Transistor Darlington

Transistor de Darlington (tipo NPN)

En electrónica, una configuración multi-transistor llamada configuración Darlington (comúnmente llamada par Darlington) es un circuito que consta de dos transistores bipolares con el emisor de un transistor conectado a la base del otro, de modo que la corriente amplificada por el primer transistor es amplificada aún más por el segundo. Los colectores de ambos transistores están conectados entre sí. Esta configuración tiene una ganancia de corriente mucho más alta que cada transistor tomado por separado. Actúa como y, a menudo, se empaqueta como un solo transistor. Fue inventado en 1953 por Sidney Darlington.

Comportamiento

Vista del chip en un MJ1000

Un par Darlington se comporta como un solo transistor, lo que significa que tiene una base, un colector y un emisor. Por lo general, crea una ganancia de corriente alta (aproximadamente el producto de las ganancias de los dos transistores, debido al hecho de que sus valores β se multiplican). Una relación general entre la ganancia de corriente compuesta y las ganancias individuales viene dada por:

β β Darlington=β β 1⋅ ⋅ β β 2+β β 1+β β 2{displaystyle beta _{mathrm {Darlington}=beta _{1}cdot beta ¿Qué? ¿Qué? ¿Qué?

Si β₁ y β₂ son lo suficientemente altos (centenares), esta relación se puede aproximar con:

β β Darlington.. β β 1⋅ ⋅ β β 2{displaystyle beta _{mathrm {Darlington}approx beta - ¿Qué? ¿Qué?

Ventajas

Un transistor Darlington típico tiene una ganancia de corriente de 1000 o más, por lo que solo se necesita una pequeña corriente de base para hacer que el par cambie a corrientes conmutadas mucho más altas.

Otra ventaja consiste en proporcionar una impedancia de entrada muy alta para el circuito, lo que también se traduce en una disminución igual en la impedancia de salida.

La facilidad de crear este circuito también proporciona una ventaja. Puede fabricarse simplemente con dos transistores NPN (o PNP) separados y también está disponible en una variedad de paquetes individuales.

Desventajas

Un inconveniente es una duplicación aproximada del voltaje base-emisor. Dado que hay dos uniones entre la base y el emisor del transistor Darlington, el voltaje base-emisor equivalente es la suma de ambos voltajes base-emisor:

VBE=VBE1+VBE2.. 2VBE1{displaystyle V_{BE}=V_{BE1}+V_{BE2}approx 2V_{BE1}!

Para la tecnología basada en silicio, donde cada V_BEi es de aproximadamente 0,65 V cuando el dispositivo está funcionando en la región activa o saturada, el voltaje base-emisor necesario del par es de 1,3 V.

Otro inconveniente del par Darlington es su creciente tensión de "saturación". El transistor de salida no se permite saturar (es decir, su unión base-collector debe permanecer sesgada inversa) porque el primer transistor, cuando está saturado, establece la retroalimentación negativa total (100%) paralela entre el coleccionista y la base del segundo transistor. Dado que el voltaje del coleccionista-emitter es igual a la suma de su propio voltaje base-emitter y el voltaje del coleccionista-emisor del primer transistor, ambas cantidades positivas en el funcionamiento normal, siempre supera el voltaje base-emisor. (En símbolos, V_{BE2}} Rightarrow mathrm {V_{C2}>V_{B2}} }" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">VCE2=VCE1+VBE2■VBE2⇒ ⇒ VC2■VB2{displaystyle mathrm {V_{CE2}=V_{CE1}+V_{BE2}} Rightarrow mathrm {V_{C2} {V_{B2}}} V_{BE2}} Rightarrow mathrm{V_{C2} > V_{B2}}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/897ea921546c6681ca5a367be8bcaa45631d9f31" style="vertical-align: -0.671ex; width:44.061ex; height:2.509ex;"/> siempre.) Así el voltaje de "saturación" de un transistor Darlington es un V_BE (aproximadamente 0,65 V en silicio) más alto que un solo voltaje de saturación transistor, que es típicamente 0,1 - 0,2 V en silicio. Para las corrientes iguales de coleccionista, este inconveniente se traduce en un aumento del poder disipado para el transistor de Darlington sobre un único transistor. El aumento del nivel de baja salida puede causar problemas cuando los circuitos lógicos TTL son impulsados.

Otro problema es una reducción en la velocidad o respuesta de conmutación, porque el primer transistor no puede inhibir activamente la corriente de base del segundo, lo que hace que el dispositivo se apague lentamente. Para paliar esto, el segundo transistor a menudo tiene una resistencia de unos pocos cientos de ohmios conectada entre sus terminales base y emisor. Esta resistencia proporciona una ruta de descarga de baja impedancia para la carga acumulada en la unión base-emisor, lo que permite un apagado más rápido del transistor.

El par Darlington tiene más cambio de fase a altas frecuencias que un solo transistor y, por lo tanto, puede volverse inestable más fácilmente con retroalimentación negativa (es decir, los sistemas que usan esta configuración pueden tener un rendimiento deficiente debido a la demora adicional del transistor).

Embalaje

Los pares Darlington están disponibles como paquetes integrados o se pueden fabricar a partir de dos transistores discretos; Q₁, el transistor de la izquierda en el diagrama, puede ser del tipo de baja potencia, pero normalmente Q₂ (a la derecha) necesitará ser de alta potencia. La corriente de colector máxima I_C(max) del par es la de Q₂. Un dispositivo de alimentación integrado típico es el 2N6282, que incluye una resistencia de desconexión y tiene una ganancia de corriente de 2400 en I_C=10 A.

Los dispositivos integrados pueden ocupar menos espacio que dos transistores individuales porque pueden usar un colector compartido. Los pares Darlington integrados vienen empaquetados individualmente en paquetes similares a transistores o como una matriz de dispositivos (generalmente ocho) en un circuito integrado.

Trío de Darlington

Se puede agregar un tercer transistor a un par Darlington para obtener una ganancia de corriente aún mayor, formando un triplete Darlington. El emisor del segundo transistor del par está conectado a la base del tercero, como el emisor del primer transistor está conectado a la base del segundo, y los colectores de los tres transistores están conectados entre sí. Esto da una ganancia de corriente aproximadamente igual al producto de las ganancias de los tres transistores. Sin embargo, la mayor ganancia de corriente a menudo no justifica los problemas de sensibilidad y corriente de saturación, por lo que este circuito rara vez se usa.

Aplicaciones

Los pares de Darlington se utilizan a menudo en las etapas de salida push-pull de los amplificadores de audio de potencia que impulsan la mayoría de los sistemas de sonido. En un circuito push-pull completamente simétrico, se conectan dos pares Darlington como emisores seguidores que impulsan la salida desde el suministro positivo y negativo: un par NPN Darlington conectado al riel positivo que proporciona corriente para excursiones positivas de la salida, y un par PNP Darlington conectado al riel negativo proporcionando corriente para excursiones negativas.

Antes de que estuvieran disponibles los transistores de potencia PNP de buena calidad, se usaba el circuito push-pull cuasi simétrico, en el que solo los dos transistores conectados al riel de suministro positivo eran un par NPN Darlington, y el par del riel negativo eran dos más transistores NPN conectados como amplificadores de emisor común.

Seguridad

Un par Darlington puede ser lo suficientemente sensible como para responder a la corriente que pasa por contacto con la piel, incluso en voltajes de zona segura. Por lo tanto, puede formar una nueva etapa de entrada de un interruptor sensible al tacto.

Amplificación

Los transistores Darlington se pueden usar en circuitos de alta corriente como el regulador de voltaje LM1084. Otras aplicaciones de alta corriente podrían incluir aquellas que implican el control por computadora de motores o relés, donde la corriente se amplifica desde un nivel bajo seguro de la línea de salida de la computadora hasta la cantidad que necesita el dispositivo conectado.