В начале кратко стоит рассказать о биполярном транзисторе. Данный электронный компонент представляет собой полупроводниковый триод, главной спецификой которого является способность усиливать электрический ток. Управление токами большой величины происходит по средствам протекание небольших токов через управляющий p-n переход биполярного транзистора. Изображение схематического обозначения показано ниже на рисунке.
На картинке мы видим, что если мы будем пропускать через управляющий переход транзистора (база-эмиттерный переход) ток величиной 1 миллиампер, то в силовой части биполярного транзистора (это переход коллектор-эмиттер) мы получим силу тока уже 0,1 ампер (100 мА). Это значит, что коэффициент усиления у такого транзистора равен 100. Это один из основных параметров биполярного транзистора. Этот коэффициент усиления по току обычно обозначается как hFE или h21. У транзисторов малой мощности этот коэффициент усиления может быть около 500 (в среднем). У биполярных транзисторов, рассчитанных на большую мощность, он меньше и равен примерно 40. В случае, когда нужно получить еще большее усиление по силе тока, то уже в это случае применяют составные транзисторы, которые также носят называние транзисторы Дарлингтона.
Смысл составного транзистора заключается в том, что происходит соединение нескольких транзисторов (одинарных) по следующей схеме.
В результате подобного схематического соединения транзисторов мы получаем возможность иметь более высокое усиление по току. Сами же коэффициенты усиления каждого транзистора, что входит в состав составного, перемножаются. Когда мы возьмем транзисторы с изначально малым h21, допустим пусть у первого будет равен 50, а у второго компонента 20, то при общей их работе в схеме Дарлингтона они способны выдать совместный коэффициент усиления уже аж 1000.
Составные транзисторы можно делать своими руками, собирая их из нескольких компонентов. А можно покупать в цельном корпусе, готовые сборки. Кроме этого стоит учитывать такой момент – большой коэффициент усиления имеют транзисторы малой мощности. Допустим, у таких биполярных транзисторов как КТ3102 коэффициент усиления может доходит до 1000. Их мощность при этом всего до 250 мВт. Если взять транзисторы по мощнее, такие как КТ815, у которых h21 не выше 20-40. То мощность рассеивания у них уже до 10 Вт. Другими словами говоря, чем транзистор будет мощнее, тем хуже он может усиливать.
Когда мы возьмем один биполярный транзистор малой мощности, но с большим коэффициентом усиления, и один транзистор большей мощности (но при этом с небольшим h21), то после их соединения в один транзистор Дарлингтона можно получить и большую мощность и высокий коэффициент усиления. И это большой плюс данных схем. Во многих случаях схемы составных транзисторов имеют не больше двух элементов. И это является наиболее оптимальным вариантом для использования на практике. Хотя, когда нам нужно получить очень высокий коэффициент усиления по току могут соединяться и 3 и 4 транзистора. Больше 5 уже не ставят в схему, так как из-за сверх чувствительности выходной транзистор сразу при включении входит в режим полного насыщения.
Как и у любых других схем составной транзистор обладает и своими определенными недостатками. В статическом режиме схема Дарлингтона работает нормально, имея один явный недостаток – происходит суммирование падений напряжения база-эмиттерных переходов биполярных транзисторов, входящих в состав схемы Дарлингтона.
Кремниевые биполярные транзисторы на своем управляющем p-n переходе имеют типичное падение напряжения, равное 0,6 вольт. Так как все база-эмиттерные переходы всех транзисторов в этой схеме включены друг за другом (последовательно), то и их падения напряжения просто сложатся. Если составной транзистор содержит 2 транзистора, то падение напряжения будет составлять от 1,2 вольта. Стоит учитывать, что с увеличением рабочего тока это падение на управляющем переходе транзистора может увеличиваться. Если же мы в составной транзистор поставим 3 транзистора, то и это падение напряжения уже будет от 1,8V.
Что касается динамического режима работы схемы Дарлингтона, то тут недостатков будет побольше. Дело в том, что составные транзисторы не способны нормально функционировать на высоких частотах. Если в этой схеме мы имеем перемножение коэффициентов усиления, то вот быстродействие будет, наоборот, уменьшаться. Это связано с тем, что после снятия питания с управляющего перехода транзистора начинает происходить постепенное рассасывание неосновных носителей электрического заряда. В свою очередь это увеличивает время перехода биполярного транзистора в полностью закрытое состояние.
Также у транзисторов Дарлингтона имеется ощутимое падение напряжения между коллектором и эмиттером, когда компонент полностью открыт (состояние насыщения). У составных транзисторов малой мощности оно равно около 1 вольта, а у более мощных компонентов может достигать и 2 вольта. Так что эту схему составного транзистора стоит применять с умом, там, где ее использование целесообразно и уместно.
