- Darlingtonov tranzistorový pár a jeho konfigurácia:
- Výpočet prúdového zisku dvojice tranzistorov Darlington:
- Príklad Darlingtonovho tranzistora:
- Aplikácia Darlingtonovho tranzistora:
- Čo je identický Darlingtonov tranzistor?
- Darlingtonov tranzistorový integrovaný obvod:
- Prepínanie motora pomocou ULN2003 IC:
Darlingtonský tranzistor vynašiel v roku 1953 americký elektrotechnik a vynálezca Sidney Darlington.
Darlingtonov tranzistor používa dva štandardné tranzistory BJT (bipolárny prechodový tranzistor), ktoré sú navzájom spojené. Darlingtonov tranzistor pripojený v konfigurácii, kde jeden z vysielačov tranzistora poskytuje predpätý prúd na základňu druhého tranzistora.
Darlingtonov tranzistorový pár a jeho konfigurácia:
Ak vidíme symbol Darlingtonovho tranzistora, môžeme jasne vidieť, ako sú spojené dva tranzistory. Na obrázkoch nižšie sú znázornené dva typy Darlingtonovho tranzistora. Na ľavej strane je to NPN Darlington a na druhej strane je to PNP Darlington. Môžeme vidieť, že NPN Darlington pozostáva z dvoch NPN tranzistorov a PNP Darlington pozostáva z dvoch PNP tranzistorov. Emitor prvého tranzistora je priamo pripojený cez základňu druhého tranzistora, taktiež kolektor dvoch tranzistorov je prepojený dohromady. Táto konfigurácia sa používa pre tranzistory Darlington NPN aj PNP. V tejto konfigurácii produkuje dvojica alebo Darlingtonov tranzistor oveľa vyšší zisk a veľkú schopnosť zosilnenia.
Normálny BJT tranzistor (NPN alebo PNP) môže pracovať medzi dvoma stavmi, ZAPNUTÝ a VYPNUTÝ. Musíme poskytnúť prúd do základne, ktorá riadi kolektorový prúd. Keď poskytneme základni dostatok prúdu, BJT vstúpi do režimu nasýtenia a prúd preteká z kolektora do emitora. Tento kolektorový prúd je priamo úmerný základnému prúdu. Pomer základného prúdu a kolektorového prúdu sa nazýva prúdový zisk tranzistora, ktorý sa označuje ako Beta (β). V typickom tranzistore BJT je zosilnenie prúdu obmedzené v závislosti od špecifikácie tranzistora. Ale v niektorých prípadoch aplikácia potrebuje vyšší prúdový zisk, aký nedokázal poskytnúť jediný BJT tranzistor. TheDarlingtonov pár je ideálny pre použitie tam, kde je potrebný vysoký prúdový zisk.
Krížová konfigurácia:
Konfigurácia zobrazená na obrázku vyššie však používa buď dva PNP, alebo dva NPN, existujú aj iné Darlingtonove konfigurácie alebo je tiež k dispozícii krížová konfigurácia, kde sa používa PNP s NPN alebo NPN s PNP. Tento typ krížovej konfigurácie sa nazýva konfigurácia dvojíc Sziklai Darlington alebo konfigurácia Push-Pull.
Na vyššie uvedenom obrázku sú zobrazené dvojice Sziklai Darlington. Táto konfigurácia produkuje menej tepla a má výhody týkajúce sa doby odozvy. Budeme o tom diskutovať neskôr. Používa sa pre zosilňovač triedy AB alebo tam, kde je potrebná topológia Push-Pull.
Tu je niekoľko projektov, kde sme použili Darlingtonské tranzistory:
- Generovanie tónov klepnutím na prsty pomocou Arduina
- Jednoduchý obvod detektora lži pomocou tranzistorov
- Obvod IR vysielača s dlhým dosahom
- Line Follower Robot pomocou Arduina
Výpočet prúdového zisku dvojice tranzistorov Darlington:
Na nasledujúcom obrázku vidíme dva PNP alebo dva NPN tranzistory spojené dohromady.
Celkový prúd zisk Darlington dvojica bude BE
Zisk prúdu (hFE) = zisk prvého tranzistora (hFE 1) * zisk druhého tranzistora (hFE 2)
Na vyššie uvedenom obrázku vytvorili dva NPN tranzistory konfiguráciu NPN Darlington. Dva NPN tranzistory T1 a T2 sú spojené dohromady v poradí, v ktorom sú pripojené kolektory T1 a T2. Prvý tranzistor T1 poskytuje požadovaný základný prúd (IB2) do základne druhého tranzistora T2. Takže základný prúd IB1, ktorý riadi T1, riadi tok prúdu na báze T2.
Takže celkový prúdový zisk (β) je dosiahnuť, keď je zberač prúdu
β * IB ako hFE = fFE 1 * hFE 2
Pretože sú dva tranzistory kolektora spojené, celkový prúd kolektora (IC) = IC1 + IC2
Teraz, ako je uvedené vyššie, dostaneme kolektorový prúd β * IB 1
V tejto situácii je súčasný zisk jednotný alebo väčší ako jeden.
Pozrime sa, ako je zosilnenie prúdu násobením zosilnenia prúdu dvoch tranzistorov.
IB2 je riadený prúdom emitora T1, ktorým je IE1. IE1 je priamo pripojený cez T2. Takže IB2 a IE1 sú rovnaké.
IB2 = IE1.
Tento vzťah môžeme ďalej zmeniť pomocou
IC 1 + IB 1
Meníme IC1 tak, ako sme to robili predtým
β 1 IB 1 + IB 1 IB 1 (β 1 + 1)
Rovnako ako predtým sme to videli
IC = β 1 IB 1 + β 2 IB 2 As, IB2 alebo IE2 = IB1 (β1 + 1) IC = β 1 IB 1 + β 2 IB 1 (β1 + 1) IC = 1 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 kolektorového prúdu je kombinačným ziskom zisku jednotlivých tranzistorov.
Príklad Darlingtonovho tranzistora:
60W zaťaženie s 15V potreby vstupného napätia je potrebné prepnúť pomocou dvoch tranzistorov NPN, vytvára Darlington pár. Prvý zisk tranzistora bude 30 a druhý zisk tranzistora bude 95. Vypočítame základný prúd pre prepínanie záťaže.
Ako vieme, pri zapnutí záťaže bude prúdom kolektora prúd záťaže. Ako na elektrické právo je kolektorový prúd (IC) alebo zaťaženie prúdu (IL), bude
I L = I C = výkon / napätie = 60/15 = 4 ampéry
Pretože zisk základného prúdu pre prvý tranzistor bude 30 a pre druhý tranzistor bude 95 (β1 = 30 a β2 = 95), základný prúd môžeme vypočítať pomocou nasledujúcej rovnice -
Takže ak na prvú tranzistorovú základňu použijeme prúd 1,3 mA, záťaž sa prepne na „ ON “ a ak použijeme prúd 0 mA alebo uzemníme základňu, záťaž sa vypne „ OFF “.
Aplikácia Darlingtonovho tranzistora:
Aplikácia Darlingtonovho tranzistora je rovnaká ako pri normálnom BJT tranzistore.
Na vyššie uvedenom obrázku sa na spínanie záťaže používa tranzistor NPN Darlington. Zaťaženie môže byť čokoľvek od indukčného alebo odporového zaťaženia. Bázový rezistor R1 dodáva bázový prúd do NPN Darlingtonovho tranzistora. Rezistor R2 má obmedziť prúd na záťaž. Je použiteľná pre špecifické záťaže, ktoré v stabilnej prevádzke potrebujú obmedzenie prúdu. Pretože príklad naznačuje, že základný prúd je veľmi nízky, je možné ho ľahko prepínať z mikrokontrolérov alebo digitálnych logických jednotiek. Ale keď je Darlingtonov pár v nasýtenej oblasti alebo úplne v podmienke, dôjde k poklesu napätia cez základňu a vysielač. Pre darlingtonský pár je to hlavná nevýhoda. Pokles napätia sa pohybuje v rozmedzí od 0,3 V do 1,2 V. Kvôli tomuto poklesu napätia sa Darlingtonov tranzistor zahrieva, keď je úplne v režime zapnutia a dodáva prúd do záťaže. Kvôli konfigurácii je druhý rezistor zapnutý prvým rezistorom, Darlingtonov tranzistor produkuje pomalší čas odozvy. V takom prípade poskytuje konfigurácia Sziklai výhodu oproti času odozvy a tepelnému výkonu.
Populárnym tranzistorom NPN Darlington je BC517.
Podľa údajového listu BC517 poskytuje vyššie uvedený graf jednosmerný prúdový zisk BC517. Informácie o teplote okolia poskytujú tri krivky od nižšej po vyššiu. Ak vidíme 25-stupňovú krivku teploty okolia, zisk jednosmerného prúdu je maximálny, keď je kolektorový prúd okolo 150 mA.
Čo je identický Darlingtonov tranzistor?
Identický Darlingtonov tranzistor má dva identické páry s úplne rovnakou špecifikáciou a rovnakým prúdovým ziskom pre každý z nich. To znamená, že prúdový zisk prvého tranzistora β1 je rovnaký ako prúdový zisk druhých tranzistorov β2.
Pomocou vzorca kolektorového prúdu bude prúdový zisk identického tranzistora
IC = {{ β 1 + (β2 * β1) + β 2} * IB} IC = {{ β 1 + (β2 * β1) + β 1} * IB} β 2 = IB / IC
Súčasný zisk bude oveľa vyšší. Príklady párov NPN Darlington sú TIP120, TIP121, TIP122, BC517 a príklady párov NPP Darlington sú BC516, BC878 a TIP125.
Darlingtonov tranzistorový integrovaný obvod:
Darlingtonov pár umožňuje používateľom riadiť viac energetických aplikácií pomocou niekoľkých miliampérov prúdového zdroja z mikroovládača alebo zdrojov nízkeho prúdu.
ULN2003 je čip široko používaný v elektronike, ktorý poskytuje vysokoprúdové Darlingtonove polia so siedmimi výstupmi otvoreného kolektora. Rodina ULN pozostáva z ULN2002A, ULN2003A, ULN2004A, troch rôznych variantov vo viacerých variantoch balenia. ULN2003 je široko používaný variantu v sérii ULN. Toto zariadenie obsahuje odrušovacie diódy vo vnútri integrovaného obvodu, čo je ďalšia funkcia pri riadení indukčnej záťaže pomocou tohto obvodu.
Toto je vnútorná štruktúra IC ULN2003. Jedná sa o 16pin dip balíček. Ako vidíme, vstupný a výstupný pin sú presne opačné, vďaka tomu je jednoduchšie pripojenie IC a zjednodušenie návrhu DPS.
K dispozícii je sedem otvorených zberacích kolíkov. K dispozícii je tiež jeden ďalší kolík, ktorý je užitočný pre aplikácie súvisiace s indukčným zaťažením, môžu to byť motory, solenoidy, relé, ktoré potrebujú voľnobežné diódy, môžeme pripojenie uskutočniť pomocou tohto kolíka.
Vstupné kolíky sú kompatibilné pre použitie s TTL alebo CMOS, na druhej strane sú výstupné kolíky schopné zachytiť vysoké prúdy. Podľa údajového listu sú Darlingtonove páry schopné potopiť 500 mA prúdu a môžu tolerovať 600 mA špičkového prúdu.
Na hornom obrázku je pre každého vodiča zobrazené skutočné pripojenie Darlingtonovho poľa. Používa sa v siedmich ovládačoch, každý vodič pozostáva z tohto obvodu.
Keď sú vstupné piny ULN2003, od pinov 1 po pin 7, vybavené High, výstup bude nízky a bude cez ne klesať prúd. A keď poskytneme vstupný pin Low, výstup bude v stave vysokej impedancie a nebude klesať prúd. Čap 9 sa používa pre nulovú diódu; pri prepínaní akejkoľvek indukčnej záťaže pomocou série ULN by malo byť vždy pripojené k VCC. Môžeme tiež riadiť viac súčasných aplikácií paralelizáciou vstupov a výstupov dvoch párov, napríklad môžeme spojiť pin 1 s pinom 2 a na druhej strane môžeme spojiť pin 16 a 15. a paralelne dva Darlingtonove páry na pohon vyšších prúdových zaťažení.
ULN2003 sa tiež používa na pohon krokových motorov s mikrokontrolérmi.
Prepínanie motora pomocou ULN2003 IC:
V tomto videu je motor pripojený cez výstupný kolík otvoreného kolektora, na druhej strane vstup poskytujeme prúd približne 500 nA (0,5 mA) a riadime prúd 380 mA cez motor. Takto malé množstvo základného prúdu môže riadiť oveľa vyšší kolektorový prúd v Darlingtonovom tranzistore.
Rovnako ako sa používa motor , je kolík 9 pripojený cez VCC, aby poskytoval ochranu proti voľnobežke.
Rezistor poskytuje nízke vyťahovanie, čím robí vstup LOW, keď zo zdroja neprúdi žiadny prúd, čo spôsobuje, že výstup s vysokou impedanciou zastaví motor. Spätný prúd nastane, keď sa na vstupný pin použije ďalší prúd.