Układ Darlingtona – Jak to działa? Zastosowanie

Układ Darlingtona, nazwany na cześć jego wynalazcy, stanowi ważny element w świecie elektroniki. Dzięki niemu możliwe jest osiągnięcie znacznie większego wzmocnienia prądu niż w przypadku pojedynczego tranzystora. Ale jak dokładnie działa ta konfiguracja i gdzie znajduje swoje zastosowanie? Zapraszamy do lektury, by dowiedzieć się więcej!

Historia powstania układu Darlingtona

Chociaż wiele elementów elektroniki wydaje się nam nowoczesnymi wynalazkami, ich korzenie sięgają często kilku dekad wstecz. Tak jest w przypadku układu Darlingtona.

Układ Darlingtona został wynaleziony w latach 50. XX wieku przez Sidneya Darlingtona, amerykańskiego inżyniera i naukowca. Jego celem było znalezienie sposobu na zwiększenie wzmocnienia prądowego tranzystorów, które były wówczas stosunkowo nową technologią. Sidney Darlington, pracując dla Bell Telephone Laboratories, stworzył konfigurację łączącą dwa tranzystory w taki sposób, że emiter jednego z nich był bezpośrednio połączony z bazą drugiego. Dzięki temu osiągnięto znacząco większe wzmocnienie prądu w stosunku do pojedynczego tranzystora.

Po opublikowaniu wyników swojej pracy w 1953 roku, układ Darlingtona szybko zdobył popularność wśród inżynierów i projektantów elektroniki. Dzięki jego wydajności i prostocie konstrukcyjnej, zyskał on ugruntowaną pozycję w branży, stając się standardem w wielu aplikacjach wymagających wysokiego wzmocnienia prądu.

Z biegiem lat technologia tranzystorów ewoluowała, ale koncept układu Darlingtona pozostaje ważnym narzędziem w arsenale elektroników. Jego trwały wpływ na świat elektroniki świadczy o geniuszu Sidneya Darlingtona i jego innowacyjnym podejściu do rozwiązywania problemów.

Budowa i podstawowe cechy układu Darlingtona

Układ Darlingtona, w uproszczeniu, polega na połączeniu dwóch tranzystorów bipolarnych w specyficzny sposób, w którym emiter pierwszego tranzystora jest połączony z bazą drugiego. Rezultatem tego połączenia jest sumaryczne wzmocnienie obu tranzystorów, co daje znacznie większe wzmocnienie prądu niż w przypadku pojedynczego tranzystora.

Budowa

1. Dwa tranzystory bipolarne (NPN lub PNP) – jednym z kluczowych elementów układu Darlingtona są dwa tranzystory, z których jeden “podaje” prąd do drugiego.
2. Połączenie emiter-baza – emiter pierwszego tranzystora jest połączony bezpośrednio z bazą drugiego, co jest charakterystyczną cechą układu.
3. Wspólny kolektor – oba tranzystory dzielą wspólny kolektor, co pozwala na efektywne przekazywanie prądu przez układ.

Podstawowe cechy

1. Wysokie wzmocnienie prądowe – jedną z głównych zalet układu Darlingtona jest jego zdolność do osiągnięcia znacznie większego wzmocnienia prądowego w porównaniu z pojedynczym tranzystorem.
2. Wysoka wrażliwość – dzięki tej konfiguracji układ Darlingtona jest bardziej wrażliwy na niskie prądy bazowe.
3. Opóźnienie w czasie – ze względu na dwustopniową naturę układu występuje pewne opóźnienie między podaniem sygnału na bazę pierwszego tranzystora a reakcją na wyjściu.

Układ Darlingtona ma pewne wady, takie jak opóźnienie w czasie i większe spadki napięcia. Jednak jego zalety często przewyższają te ograniczenia i sprawiają, że jest niezastąpionym elementem w wielu projektach.

Zasada działania układu Darlingtona

Zrozumienie zasady działania układu Darlingtona wymaga zanurzenia się w nieco bardziej zaawansowane aspekty elektroniki, ale postaramy się przedstawić to w jak najbardziej przystępny sposób.

Podstawy działania

W układzie Darlingtona, kiedy niewielki prąd wejściowy (prąd bazowy) jest wprowadzany do bazy pierwszego tranzystora, powoduje on, że przez ten tranzystor zaczyna przepływać prąd kolektorowy. Ten prąd kolektorowy z pierwszego tranzystora jest kierowany do bazy drugiego tranzystora jako jego prąd bazowy. Dzięki temu drugi tranzystor również zaczyna przewodzić.

W efekcie, prąd wyjściowy, czyli prąd przepływający przez kolektory obu tranzystorów, jest znacznie większy niż początkowy prąd wejściowy. Można to przedstawić matematycznie: 

wzmocnienie układu Darlingtona jest produktem wzmocnień obu tranzystorów, czyli jeśli pierwszy tranzystor ma wzmocnienie 100, a drugi 50, cały układ będzie miał wzmocnienie 5000.

Najważniejsze etapy działania

1. Wzmocnienie – najważniejszą cechą układu Darlingtona jest zdolność do osiągnięcia dużego wzmocnienia prądowego.
2. Czułość – nawet niewielki prąd bazowy może aktywować układ, co sprawia, że jest on bardzo wrażliwy i reaguje na niskie sygnały wejściowe.
3. Kaskadowe działanie – działanie układu Darlingtona jest efektem kaskadowym, gdzie pierwszy tranzystor wpływa na drugi, prowadząc do znacznego wzmocnienia.

Przykłady zastosowań układu Darlingtona w elektronice

Układ Darlingtona, ze względu na swoje wyjątkowe właściwości, znalazł szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach elektroniki. Oto kilka przykładów tego, w jakich miejscach możemy się z nim spotkać:

1. Wzmacniacze audio – układ Darlingtona jest często wykorzystywany we wzmacniaczach audio, zwłaszcza w tych, które wymagają dużej mocy. Jego zdolność do wzmocnienia niewielkiego sygnału pozwala na osiągnięcie głośnego i czystego dźwięku.
2. Sterowniki silników – w aplikacjach, które wymagają sterowania silnikami, układ Darlingtona umożliwia kontrolę dużych prądów z niewielkimi sygnałami sterującymi, co jest kluczowe dla precyzyjnej kontroli silnika.
3. Przełączniki – dzięki wysokiej czułości na sygnały wejściowe, układ Darlingtona może być używany jako przełącznik w obwodach, które reagują na niskie napięcia.
4. Układy interfejsowe – w systemach, gdzie konieczne jest łączenie różnych komponentów elektronicznych, układ Darlingtona służy jako interfejs między komponentami o różnych poziomach mocy.
5. Czujniki – w aplikacjach czujnikowych, gdzie ważna jest zdolność do wykrywania niskich poziomów sygnału, układ Darlingtona może działać jako wzmocnienie dla sygnału wyjściowego z czujnika.
6. Zasilacze – w niektórych zasilaczach układ Darlingtona jest używany do regulacji i kontroli prądu wyjściowego, zapewniając stabilne i niezmienne napięcie.
7. System światła (LED) – w aplikacjach z diodami LED, gdzie ważna jest kontrola jasności i prądu, układ Darlingtona może być używany do precyzyjnej kontroli prądu przepływającego przez diody.

To tylko część możliwości wykorzystania układu Darlingtona. Jest on bardzo wszechstronny i mimo, że został opracowany w 1953 roku, to do tej pory znajduje swoje zastosowanie we współczesnej elektronice i technice.