одного типа проводимости (n-p-n или p-n-p). Используется в большинстве интегральных сборок, таких как ULN2003 (набор транзисторов Дарлингтона с защитными диодами).

¶Комплементарная схема Дарлингтона (схема Шиклаи)

В этой модификации используются транзисторы разной проводимости: первый транзистор n-p-n, второй — p-n-p (или наоборот). Такая схема имеет меньший порог открывания (около 0,6 В вместо 1,2 В) и более низкое напряжение насыщения. Она часто применяется в выходных каскадах усилителей мощности (например, в двухтактных усилителях класса AB).

¶Схема Дарлингтона с тремя транзисторами

Для получения ещё более высокого коэффициента усиления (до 10⁶ и выше) последовательно соединяют три транзистора. Однако такая схема имеет ещё большее напряжение насыщения и склонна к самовозбуждению, поэтому требует тщательного проектирования.

¶Схема с эмиттерным резистором

Для улучшения температурной стабильности и ускорения выключения в цепь эмиттера Q2 включают резистор небольшого сопротивления (обычно 1–10 Ом). Это снижает усиление, но повышает надёжность.

¶Применение

¶Усилители мощности

Схема Дарлингтона широко используется в выходных каскадах усилителей звуковой частоты, как в интегральных микросхемах (например, TDA7294, LM3886), так и в дискретных конструкциях. Высокий коэффициент усиления позволяет получить большой выходной ток при малом входном сигнале.

¶Источники питания

В стабилизаторах напряжения и импульсных преобразователях составные транзисторы применяются в качестве регулирующих элементов, способных пропускать большие токи (до десятков ампер) при малом токе управления.

¶Цифровые схемы

Интегральные сборки транзисторов Дарлингтона, такие как ULN2003, ULN2803, используются для управления нагрузками с большим током (реле, лампы накаливания, шаговые двигатели) от логических микросхем с низким выходным током (например, ТТЛ или КМОП). Эти микросхемы содержат защитные диоды для работы с индуктивными нагрузками.

¶Автомобильная электроника

В системах зажигания, управления двигателем и освещением составные транзисторы применяются для коммутации мощных нагрузок (например, катушек зажигания, вентиляторов).

¶Датчики и измерительные приборы

Благодаря высокому входному сопротивлению и большому усилению, схема Дарлингтона используется в предварительных усилителях слабых сигналов, например, от фотодиодов или термопар.

¶Преимущества и недостатки

¶Преимущества

• Очень высокий коэффициент усиления по току (до 100 000 и более).
• Высокое входное сопротивление (десятки и сотни килоом), что позволяет подключать источник сигнала с малым выходным током.
• Простота реализации — требуется всего два транзистора и, возможно, один резистор.
• Широкая доступность в виде интегральных сборок.

¶Недостатки

• Повышенное напряжение насыщения (около 1 В и выше), что снижает КПД в низковольтных цепях.
• Увеличенное время выключения по сравнению с одиночным транзистором (из-за накопления заряда в базе Q2).
• Склонность к самовозбуждению на высоких частотах (требуется частотная коррекция).
• Больший разброс параметров из-за суммирования неидеальностей двух транзисторов.

¶Интересные факты

• Сидни Дарлингтон, изобретатель схемы, был также известен своими работами в области радиолокации, теории цепей и синтеза фильтров. Он получил более 40 патентов.
• Схема Дарлингтона часто путается с каскодной схемой, где транзисторы соединены последовательно по постоянному току, но работают в разных режимах (один — с общим эмиттером, другой — с общей базой). Каскод обеспечивает высокое усиление по напряжению, а не по току.
• В советской и российской электронной промышленности выпускались дискретные составные транзисторы, например, КТ825 (n-p-n, 20 А, 60 В) и КТ826 (p-n-p), которые использовались в усилителях мощности и источниках питания.

¶Источники

1. Патент США № 2 663 806 «Semiconductor signal translating device» (Sidney Darlington, 1953).
2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. — 7-е изд. — М.: Мир, 2011. — Т. 1. — С. 104–106.
3. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. — 12-е изд. — М.: ДМК Пресс, 2008. — С. 145–148.
4. Степаненко И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. — М.: Энергия, 1977. — С. 234–239.
5. Техническая документация на микросхему ULN2003 (Texas Instruments, 2015).