达林顿晶体管配置案例应用

模拟对话 2019-06-25 10874

描述

两个双极晶体管的达林顿晶体管配置为给定的基极电流提供增加的电流切换

以其发明者Sidney Darlington命名的达林顿晶体管连接在一起的两个标准NPN或PNP双极结型晶体管（BJT）的排列。一个晶体管的发射极连接到另一个晶体管的基极，以产生更灵敏的晶体管，其电流增益大得多，可用于需要电流放大或开关的应用。

达林顿晶体管可以由两个单独连接的双极晶体管或单个封装的单个器件制成，标准配置为：基极，发射极和集电极连接引线，可提供多种外壳类型和电压（和电流） NPN和PNP版本的评级。

正如我们在晶体管作为开关教程中看到的，以及用作放大器的双极结型晶体管（BJT））可以作为ON-OFF开关操作，如图所示。

双极晶体管作为开关

晶体管

当NPN晶体管的基极接地（0伏）且没有基极电流， Ib 流动时，没有电流从发射极流到集电极和tra因此，nsistor被切换为“OFF”。如果基极正向偏压超过0.7伏，则电流将从发射极流到集电极，并且晶体管被称为“接通”。当在这两种模式下工作时，晶体管作为开关工作。

这里的问题是晶体管Base需要在零和一些大的正值之间切换，晶体管在这一点上变得饱和增加的基极电流 Ib 流入器件，导致集电极电流 Ic 变大，而 Vce 小。然后我们可以看到基极上的小电流可以控制在集电极和发射极之间流动的大得多的电流。

集电极电流与基极电流之比（β）被称为晶体管的电流增益。标准双极晶体管的β的典型值可以在50到200的范围内，并且甚至在相同部件号的晶体管之间变化。在某些情况下，单个晶体管的电流增益太低而无法直接驱动负载，增加增益的一种方法是使用达林顿对。

A达林顿晶体管配置，也称为“达林顿对”或“超级α电路”，由两个连接在一起的NPN或PNP晶体管组成，这样第一个晶体管的发射极电流 TR 1 成为第二个晶体管的基极电流 TR 2 。然后晶体管 TR1 作为射极跟随器连接， TR2 作为共发射极放大器连接，如下所示。

另请注意，在此达林顿对配置中，从机或控制晶体管的集电极电流 TR1 与主开关晶体管 TR2 的集电极电流“同相”。

基本达林顿晶体管配置

晶体管

以NPN达林顿对为例，两个晶体管的集电极连接在一起， TR 1 的发射器驱动 TR 2 的基数。此配置实现β倍增，因为对于基极电流 i b ，集电极电流β* i b 其中当前增益大于1或单位，这被定义为：

晶体管

但基本电流， I B2 等于晶体管 TR1 发射极电流， I E1 作为发射极 TR1 连接到 TR2 的基础。因此：

晶体管

然后在第一个等式中代替：

晶体管

其中β 1 和β 2 是各个晶体管的增益。

这意味着当两个晶体管的电流增益相乘时，第一晶体管的增益乘以第二晶体管的增益给出总电流增益β。换句话说，组合在一起形成单个达林顿晶体管对的一对双极晶体管可以被视为具有非常高的β值并因此具有高输入电阻的单个晶体管。

达林顿晶体管示例No1

两个NPN晶体管以达林顿对的形式连接在一起，以切换12V 75W卤素灯。如果第一个晶体管的正向电流增益为25且第二个晶体管的正向电流增益（Beta）为80.忽略两个晶体管上的任何电压降，计算完全接通灯所需的最大基极电流。 / p>

首先，灯吸取的电流将等于第二个晶体管的集电极电流，然后：

晶体管

使用上面的等式，基本电流如下：

晶体管

然后我们可以看到，只有3.0mA的非常小的基极电流，例如由数字逻辑门或微控制器的输出端口提供的基极电流，可用于将75瓦灯“开”和“关”切换。 / p>

如果使用两个相同的双极晶体管制作单个达林顿器件，那么β 1 等于β 2 ，总体当前收益将为：

晶体管

一般β 2 很多大于2β，在这种情况下可以忽略它以简化数学。然后，配置为达林顿对的两个相同晶体管的最终等式可写为：

相同的达林顿晶体管

晶体管

然后我们可以看到，对于两个相同的晶体管，β 2 用来代替β，就像一个具有大量增益的大晶体管。达林顿晶体管对的电流增益超过一千，最大集电极电流为几安培，很容易获得。例如：NPN TIP120 ，其PNP等效于 TIP125 。

使用这种配置的优点是开关晶体管是因为达林顿配置的典型增益可以超过1,000，而通常单个晶体管级产生大约50到200的增益，因此只需要很小的基极电流就可以切换更大的负载电流。

然后我们可以看到增益为1,000：1的达林顿对可以在集电极 - 发射极电路中切换1安培的输出电流，输入基极电流仅为1mA。这使得达林顿晶体管非常适合与继电器，灯和电机连接到低功耗微控制器，计算机或逻辑控制器，如图所示。

达林顿晶体管应用

晶体管

达林顿晶体管的基极足够敏感，可以响应来自开关的任何小输入电流或直接来自TTL或5V CMOS逻辑门。任何达林顿对的最大集电极电流 Ic（max）与主开关晶体管相同， TR 2 因此可以使用操作继电器，直流电动机，螺线管和灯等等。

达林顿晶体管对的主要缺点之一是在完全饱和时基极和发射极之间的最小电压降。与完全导通时饱和压降介于0.3V和0.7V之间的单个晶体管不同，达林顿器件的基极 - 发射极电压降（1.2 V而不是0.6 V）是基极 - 发射极电压降的两倍。两个独立晶体管的基极 - 发射极二极管压降之和，取决于通过晶体管的电流，可以在0.6V至1.5V之间。

这种高基极 - 发射极电压降意味着达林顿晶体管可以对于给定的负载电流，它比普通的双极晶体管更热，因此需要良好的散热。此外，达林顿晶体管的ON-OFF响应时间较慢，因为从属晶体管 TR 1 需要更长时间才能使主晶体管 TR 2 完全开启或完全关闭。

克服标准达林顿晶体管器件的缓慢响应，增加的电压降和热缺点，补充NPN和PNP晶体管可以在相同的级联布置中使用，以产生另一种类型的达林顿晶体管，称为 Sziklai配置。

Sziklai晶体管对

> Sziklai Darlington Pair以匈牙利发明家George Sziklai命名，是一种互补或复合达林顿器件，由分开的NPN和PNP互补晶体管组成。如下所示。

NPN和PNP晶体管的级联组合具有以下优点：Sziklai对执行与达林顿对相同的基本功能，除了它只需要对于导通和标准达林顿配置的0.6v，对于相同匹配的晶体管，电流增益等于β 2 或者由两者的乘积给出不匹配的单个晶体管的电流增益。

Sziklai达林顿晶体管配置

晶体管

我们可以看到Sziklai器件的基极 - 发射极电压降等于信号路径中单个晶体管的二极管压降。然而，Sziklai配置不能饱和到小于一整个二极管压降，即0.7v而不是通常的0.2v。

此外，与达林顿对一样，Sziklai对的响应时间比a低。单晶体管。 Sziklai对互补晶体管通常用于推挽式和AB类音频放大器输出级，仅允许输出晶体管的一个极性。 Darlington和Sziklai晶体管对均提供NPN和PNP配置。

达林顿晶体管IC

在大多数电子应用中，控制电路切换直流输出电压就足够了或者当前“ON”或“OFF”直接作为某些输出设备（例如LED或显示器）仅需要几毫安来在低DC电压下操作，因此可以由标准逻辑门的输出直接驱动。

然而，正如我们上面所看到的，有时需要更多的功率来操作输出设备，例如直流电动机，而不是普通的逻辑门或微控制器。如果数字逻辑器件无法提供足够的电流，则需要额外的电路来驱动器件。

一种常用的达林顿晶体管芯片是ULN2003阵列。达林顿阵列系列包括ULN2002A，ULN2003A和ULN2004A，它们都是高压，高电流达林顿阵列，每个阵列在单个IC封装中包含七个开路集电极达林顿对。

阵列的每个通道都是额定电流为500mA，可承受高达600mA的峰值电流，非常适合控制小型电动机或灯具或高功率半导体的栅极和基极。其他抑制二极管用于感性负载驱动，输入端固定在输出端，以简化连接和电路板布局。

ULN2003A达林顿晶体管阵列

ULN2003A是一种低成本的单极达林顿晶体管阵列，具有高效率和低功耗，因此可用于驱动各种负载，包括螺线管，继电器直流电机和LED显示器或白炽灯。 ULN2003A包含七个达林顿晶体管对，每个晶体管对在左侧有一个输入引脚，在右侧与输出引脚相对，如图所示。

ULN2003A达林顿晶体管阵列

晶体管

ULN2003A达林顿驱动器具有极高的输入阻抗和电流增益，可以直接从TTL或+ 5V CMOS逻辑门驱动。对于+ 15V CMOS逻辑，使用ULN2004A，对于高达100V的更高开关电压，最好使用SN75468达林顿阵列。

当输入（引脚1到7）被驱动为“高”时，相应的输出将切换“低”吸收电流。同样，当输入被驱动为“低”时，相应的输出切换到高阻抗状态。这种高阻抗“关”状态可阻止负载电流并降低通过器件的漏电流，从而提高效率。

引脚8，（GND）连接到负载地或0伏，而引脚9（Vcc）连接到负载供应。然后，任何负载都需要连接在+ Vcc和输出引脚10到16之间。对于电感负载，如电机，继电器和螺线管等，引脚9应始终连接到Vcc。

ULN2003A能够在每个通道切换500mA（0.5A），但如果需要更多的开关电流能力，那么达林顿对输入和输出可以并联在一起，以获得更高的电流能力。例如，输入引脚1和2连接在一起，输出引脚16和15连接在一起以切换负载。

达林顿晶体管摘要

达林顿晶体管是一种高功率半导体器件，具有比传统小信号结晶体管高出许多倍的电流和电压额定值。

标准高功率NPN或PNP晶体管的直流电流增益值相对较低，低至与小信号开关晶体管相比，为20甚至更小。这意味着需要大的基极电流来切换给定的负载。

达林顿布置使用两个背对背的晶体管，其中一个是主要的载流晶体管，而另一个则是一个小得多的“切换” “晶体管提供基极电流来驱动主晶体管。结果，当两个晶体管的DC电流增益相乘时，可以使用较小的基极电流来切换更大的负载电流。然后，两个晶体管组合可以被视为一个单独的晶体管，具有非常高的β值，因此具有高输入电阻。

以及标准PNP和NPN达林顿晶体管对，还提供互补的Sziklai Darlington晶体管，它们由在相同达林顿对中连接在一起的独立匹配的NPN和PNP互补晶体管组成，以提高效率。

此外，达林顿阵列如ULN2003A可提供高功率或电感负载，如灯，螺线管和电机，由机器人和机电一体化应用中的微处理器和微控制器设备安全驱动。

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