Составной транзистор: устройство, принцип работы. Схемы Дарлингтона, Шиклаи

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:

• β_общ - 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

1. Установить прибор в режим проверки транзисторов
2. Определить схему транзистора и тип проводимости
3. Подключить выводы прибора к выводам транзистора
4. Проконтролировать показания на экране
5. 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:

1. Определить нужный тип составной схемы и требования к ней
2. Выбрать выходной транзистор по мощности и напряжению
3. Подобрать входной транзистор со схожим β
4. Собрать схему и проверить основные параметры
5. 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.