Складений транзистор

Умовне позначення складеного транзистора.

Скла́дений транзи́стор (транзистор Дарлінгтона) — об'єднання двох чи більше біполярних транзисторів з метою збільшення коефіцієнта підсилення за струмом . Такий транзистор використовується у схемах, що працюють з великими струмами (наприклад, в схемах стабілізаторів напруги, вихідних каскадах підсилювачів потужності) і у вхідних каскадах підсилювачів, якщо необхідно забезпечити великий вхідний імпеданс.

Складений транзистор має три виводи (база, емітер і колектор), які еквівалентні виводам звичайного одиночного транзистора. Коефіцієнт підсилення за струмом типового складеного транзистора (іноді помилково званого «супербета») , у потужних транзисторів (наприклад у КТ825) β ≈ 1000 та у малопотужних транзисторів (типу КТ3102 і т п.) β ≈ 50000. Це означає, що невеликого струму бази достатньо для того, щоб складений транзистор відкрився.

Схема Дарлінгтона

Принципова схема складеного транзистора Дарлінгтона.

Один з видів такого транзистора винайшов інженер-електрик Сідні Дарлінгтон (Sidney Дарлінгтон).

Складений транзистор є каскадним з'єднанням декількох транзисторів, включених таким чином, що навантаженням на емітері попереднього каскаду є перехід база-емітер транзистора наступного каскаду, тобто транзистори з'єднуються колекторами, а емітер вхідного транзистора з'єднується з базою вихідного. Крім того, у складі схеми для прискорення закривання може використовуватися резистивне навантаження першого транзистора. Таке з'єднання в цілому розглядають як один транзистор, коефіцієнт посилення по струму якого при роботі транзисторів в активному режимі приблизно дорівнює добутку коефіцієнтів посилення першого і другого транзисторів:

$\beta _{\mathrm {c} }=\beta _{1}\times \beta _{2}$

Покажемо, що складений транзистор дійсно має значно більший коефіцієнт β, ніж у його обох компонентів.

Задаючи прирощення dI_б=dI_б1, отримуємо:

dI_э1=(1+β₁)dI_б=dI_б2;

dI_к=dI_к1+dI_к2=β₁dI_б+β₂((1+β₁)dI_б).

Розділивши dI_к на dI_б, знаходимо результуючий диференційний коефіцієнт передачі:

β_Σ=β₁+β₂+β₁β₂

Оскільки завжди $\beta \gg 1$, можна вважати:

β_Σ≈β₁β₂.

Слід підкреслити, що коефіцієнти $\beta _{1}$ і $\beta _{2}$ можуть розрізнятися навіть у разі однотипних транзисторів, оскільки струм емітера I_э2 в 1+β₂ разів більше струму емітера I_э1 (це випливає з очевидної рівності I_б2=I_э1) .

Схема Шиклаї

Каскад Шиклаї, еквівалентна n-p-n транзистору

Схожою на схему Дарлінгтона є з'єднання транзисторів за схемою Шиклаї (Sziklai pair), що названа так на честь її винахідника Джорджа К. Шиклаї, також іноді званою комплементарним транзистором Дарлінгтона . На відміну від схеми Дарлінгтона, що складається з двох транзисторів одного типу провідності, схема Шиклаї містить транзистори різної провідності (PNP і NPN). Пара Шиклаї поводить себе як NPN-транзистор з великим коефіцієнтом підсилення. Вхідна напруга — це напруга між базою і емітером транзистора Q1, а напруга насичення дорівнює принаймні падінню напруги на діоді. Між базою і емітером транзистора Q2 рекомендується включати резистор невеликого опору. Така схема застосовується у потужних двотактних вихідних каскадах при використанні вихідних транзисторів однієї провідності.

Каскодна схема

Складений транзистор, виконаний за так званою каскодною схемою, характеризується тим, що транзистор VT1 включений за схемою із загальним емітером, а транзистор VT2 — за схемою із загальною базою. Такий складений транзистор еквівалентний одиночному транзистору, включеному за схемою з загальним емітером, але при цьому він має набагато кращі частотні властивості й більшу неспотворену потужність в навантаженні, а також дозволяє значно зменшити ефект Міллера.

Переваги і недоліки складених транзисторів

Високі значення коефіцієнта підсилення в складених транзисторах реалізуються тільки в статичному режимі, тому складені транзистори знайшли широке застосування у вхідних каскадах операційних підсилювачів. У схемах на високих частотах складені транзистори вже не мають таких переваг — гранична частота підсилення за струмом і швидкодія складених транзисторів менші від значення цих параметрів для кожного з транзисторів VT1 і VT2.

Переваги складеного транзистора:

• Високий коефіцієнт підсилення за струмом.
• Схема Дарлінгтона виготовляється у вигляді інтегральних схем і при однаковому струмі робоча поверхня кремнію менша, ніж у біполярних транзисторів. Такі схеми складають великий інтерес на високих напругах.

Недоліки складеного транзистора:

• Низька швидкодія, особливо переходу з відкритого стану в закритий. З цієї причини складені транзистори використовуються переважно в низькочастотних ключових і підсилювальних схемах, на високих частотах їх параметри гірші, ніж у одиночного транзистора.
• Пряме падіння напруги на переході база-емітер в схемі Дарлінгтона майже вдвічі більшим ніж в звичайному транзисторі, і становить для кремнієвих транзисторів близько 1,2 — 1,4 В (не може бути меншим за подвоєне падіння напруги на p-n переході).
• Велика напруга насичення колектор-емітер, для кремнієвого транзистора складає близько 0,9 В (у порівнянні з 0,2 В у звичайних транзисторів) для малопотужних транзисторів і близько 2 В для транзисторів великої потужності (не може бути менше суми падіння напруги на p-n переході і падіння напруги на насиченому вхідному транзисторі).

Використання навантажувального резистора R1 дозволяє поліпшити деякі характеристики складеного транзистора. Величина резистора вибирається з таким розрахунком, щоб струм колектор-емітер транзистора VT1 в закритому стані створював на резисторі падіння напруги, недостатнє для відкриття транзистора VT2. Таким чином, струм витоку транзистора VT1 не посилюється транзистором VT2, тим самим зменшується загальний струм колектор-емітер складеного транзистора в закритому стані. Крім того, застосування резистора R1 сприяє збільшенню швидкодії складеного транзистора за рахунок форсування закриття транзистора VT2. Зазвичай опір R1 становить сотні Ом в потужному транзисторі Дарлінгтона і кілька кОм в малосигнальному транзисторі Дарлінгтона. Прикладом схеми з емітерним резистором служить потужний npn - транзистор Дарлінгтона типу 2N6282, його коефіцієнт підсилення за струмом дорівнює 4000 (типове значення) для колекторного струму, рівного 10 А.