1.10达林顿晶体管对

在本教程中，我们将学习达林顿晶体管或达林顿对。我们将了解达林顿对的作用、一些示例电路、常见应用以及优缺点。

达林顿晶体管简介

达林顿晶体管（简称达林顿对）主要用于在基极电流较低的情况下提供非常高的电流增益。达林顿配置由Sidney Darlington于1953年发明。

在当今市场上，有多种类型的达林顿晶体管可供选择，它们在极性、集电极电流、功耗、封装类型、最大CE电压等方面有所不同。

这些晶体管广泛应用于电源调节器、电机控制器、音频放大器等电路中。许多光隔离器电路也使用达林顿晶体管，以提高输出级的电流能力。让我们简要了解这种晶体管及其应用。

为什么要使用达林顿晶体管？

我们知道，要使晶体管导通，需要较小的基极电流。当基极作为输入、发射极作为公共端、集电极作为输出时，负载连接在集电极端。

但是，当考虑集电极端的负载时，这个小的基极电流可能不足以驱动晶体管导通。晶体管的电流增益或β是集电极电流与基极电流的比值。

$\text{晶体管增益或电流增益 } (\beta) = \frac{\text{负载电流或集电极电流}}{\text{输入电流或基极电流}}$ $\text{负载电流} = \beta \times \text{基极电流}$

对于普通晶体管，$\beta$ 值为100。

上述关系表明，可用于驱动负载的电流是晶体管输入电流的100倍。

考虑下图，其中NPN晶体管用于开关灯，可变电阻连接在电源和基极端之间。在此电路中，基极电流是决定集电极和发射极电流的唯一因素，因此通过改变可变电阻的阻值，灯光可以从暗变亮。

如果可变电阻的阻值较大，基极电流减小，晶体管关闭。当电阻太小时，足够的电流流过基极，导致灯中流过很大的电流，灯变得非常亮。这就是晶体管中的电流放大作用。

在上面的示例中，我们看到了使用单个晶体管驱动负载（灯）。但在某些应用中，来自电源的输入基极电流可能不足以驱动负载。我们知道，晶体管中的负载电流是输入电流与晶体管增益的乘积。

由于无法通过增加基极电流来提高负载电流（因为电源限制），唯一的方法是提高晶体管的增益。但每个晶体管的增益是固定的。然而，我们可以通过使用两个晶体管的组合来提高增益。这种配置称为达林顿晶体管配置。

达林顿晶体管或达林顿对

达林顿晶体管是两个晶体管的背靠背连接，作为一个完整的封装，具有三个引脚：基极、发射极和集电极，相当于单个晶体管。与上述单个标准晶体管相比，这对双极晶体管提供了非常高的电流增益。

这对晶体管可以是PNP或NPN，取决于应用。下图显示了NPN和PNP晶体管的达林顿对配置。

考虑NPN配置的达林顿晶体管。在此配置中，非常小的基极电流会导致大的发射极电流流动，然后施加到下一个晶体管的基极。

第一个晶体管放大的电流再次被第二个晶体管的电流增益放大。因此，第二个晶体管的发射极电流非常大，足以驱动高负载。

假设第一个晶体管的电流增益为 $\beta_1$，下一个晶体管的电流增益为 $\beta_2$，则晶体管的总电流增益将是 $\beta_1$ 和 $\beta_2$ 的乘积。对于标准晶体管，$\beta$ 为100。因此，总电流增益为10000。这个值与单个晶体管相比非常高，因此这个高电流增益提供了高负载电流。

通常，要使晶体管导通，基极输入电压必须大于 $0.7\,\text{V}$。由于在此配置中使用两个晶体管，因此基极电压必须大于 $1.4\,\text{V}$。

从图中，第一个晶体管的电流增益：

$\beta_1 = \frac{I_{C1}}{I_{B1}} \quad \Rightarrow \quad I_{C1} = \beta_1 I_{B1}$

类似地，下一个晶体管的电流增益：

$\beta_2 = \frac{I_{C2}}{I_{B2}} \quad \Rightarrow \quad I_{C2} = \beta_2 I_{B2}$

集电极总电流为：

$I_C = I_{C1} + I_{C2} = \beta_1 I_{B1} + \beta_2 I_{B2}$

但第二个晶体管的基极电流为：

$I_{B2} = I_B + I_{C1} = I_B + \beta_1 I_B = I_B (1 + \beta_1)$

代入上式：

$I_C = \beta_1 I_B + \beta_2 I_B (1 + \beta_1) = I_B (\beta_1 + \beta_2 + \beta_1 \beta_2)$

在上述关系中，单个增益被忽略，总方程近似为：

$I_C \approx I_B (\beta_1 \beta_2)$

因此，总增益为：

$\beta = \beta_1 \beta_2$

并且：

$V_{BE} = V_{BE1} + V_{BE2}$

达林顿晶体管电路示例

考虑以下电路，其中达林顿对用于开关额定电压为 $12\,\text{V}$、功率为 $80\,\text{W}$ 的负载。第一个和第二个晶体管的电流增益分别为50和60。因此，使灯完全导通所需的基极电流计算如下。

集电极电流等于负载电流：

$I_C = \frac{80}{12} = 6.67\,\text{A}$

达林顿晶体管的输出电流为：

$I_C = I_B (\beta_1 + \beta_2 + \beta_1 \beta_2)$ $I_B = \frac{I_C}{\beta_1 + \beta_2 + \beta_1 \beta_2}$

电流增益：$\beta_1 = 50$，$\beta_2 = 60$

$I_B = \frac{6.67}{50 + 60 + (50 \times 60)} = \frac{6.67}{3110} \approx 2.14\,\text{mA}$

从上面的计算中可以清楚地看出，只需很小的基极电流，我们就可以开关较大的灯负载。这个小的基极输入电压可以从任何微控制器输出或任何数字逻辑电路施加。

达林顿晶体管的应用

达林顿晶体管主要用于开关和放大应用中，以提供非常高的直流电流增益。一些关键应用包括高侧和低侧开关、传感器放大器和音频放大器。对于光敏应用，使用光敏达林顿对。让我们看看达林顿晶体管在特定应用中的操作。

NPN达林顿晶体管作为开关

下图显示了使用达林顿晶体管驱动LED。基极端的开关也可以用触摸传感器代替，以便在触摸时LED点亮。一个 $100\,\text{k}\Omega$电阻作为晶体管对的保护电阻。

• 当开关闭合时，大于 $1.4\,\text{V}$ 的指定电压施加在达林顿晶体管两端。这导致达林顿对激活，并驱动电流通过负载。结果是LED非常亮，即使基极电阻发生变化。

• 当开关断开时，两个双极晶体管都处于截止模式，负载电流为零。因此，LED熄灭。

• 也可以使用达林顿对驱动感性负载，如继电器、电机。与单个晶体管相比，使用达林顿对驱动感性负载更有效，因为它提供高负载电流和小的基极输入电流。

• 下图显示了驱动继电器线圈的达林顿对。我们知道，对于感性负载，必须并联续流二极管，以保护电路免受感应电流的影响。与上述LED电路操作类似，当施加基极电流时，继电器线圈被激励。我们也可以用直流电机代替继电器线圈作为感性负载。

PNP达林顿晶体管作为开关

• 我们可以使用PNP晶体管作为达林顿对，但通常使用NPN晶体管。使用NPN或PNP的电路没有太大区别。下图显示了一个简单的传感器电路，该电路在达林顿对的作用下发出警报。

• 该电路是一个简单的水位指示器，其中达林顿对用作开关。我们知道，这种晶体管配置提供了大的集电极电流，因此能够驱动输出端的蜂鸣器。

• 当水位不足以闭合传感器时，达林顿晶体管处于关闭状态。因此，电路开路，没有电流流过。

• 随着水位的增加，传感器激活，并为达林顿对提供必要的基极电流。因此，电路短路，负载电流流动，蜂鸣器发出警报或声音。

达林顿晶体管作为放大器

在功率或电压放大器中，输出端的负载电阻非常低，以实现高电流流动。如果晶体管用于放大，则该电流流过晶体管的集电极端。为了适用于功率放大器，晶体管必须驱动高负载电流。

这个要求可能无法由小基极电流驱动的单个晶体管满足。为了满足高负载电流要求，使用达林顿对，它提供高电流增益。

上图显示了一个A类放大器电路，该电路使用达林顿晶体管配置以获得高集电极电流。达林顿晶体管提供的增益等于两个单独增益的乘积。

因此，只需很小的基极电流，集电极端的输出电流就非常高。因此，通过达林顿晶体管的布置，该放大器为负载提供了足够的放大电流。

达林顿对的优点

与标准单晶体管相比，达林顿对具有几个优点。其中一些是：

• 它产生的电流增益比标准单晶体管高得多。
• 它提供非常高的输入阻抗或良好的阻抗变换，可以将高阻抗输入或源变为低阻抗负载。
• 这些可以由两个单独的晶体管制成，也可以作为单个封装提供。
• 电路配置简单方便，使用的元件很少。
• 在光敏达林顿对的情况下，与具有外部放大器的光电晶体管相比，引入的噪声非常小。

达林顿晶体管的缺点

• 开关速度低
• 带宽有限
• 在某些频率的负反馈电路中，这种配置会引入相移。
• 所需的基极-发射极电压较高，是单个标准晶体管的两倍。
• 由于饱和电压高，功耗大。
• 整体漏电流较高，因为第一个晶体管的漏电流被下一个晶体管放大。因此，三级或更多级的达林顿是不可能的。

因此，达林顿对在大多数应用中非常有用，因为它在低基极电流下提供高电流增益。尽管它有一些限制，但这些对在不需要高频率响应且需要高增益电流水平的应用中被广泛使用。

在音频功率放大器电路中，这种配置可以提供更好的输出。