Transistor Darlington

Configuración electrónica de múltiples transistores

Transistor Darlington (tipo NPN)

En electrónica , una 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 se amplifica aún más por el segundo. ^[1] Los colectores de ambos transistores están conectados entre sí. Esta configuración tiene una ganancia de corriente mucho mayor que cada transistor tomado por separado. Actúa como un solo transistor y a menudo se empaqueta como tal. Fue inventado en 1953 por Sidney Darlington .

Comportamiento

Vista del chip en un MJ1000

Un par Darlington se comporta como un solo transistor, es decir, tiene una base, un colector y un emisor. Normalmente, crea una ganancia de corriente alta (aproximadamente el producto de las ganancias de los dos transistores, debido a que sus valores β se multiplican entre sí). Una relación general entre la ganancia de corriente compuesta y las ganancias individuales se da por:

${\displaystyle \beta _{\mathrm {Darlington} }=\beta _{1}\cdot \beta _{2}+\beta _{1}+\beta _{2}}$

Si β ₁ y β ₂ son suficientemente altos (centenas), esta relación se puede aproximar con:

${\displaystyle \beta _{\mathrm {Darlington} }\approx \beta _{1}\cdot \beta _{2}}$

Matriz de silicio TIP122

Un transistor Darlington típico tiene una ganancia de corriente de 1000 o más, de modo que solo se necesita una pequeña corriente de base para hacer que el par conmute corrientes conmutadas mucho más altas. ^[2] Otra ventaja es que proporciona una impedancia de entrada muy alta para el circuito, lo que también se traduce en una disminución equivalente de la impedancia de salida. La facilidad de creación de este circuito también proporciona una ventaja. Se puede hacer simplemente con dos transistores NPN (o PNP) separados y también está disponible en una variedad de encapsulados individuales.

Una desventaja es que el voltaje base-emisor se duplica aproximadamente. Como 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:

${\displaystyle V_{BE}=V_{BE1}+V_{BE2}\approx 2V_{BE1}\!}$

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 1,3 V.

Otro inconveniente del par Darlington es su mayor voltaje de "saturación". El transistor de salida no puede saturarse (es decir, su unión base-colector debe permanecer polarizada en sentido inverso) porque el primer transistor, cuando está saturado, establece una retroalimentación negativa totalmente paralela (100%) entre el colector y la base del segundo transistor. ^[3] Dado que el voltaje colector-emisor es igual a la suma de su propio voltaje base-emisor y el voltaje colector-emisor del primer transistor, ambas cantidades positivas en funcionamiento normal, siempre excede el voltaje base-emisor. (En símbolos, siempre). Por lo tanto, el voltaje de "saturación" de un transistor Darlington es un V _BE (aproximadamente 0,65 V en silicio) más alto que el voltaje de saturación de un solo transistor, que normalmente es de 0,1 a 0,2 V en silicio. Para corrientes de colector iguales, este inconveniente se traduce en un aumento de la potencia disipada para el transistor Darlington con respecto a un solo transistor. El aumento del nivel de salida bajo puede causar problemas cuando se activan circuitos lógicos TTL. ${\displaystyle \mathrm {V_{CE2}=V_{CE1}+V_{BE2}>V_{BE2}} \Rightarrow \mathrm {V_{C2}>V_{B2}} }$

Otro problema es la reducción de la velocidad de conmutación o de la respuesta, ya que el primer transistor no puede inhibir activamente la corriente de base del segundo, lo que hace que el dispositivo tarde más en apagarse. Para aliviar esto, el segundo transistor suele tener una resistencia de unos cientos de ohmios conectada entre sus terminales de base y emisor. ^[1] 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 al retraso adicional del transistor).

Embalaje

Los pares Darlington están disponibles como paquetes integrados o pueden estar hechos de dos transistores discretos; Q ₁ , el transistor de la izquierda en el diagrama, puede ser un tipo de baja potencia, pero normalmente Q ₂ (a la derecha) necesitará ser de alta potencia. La corriente máxima del colector I _C (max) del par es la de Q ₂ . Un dispositivo de potencia integrado típico es el 2N6282, que incluye una resistencia de apagado y tiene una ganancia de corriente de 2400 a I _C = 10 A.

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

El triplete de Darlington

Se puede añadir un tercer transistor a un par Darlington para obtener una ganancia de corriente aún mayor, lo que forma un triplete Darlington. El emisor del segundo transistor del par está conectado a la base del tercero, al igual que 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 utiliza.

Aplicaciones

Los pares 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 totalmente simétrico, se conectan dos pares Darlington como seguidores de emisor que impulsan la salida de la fuente de alimentación positiva y negativa: un par Darlington NPN conectado al riel positivo que proporciona corriente para las excursiones positivas de la salida, y un par Darlington PNP conectado al riel negativo que proporciona corriente para las excursiones negativas.

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

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.

Los transistores Darlington se pueden utilizar en circuitos de alta corriente, como el regulador de voltaje LM1084. ^[4] Otras aplicaciones de alta corriente podrían incluir aquellas que involucran el control de motores o relés por computadora, 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.

Véase también

• Transistor bipolar de puerta aislada
• ULN2003A
• Par Sziklai , a veces llamado "Darlington complementario", una configuración similar pero con transistores de tipo opuesto (uno NPN y uno PNP)
• Lógica de inyección integrada (I2L)

Referencias

1. Horowitz, Paul; Winfield Hill (1989). El arte de la electrónica . Cambridge University Press. ISBN 0-521-37095-7.
2. Boylestad, Robert L.; Nashelsky, Louis (2013). Dispositivos electrónicos y teoría de circuitos (11.ª ed.). Pearson Education, Inc., págs. 305-314. ISBN 978-0-13-262226-4.
3. De manera similar, un seguidor de emisor nunca se satura debido a la retroalimentación negativa en serie del 100 %. Otro ejemplo es un "diodo activo" formado por un transistor con base y colector unidos (por ejemplo, la parte de ajuste de corriente de un espejo de corriente ).
4. "Hoja de datos del LM1084" (PDF) . Texas Instruments . Consultado el 22 de noviembre de 2020 .

Enlaces externos

• Medios relacionados con los transistores Darlington en Wikimedia Commons
• Patente estadounidense 2.663.806 "Dispositivo de traducción de señales de semiconductores" (transistor Darlington)
• Circuito de control de velocidad de motor de par Darlington
• ECE 327: Procedimientos para el laboratorio de filtrado de salida, sección 4 ("Amplificador de potencia") analiza en detalle los pares Darlington en el diseño de un controlador de corriente de clase AB basado en BJT.