Составные транзисторы широко используются в электронике для усиления слабых сигналов. Давайте разберемся в их устройстве и основных схемах.
Устройство составного транзистора
Составной транзистор представляет собой электрическое соединение двух или более биполярных, полевых или IGBT транзисторов для улучшения характеристик.
Составно́й транзи́стор — электрическое соединение двух (или более) биполярных транзисторов, полевых транзисторов или IGBT-транзисторов с целью улучшения их электрических характеристик.
К таким схемам относят пару Дарлингтона, пару Шиклаи, каскод и другие. Составной транзистор имеет всего три вывода (база, эмиттер, коллектор), как и обычный транзистор. Но обладает более высоким коэффициентом усиления, чем одиночные транзисторы.
Структурная схема
На рисунке приведена упрощенная структурна схема составного транзистора:
Основные элементы:
- Транзистор 1 (VT1)
- Транзистор 2 (VT2)
- Резистор эмиттера R1 (необязательно)
- Общий эмиттер
- Общий коллектор
Транзисторы могут быть как одинакового, так и разного типа проводимости. Эмиттер VT1 соединяется с базой VT2. Резистор R1 используется для ускорения переключения. Такая схема приравнивается к одиночному транзистору с выводами база-эмиттер-коллектор.
Повышение коэффициента усиления
Главное преимущество составного транзистора - высокий коэффициент усиления по току β. У схемы Дарлингтона он рассчитывается по формуле:
Где:
- βобщ - общий коэффициент усиления транзисторов
- β1 - коэффициент усиления первого транзистора
- β2 - коэффициент усиления второго транзистора
Как видно, общий коэффициент усиления составного транзистора примерно равен произведению коэффициентов отдельных транзисторов. Усиление может достигать 50000 у маломощных схем и 1000 у мощных составных транзисторов.
Благодаря такому высокому коэффициенту, малым управляющим сигналом на базе можно открыть составной транзистор и пропустить через него большой ток коллектора. Это свойство используется в различных усилителях и ключах.
Коэффициент усиления составного транзистора можно повысить и конструктивно, уменьшив толщину базы. Такие транзисторы называют супербета (super-β). Но они сложны в производстве и чувствительны к перенапряжениям.
Схема Дарлингтона
Один из вариантов составного транзистора был предложен в 1953 году инженером Сидни Дарлингтоном из Bell Labs. Эта схема получила название пары Дарлингтона или просто транзистора Дарлингтона.
Принцип работы
В схеме Дарлингтона используются два однотипных биполярных транзистора с общим эмиттером и общим коллектором. Эмиттер первого транзистора VT1 подключается к базе второго транзистора VT2.
Входной сигнал усиливается сначала транзистором VT1, а затем его усиленный выходной сигнал подается на вход VT2 и усиливается повторно. За счет такого каскадного включения достигается очень большой коэффициент усиления по току.
Достоинства и недостатки
К достоинствам схемы Дарлингтона относят:
- Высокий коэффициент усиления
- Возможность управлять большими токами малым входным сигналом
- Простота схемы
К недостаткам можно отнести:
- Высокое падение напряжения база-эмиттер
- Большое напряжение насыщения коллектор-эмиттер
- Низкое быстродействие
Поэтому транзисторы Дарлингтона чаще всего применяют в низкочастотных схемах: выходных каскадах усилителей, стабилизаторах напряжения, переключателях.
Проверить составной транзистор
Перед установкой в схему составной транзистор желательно проверить на исправность при помощи мультиметра или специального транзисторного тестера.
Пошаговая инструкция
- Установить прибор в режим проверки транзисторов
- Определить схему транзистора и тип проводимости
- Подключить выводы прибора к выводам транзистора
- Проконтролировать показания на экране
- Сравнить полученные данные с паспортом
Если измеренные параметры сильно отличаются от паспортных значений, возможно, транзистор неисправен.
Аналоги составного транзистора
Несмотря на достоинства, у составных транзисторов есть и существенные недостатки. Поэтому иногда их заменяют другими схемами с высоким коэффициентом усиления.
Аналог схемы Дарлингтона
Альтернативой транзистору Дарлингтона может служить пара Шиклаи на транзисторах с разной полярностью. У нее напряжение смещения база-эмиттер такое же, как у обычного транзистора. Но быстродействие еще ниже.
Каскодная схема транзисторов
Еще один вариант составного транзистора - так называемая каскодная схема. В ней первый транзистор VT1 включен по схеме с общим эмиттером, а второй VT2 - по схеме с общей базой.
Преимущества каскода
Основные преимущества каскодной схемы:
- Высокое выходное сопротивление
- Хорошие частотные свойства
- Большой линейный диапазон
- Подавление эффекта Миллера
Благодаря этому, каскод широко используется во входных каскадах операционных и дифференциальных усилителей, где нужен большой коэффициент усиления в статическом режиме. На высоких частотах преимуществ по сравнению с отдельными транзисторами уже не имеет.
Ограничения каскода
К недостаткам каскодной схемы относят:
- Высокое напряжение питания
- Невысокую максимальную мощность
- Узкий диапазон входных напряжений
Поэтому область применения каскода ограничена в основном слаботочными схемами, где важно малое искажение сигнала и стабильность параметров. В мощных усилителях каскодный транзистор обычно не используется.
Выбор составной схемы
При выборе составного транзистора для конкретного устройства стоит учитывать его достоинства и недостатки.
Критерии выбора
- Необходимый коэффициент усиления
- Рабочая частота сигнала
- Требуемая мощность
- Допустимые искажения
Для мощных низкочастотных цепей лучше всего подходит пара Дарлингтона. Во входных высокоомных каскадах предпочтительнее каскод. А для средних частот хорошо себя зарекомендовала схема Шиклаи.
Подбор транзисторов
При сборке составного транзистора важно правильно подобрать входящие в него отдельные транзисторы. От этого зависят многие параметры готовой схемы.
Критерии подбора
Основные критерии выбора транзисторов:
- Одинаковый или разный тип проводимости
- Схожие значения коэффициента усиления β
- Близкие рабочие напряжения и токи
- Совместимость по мощности и частотным свойствам
Лучше брать транзисторы одной серии или как минимум одного производителя. И конечно, нужно учитывать требования конкретной схемы.
Последовательность подбора
Порядок подбора может быть таким:
- Определить нужный тип составной схемы и требования к ней
- Выбрать выходной транзистор по мощности и напряжению
- Подобрать входной транзистор со схожим β
- Собрать схему и проверить основные параметры
- При необходимости заменить транзисторы
Правильный подбор компонентов позволит добиться от составного транзистора максимальной отдачи.
Расчет параметров схемы
Перед сборкой составного транзистора желательно рассчитать его основные параметры и режимы работы. Это поможет найти оптимальные значения элементов и предсказать поведение схемы.
Расчет коэффициента усиления
Важнейший параметр любого составного транзистора - это коэффициент усиления по току β. Для схемы Дарлингтона он рассчитывается по формуле:
Где β1 и β2 - коэффициенты усиления отдельных транзисторов. Зная их, можно вычислить результирующий коэффициент.
Расчет рабочих режимов
Кроме усиления, необходимо посчитать рабочие токи и напряжения составного транзистора в режимах насыщения и отсечки. Это позволит правильно выбрать рабочую точку и предельные значения сигнала.
Моделирование в САПР
Удобный способ расчета - моделирование составной схемы в программах схемотехнического проектирования: Multisim, Proteus, LTspice и др. Можно быстро просчитать параметры и оптимизировать компоненты.
Монтаж составного транзистора
При монтаже составного транзистора на печатной плате или в прототипе требуется уделить внимание расположению компонентов и прокладке дорожек.
