- Coppia di transistor Darlington e relativa configurazione:
- Calcolo del guadagno di corrente della coppia di transistor Darlington:
- Esempio di transistor Darlington:
- Applicazione del transistor Darlington:
- Che cos'è un transistor Darlington identico?
- IC transistor Darlington:
- Commutazione di un motore utilizzando ULN2003 IC:
Il transistor Darlington è stato inventato nel 1953 da un ingegnere elettrico e inventore statunitense, Sidney Darlington.
Il transistor Darlington utilizza due transistor BJT (Bi-polar junction transistor) standard che sono collegati insieme. Transistor Darlington collegato in una configurazione in cui uno degli emettitori del transistor fornisce corrente polarizzata alla base dell'altro transistor.
Coppia di transistor Darlington e relativa configurazione:
Se vediamo il simbolo del transistor Darlington possiamo vedere chiaramente come sono collegati due transistor. Nelle immagini sottostanti sono mostrati due tipi di transistor Darlington. Sul lato sinistro è NPN Darlington e sull'altro lato è PNP Darlington. Possiamo vedere NPN Darlington consistere di due transistor NPN e PNP Darlington consistere di due transistor PNP. L'emettitore del primo transistor è collegato direttamente attraverso la base dell'altro transistor, anche il collettore dei due transistor sono collegati insieme. Questa configurazione viene utilizzata sia per i transistor Darlington NPN che per quelli PNP. In questa configurazione, la coppia o il transistor Darlington produce un guadagno molto più elevato e ampie capacità di amplificazione.
Un normale transistor BJT (NPN o PNP) può funzionare tra due stati, ON e OFF. Dobbiamo fornire corrente alla base che controlla la corrente del collettore. Quando forniamo corrente sufficiente alla base, il BJT entra in modalità saturazione e la corrente scorre dal collettore all'emettitore. Questa corrente di collettore è direttamente proporzionale alla corrente di base. Il rapporto tra corrente di base e corrente del collettore è chiamato guadagno di corrente del transistor che è indicato come Beta (β). Nel tipico transistor BJT il guadagno di corrente è limitato a seconda delle specifiche del transistor. Ma in alcuni casi l'applicazione necessita di un guadagno di corrente maggiore che un singolo transistor BJT non è in grado di fornire. IlLa coppia Darlington è perfetta per le applicazioni in cui è necessario un elevato guadagno di corrente.
Configurazione incrociata:
Tuttavia, la configurazione mostrata nell'immagine sopra, utilizza due PNP o due NPN, ci sono altre configurazioni Darlington o è disponibile anche la configurazione incrociata, dove un PNP viene utilizzato con NPN o un NPN viene utilizzato con PNP. Questo tipo di configurazione incrociata è chiamata configurazione a coppia Sziklai Darlington o configurazione Push-Pull.
Nell'immagine sopra sono mostrate le coppie Sziklai Darlington. Questa configurazione produce meno calore e presenta vantaggi in termini di tempo di risposta. Ne discuteremo più tardi. Viene utilizzato per amplificatori di classe AB o dove sono necessarie le topologie Push-Pull.
Ecco alcuni progetti in cui abbiamo utilizzato i transistor Darlington:
- Generazione di toni toccando le dita utilizzando Arduino
- Circuito rivelatore di bugie semplice che utilizza transistor
- Circuito trasmettitore IR a lungo raggio
- Line Follower Robot utilizzando Arduino
Calcolo del guadagno di corrente della coppia di transistor Darlington:
Nell'immagine sottostante possiamo vedere due transistor PNP o due NPN collegati insieme.
Il guadagno di corrente complessivo della coppia Darlington sarà-
Guadagno di corrente (hFE) = Guadagno primo transistor (hFE 1) * Guadagno secondo transistor (hFE 2)
Nell'immagine sopra, due transistor NPN hanno creato una configurazione Darlington NPN. I due transistor NPN T1 e T2 sono collegati insieme nell'ordine in cui sono collegati i collettori di T1 e T2. Il primo transistore TI fornisce la corrente di base richiesta (IB2) alla base del secondo transistore T2. Quindi, la corrente di base IB1, che controlla il T1, controlla il flusso di corrente alla base di T2.
Quindi, il guadagno di corrente totale (β) viene raggiunto, quando la corrente del collettore è
β * IB come hFE = fFE 1 * hFE 2
Poiché il collettore di due transistor è collegato insieme, la corrente del collettore totale (IC) = IC1 + IC2
Ora, come discusso sopra, otteniamo la corrente del collettore β * IB 1
In questa situazione, il guadagno corrente è unità o maggiore di uno.
Vediamo come il guadagno di corrente è la moltiplicazione del guadagno di corrente dei due transistor.
IB2 è controllata dalla corrente dell'emettitore di T1, che è IE1. IE1 è collegato direttamente attraverso T2. Quindi, IB2 e IE1 sono gli stessi.
IB2 = IE1.
Possiamo cambiare ulteriormente questa relazione con
IC 1 + IB 1
Cambiando IC1 come abbiamo fatto in precedenza, otteniamo
β 1 IB 1 + IB 1 IB 1 (β 1 + 1)
Ora come in precedenza, l'abbiamo visto
IC = β 1 IB 1 + β 2 IB 2 As, IB2 o IE2 = IB1 (β1 + 1) IC = β 1 IB 1 + β 2 IB 1 (β1 + 1) IC = β 1 IB 1 + β 2 IB 1 β 1 + β 2 IB 1 IC = { β 1 + (β 1 + β 2) + β 2 }
Quindi, il circuito integrato di corrente del collettore totale è un guadagno combinato del guadagno dei singoli transistor.
Esempio di transistor Darlington:
Un carico da 60 W con una tensione di ingresso di 15 V deve essere commutato utilizzando due transistor NPN, creando una coppia Darlington. Il guadagno del primo transistor sarà 30 e il guadagno del secondo transistor sarà 95. Calcoleremo la corrente di base per la commutazione del carico.
Come sappiamo, quando il carico verrà acceso, la corrente del collettore sarà la corrente del carico. Secondo la legge di potenza, la corrente del collettore (IC) o la corrente di carico (IL) sarà
I L = I C = Potenza / Tensione = 60/15 = 4 Amp
Poiché il guadagno di corrente di base per il primo transistor sarà 30 e per il secondo transistor sarà 95 (β1 = 30 e β2 = 95) possiamo calcolare la corrente di base con la seguente equazione:
Quindi, se applichiamo 1.3mA di corrente attraverso la prima base del transistor, il carico andrà in " ON " e se applichiamo una corrente di 0 mA o mettiamo a terra la base il carico verrà spento " OFF ".
Applicazione del transistor Darlington:
L'applicazione del transistor Darlington è la stessa del normale transistor BJT.
Nell'immagine sopra il transistor NPN Darlington viene utilizzato per commutare il carico. Il carico può essere qualsiasi cosa, dal carico induttivo o resistivo. Il resistore di base R1 fornisce la corrente di base al transistor Darlington NPN. Il resistore R2 serve a limitare la corrente al carico. È applicabile a carichi specifici che necessitano di limitazione di corrente in un funzionamento stabile. Poiché l'esempio suggerisce che la corrente di base richiesta è molto bassa, può essere facilmente commutata da microcontrollore o unità logiche digitali. Ma quando la coppia Darlington è in una regione satura o completamente in condizione, si verifica una caduta di tensione tra la base e l'emettitore. È uno svantaggio principale per una coppia Darlington. Le cadute di tensione vanno da 0,3 V a 1,2 V. A causa di questa caduta di tensione, il transistor Darlington diventa più caldo quando è completamente acceso e fornisce corrente al carico. Inoltre, a causa della configurazione, il secondo resistore viene attivato dal primo resistore, il transistor Darlington produce tempi di risposta più lenti. In tal caso, la configurazione Sziklai offre un vantaggio sul tempo di risposta e sulle prestazioni termiche.
Un popolare transistor NPN Darlington è BC517.
Secondo la scheda tecnica del BC517, il grafico sopra fornisce il guadagno di corrente CC del BC517. Tre curve rispettivamente dalla più bassa alla più alta forniscono informazioni sulla temperatura ambiente. Se vediamo la curva della temperatura ambiente di 25 gradi, il guadagno di corrente CC è massimo quando la corrente del collettore è di circa 150 mA.
Che cos'è un transistor Darlington identico?
Il transistor Darlington identico ha due coppie identiche con esattamente le stesse specifiche con lo stesso guadagno di corrente per ciascuna. Ciò significa che il guadagno di corrente del primo transistor β1 è uguale al guadagno di corrente del secondo transistor β2.
Utilizzando la formula della corrente del collettore, il guadagno di corrente del transistor identico sarà-
IC = {{ β 1 + (β2 * β1) + β 2} * IB} IC = {{ β 1 + (β2 * β1) + β 1} * IB} β 2 = IB / IC
Il guadagno attuale sarà molto più alto. Esempi di coppie Darlington NPN sono TIP120, TIP121, TIP122, BC517 e esempi di coppie Darlington PNP sono BC516, BC878 e TIP125.
IC transistor Darlington:
La coppia Darlington consente agli utenti di gestire più applicazioni di potenza con pochi milliamp di sorgente di corrente dal microcontrollore o da sorgenti a bassa corrente.
ULN2003 è un chip ampiamente utilizzato nell'elettronica che fornisce array Darlington ad alta corrente con sette uscite a collettore aperto. La famiglia ULN è composta da ULN2002A, ULN2003A, ULN2004A, tre diverse varianti in più opzioni di pacchetto. L' ULN2003 è una variante ampiamente utilizzata nella serie ULN. Questo dispositivo include diodi di soppressione all'interno del circuito integrato, che è una caratteristica aggiuntiva per guidare il carico induttivo che lo utilizza.
Questa è la struttura interna del CI ULN2003. È un pacchetto dip a 16 pin. Come possiamo vedere, i pin di input e output sono esattamente opposti, per questo è più facile collegare l'IC e rendere più semplicistico il design del PCB.
Sono disponibili sette perni a collettore aperto. È disponibile anche un pin aggiuntivo che è utile per l'applicazione correlata al carico induttivo, può essere motori, solenoidi, relè, che necessitano di diodi a ruota libera, possiamo effettuare la connessione usando quel pin.
I pin di ingresso sono compatibili per l'utilizzo con TTL o CMOS, dall'altro lato i pin di uscita sono in grado di assorbire correnti elevate. Secondo la scheda tecnica, le coppie Darlington sono in grado di assorbire 500 mA di corrente e possono tollerare 600 mA di corrente di picco.
Nell'immagine in alto è mostrata l'attuale connessione dell'array Darlington per ogni driver. Viene utilizzato in sette piloti, ogni pilota consiste in questo circuito.
Quando i pin di ingresso dell'ULN2003, dal pin 1 al pin 7, sono dotati di High, l'uscita sarà bassa e assorbirà corrente attraverso di essa. E quando forniamo un pin di ingresso basso, l'uscita sarà in uno stato di alta impedenza e non assorbirà corrente. Il pin 9 è utilizzato per il diodo a ruota libera; deve essere sempre collegato al VCC, quando si commuta un carico induttivo utilizzando la serie ULN. Possiamo anche pilotare applicazioni più attuali mettendo in parallelo gli ingressi e le uscite di due coppie, come possiamo collegare il pin 1 con il pin 2 e d'altra parte possiamo collegare i pin 16 e 15 e due coppie Darlington in parallelo per pilotare carichi di corrente più elevati.
ULN2003 viene utilizzato anche per pilotare motori passo-passo con microcontrollori.
Commutazione di un motore utilizzando ULN2003 IC:
In questo video il motore è collegato attraverso un pin di uscita a collettore aperto, d'altra parte l'ingresso, forniamo circa 500 nA (0,5 mA) di corrente e controlliamo 380 mA di corrente attraverso il motore. Questo è il modo in cui una piccola quantità di corrente di base può controllare una corrente di collettore molto più alta nel transistor Darlington.
Inoltre, poiché viene utilizzato il motore , il pin 9 è collegato attraverso VCC per fornire protezione contro la rotazione libera.
Il resistore fornisce un basso pull up, rendendo l'ingresso BASSO quando nessun flusso di corrente proviene dalla sorgente, il che rende l'uscita ad alta impedenza che arresta il motore. Il contrario accadrà quando viene applicata corrente aggiuntiva sul pin di ingresso.