Intentando entender cómo funciona un transistor Darlington

La clave aquí es comprender que los transistores (específicamente BJT) no operan en voltajes, sino en corrientes. Hay algunos voltajes que importan, como la caída de voltaje entre la base y el emisor, pero como regla general, son las corrientes las que importan para los BJT.

BJTs son amplificadores de corriente. Cuanta más corriente viaja a través de la ruta del Emisor Base, más corriente se le permite pasar a través de la ruta del Emisor-colector. La relación entre estas corrientes se aproxima bien considerando dos regiones. El primero es el estado "activo", donde la corriente del Emisor-colector es proporcional a la corriente del Emisor Base. La constante de proporcionalidad de esta relación se denomina "beta" del transistor (a menudo del orden de 100). El segundo estado, a corrientes más altas, se conoce como estado de "saturación", donde la corriente del colector-emisor es relativamente constante con respecto a la corriente del emisor de base.

Los pares de Darlington a menudo aparecen en situaciones donde se necesita una alta amplificación de corriente. Hacen "BJT de potencia" que están optimizados para tener una alta corriente de saturación, pero es muy difícil hacer tales BJT de potencia con una alta ganancia. Un par Darlington te permite combinar lo mejor de ambos mundos. El primer transistor es un BJT normal de alta ganancia, que multiplica la corriente del Emisor Base y permite que un gran múltiplo de eso fluya del Colector al Emisor. El segundo transistor es un BJT de potencia, que tiene una ganancia mucho menor, pero mejores corrientes máximas. La base de este BJT se alimenta de toda la corriente combinada que fluye a través del transistor más pequeño, por lo que la corriente total que fluye desde su colector a su emisor es aún mayor.

La situación anterior funciona bien en los modos de conmutación y amplificación para el transistor. De hecho, los pares de Darlington a veces se usan para impulsar motores en el modo de conmutación. Si solo consideramos amplificar, aparece un segundo caso de uso mayor. Si usamos dos transistores de señal (en lugar de un transistor de señal y un BJT de potencia), no podemos manejar las corrientes altas, pero podemos tener ganancias extremadamente altas. En teoría, este patrón puede apilarse en la medida que lo desee, y cada capa multiplica la beta total por la beta de ese transistor. Betas de 10,000 o 1,000,000 son alcanzables en estas situaciones (limitadas por el ruido, por supuesto).

Los pares de Darlington tienen algunos límites. Un límite es que su respuesta de frecuencia está limitada por dos transistores, no solo uno. Esto limita su uso de alta frecuencia. Otro límite es que no son muy lineales. Los circuitos amplificadores específicamente diseñados tienden a proporcionar una amplificación de calidad mucho mayor. Sin embargo, son pequeños, simples y tienden a funcionar.

  

Desde mi punto de vista, el punto de un transistor Darlington es tomar una tensión y aumentarla más de lo que es capaz un solo transistor.

Incorrecto. Los transistores de unión bipolar son amplificadores de ganancia de corriente ; para una corriente de base dada, permiten que fluya una corriente de colector mucho mayor. Como tal, el primer transistor amplifica su corriente base en una corriente de colector mucho mayor. Esto se convierte en la corriente de base para el segundo transistor, que luego lo amplifica aún más, lo que hace que la ganancia de corriente general alcance fácilmente más de 500.

El objetivo de un darlington es utilizar dos transistores para parecer un transistor con alta ganancia. De hecho, la ganancia del darlington es el producto de la ganancia de los transistores individuales.

Por supuesto que no hay almuerzo gratis. En este caso, un inconveniente es que el voltaje de saturación de este "transistor" más grande es significativamente mayor que el de un solo BJT. El tiempo de respuesta, especialmente el tiempo de respuesta de apagado, también será más lento.

La corriente del emisor del primer transistor es la corriente base del segundo transistor, que nuevamente se amplificará por el factor beta más 1, así que lo que realmente está sucediendo es eso,

Primero, la corriente base se está convirtiendo en una corriente emisora, por lo que se amplifica por beta más uno,

En segundo lugar, esta corriente del emisor se está convirtiendo en la corriente base del segundo transistor, por lo que el segundo transistor lo amplifica nuevamente por el factor beta más uno, por lo que la amplificación de corriente total es cuadrada de la amplificación de una etapa.

Los pares de Darlington se usan comúnmente por su alta ganancia (hFE).

Lo que verás a menudo es un par Darlington combinado en un transistor de potencia.

Los transistores de potencia (BJT) por lo general pueden hacer frente a corrientes de colector altas, pero tienen una ganancia baja. Al agregar un transistor adicional, le ofrece lo mejor de ambos mundos: alta corriente de colector a baja corriente de base. Pero a costa de un mayor voltaje de saturación.

Algunas otras propiedades molestas entran en juego, pero creo que estas están más allá de la respuesta que estás buscando. Cosas como las capacidades parásitas, el efecto Miller, etc. Vale la pena hacer una pregunta por sí misma.

El punto de un transistor Darlington es permitir que una señal débil habilite un transistor pequeño, que a su vez puede habilitar un transistor más grande. Es similar a usar un amplificador de micrófono previo o eléctrico antes de pasar la señal a un amplificador de potencia.

Sé que algunos participantes de este hilo estarán muy en desacuerdo conmigo, pero creo que uno debería mencionar que BJT, desde el punto de vista físico, es NO un dispositivo controlado por corriente. En su lugar, la corriente del colector está controlada y determinada por el voltaje base-emisor Vbe solamente! Eso es un hecho comprobado.

Por otro lado, por supuesto, es cierto que existe una relación más o menos fija entre Ic y Ib. Y para muchos cálculos (análisis de circuitos) se nos permite tratar el BJT como si estuviera controlado por la corriente (debido a esta relación fija entre Ib y Ic). Un ejemplo simple lo deja claro: en una etapa de emisor común, reemplace un BJT con una "ganancia de corriente" de 100 con otro BJT con una ganancia de corriente de 200. Para la misma corriente de reposo Ic en ambos casos, la ganancia de voltaje será la misma. El único parámetro que ha cambiado es la resistencia de entrada (debido a la corriente de base más pequeña).

Y este es el efecto principal también para la combinación de Darlington. La ganancia de corriente de la combinación ha aumentado (producto de los valores beta de los transistores), pero la ganancia de voltaje permanece casi igual (para condiciones de CC comparables). La principal ventaja es la resistencia de entrada que ha disminuido drásticamente en comparación con un solo transistor.

Es cierto que la corriente del emisor del primer BJT es idéntica a la corriente base del segundo transistor, pero es la tensión del emisor de la base, desarrollada por esta corriente, que controla la corriente de colector del segundo transistor.

Comentario final: considero que es importante conocer estos hechos físicos para evitar malentendidos e interpretaciones erróneas de las fórmulas. Recuerde la fórmula de ganancia para un estado de ganancia simple: A = -gm * Rc . La "ganancia de corriente hie" no juega ningún papel, en cambio, es la transconductancia gm = dIc / dVbe (pendiente de la función Ic = f (Vbe)) lo que determina la ganancia. Algunas personas piensan: Más ganancia de corriente da más ganancia de voltaje, ¡pero esto es un error grave!

Barry Gilbert: BJT es una fuente de corriente controlada por voltaje; la corriente de base es puramente incidental (se ve mejor como un "defecto")

EDITAR: Tengo la impresión (desacuerdos y voto negativo) de que podría ayudar a mencionar otra referencia (con más reputación que tengo):

Univ. de Berkeley: Ic se determina por la tasa de inyección de electrones desde el emisor a la base, es decir, determinada por VBE. Un indeseable pero efecto secundario inevitable de la aplicación de VBE es una corriente de agujero que fluye desde la base, principalmente hacia el emisor. Esta corriente de base (entrada), Ib, está relacionado con Ic por la ganancia de corriente del emisor común,