Tính toán bóng bán dẫn Darlington

Bóng bán dẫn Darlington là một kết nối nổi tiếng và phổ biến sử dụng một cặp bóng bán dẫn giao nhau lưỡng cực (BJT), được thiết kế để hoạt động giống như một khối thống nhất 'tuyệt vời' bóng bán dẫn. Sơ đồ sau đây cho thấy các chi tiết của kết nối.

Định nghĩa

Một bóng bán dẫn Darlington có thể được định nghĩa là một kết nối giữa hai BJT cho phép chúng tạo thành một BJT tổng hợp duy nhất thu được một lượng dòng điện đáng kể, có thể vượt quá hàng nghìn.

Ưu điểm chính của cấu hình này là bóng bán dẫn hỗn hợp hoạt động giống như một thiết bị duy nhất có lợi ích hiện tại tương đương với tích của mức tăng hiện tại của mỗi bóng bán dẫn.

Nếu kết nối Darlington bao gồm hai BJT riêng lẻ với mức tăng hiện tại là β₁và β_haiĐộ lợi dòng điện kết hợp có thể được tính bằng công thức:

b_D= β₁b_hai-------- (12,7)

Khi các bóng bán dẫn phù hợp được sử dụng trong kết nối Darlington sao cho β₁= β_hai= β, công thức trên cho mức tăng hiện tại được đơn giản hóa thành:

b_D= β^hai-------- (12.8)

Bóng bán dẫn Darlington đóng gói

Do sự phổ biến rộng rãi của nó, các bóng bán dẫn Darlington cũng được sản xuất và sẵn sàng làm trong một gói duy nhất có hai BJT được kết nối bên trong như một khối.

Bảng sau cung cấp biểu dữ liệu của một cặp Darlington mẫu trong một gói duy nhất.

Mức tăng hiện tại được chỉ định, là mức tăng ròng từ hai BJT. Thiết bị đi kèm với 3 thiết bị đầu cuối tiêu chuẩn bên ngoài, đó là đế, cực phát, bộ thu.

Loại bóng bán dẫn Darlington đóng gói này có các đặc điểm bên ngoài tương tự như bóng bán dẫn bình thường nhưng có đầu ra khuếch đại dòng điện rất cao và nâng cao, so với các bóng bán dẫn đơn thông thường.

Làm thế nào để phân biệt DC một mạch bóng bán dẫn Darlington

Hình dưới đây mô tả một mạch Darlington thông thường sử dụng các bóng bán dẫn có độ lợi dòng điện rất cao β_D.

Ở đây dòng điện cơ bản có thể được tính bằng công thức:

Tôi_B= V_DC- V_LÀ/ R_B+ β_DR_LÀ-------------- (12,9)

Mặc dù điều này có thể trông giống với phương trình thường được áp dụng cho bất kỳ BJT thông thường nào , giá trị β_Dtrong phương trình trên sẽ cao hơn đáng kể và V_LÀsẽ tương đối lớn hơn. Điều này cũng đã được chứng minh trong biểu dữ liệu mẫu được trình bày trong đoạn trước.

Do đó, dòng phát có thể được tính như sau:

Tôi_LÀ= (β_D+ 1) Tôi_B≈ β_DTôi_B-------------- (12.10)

Điện áp DC sẽ là:

V_LÀ= Tôi_LÀR_LÀ-------------- (12.11)

V_B= V_LÀ+ V_LÀ-------------- (12.12)

Ví dụ đã giải quyết 1

Từ dữ liệu cho trong hình sau, hãy tính dòng điện và điện áp phân cực của mạch Darlington.

Giải pháp : Áp dụng phương trình.12.9, dòng điện cơ bản được xác định là:

Tôi_B= 18 V - 1,6 V / 3,3 MΩ + 8000 (390Ω) ≈ 2,56 μA

Áp dụng Eq.12.10, dòng phát có thể được đánh giá là:

Tôi_LÀ≈ 8000 (2,56 μA) ≈ 20,28 mA ≈ I_C

Điện áp một chiều của máy phát có thể được tính theo phương trình 12.11, như sau:

V_LÀ= 20,48 mA (390Ω) ≈ 8 V,

Cuối cùng điện áp bộ thu có thể được đánh giá bằng cách áp dụng Eq. 12.12 như dưới đây:

V_B= 8 V + 1,6 V = 9,6 V

Trong ví dụ này, điện áp cung cấp tại bộ thu của Darlington sẽ là:
V_C= 18 V

Mạch Darlington tương đương AC

Trong hình bên dưới, chúng ta có thể thấy BJT emitter-follower mạch kết nối ở chế độ Darlington. Đầu cuối cơ sở của cặp được kết nối với tín hiệu đầu vào xoay chiều thông qua tụ điện C1.

Tín hiệu xoay chiều đầu ra thu được thông qua tụ điện C2 được kết hợp với cực phát của thiết bị.

Kết quả mô phỏng của cấu hình trên được trình bày trong hình sau. Ở đây, bóng bán dẫn Darlington có thể được thay thế bằng một mạch tương đương xoay chiều có điện trở đầu vào r _Tôi và một nguồn đầu ra của dòng điện được biểu thị là b _D Tôi _b

Trở kháng đầu vào AC có thể được tính toán như giải thích bên dưới:

Dòng cơ sở ac đi qua r _Tôi Là:

Tôi_b= V_Tôi- V_{hoặc là}/ r_Tôi---------- (12,13)

Từ
V_{hoặc là}= (Tôi_b+ β_DTôi_b) R_LÀ---------- (12,14)

Nếu chúng ta áp dụng Công thức 12,13 trong Phương thức. 12,14 chúng tôi nhận được:

Tôi_br_Tôi= V_Tôi- V_{hoặc là}= V_Tôi- TÔI_b(1 + β_D) R_LÀ

Giải quyết vấn đề trên cho V _Tôi:

V_Tôi= Tôi_b[r_Tôi+ (1 + β_D) R_LÀ]

V_Tôi/ TÔI_b= r_Tôi+ β_DR_LÀ

Bây giờ, kiểm tra cơ sở bóng bán dẫn, trở kháng đầu vào xoay chiều của nó có thể được đánh giá là:

VỚI_Tôi= R_B॥ r_Tôi+ β_DR_LÀ---------- (12.15)

Ví dụ đã giải quyết 2

Bây giờ chúng ta hãy giải quyết một ví dụ thực tế cho thiết kế bộ phát tương đương AC ở trên:

Xác định tổng trở đầu vào của mạch, cho trước r _Tôi = 5 kΩ

Áp dụng phương trình.12.15, chúng ta giải phương trình như dưới đây:

VỚI_Tôi= 3,3 MΩ॥ [5 kΩ + (8000) 390 Ω)] = 1,6 MΩ

Thiết kế thực tế

Đây là một thiết kế Darlington thực tế bằng cách kết nối Bóng bán dẫn công suất 2N3055 với một bóng bán dẫn BC547 tín hiệu nhỏ.

Một điện trở 100K được sử dụng ở phía đầu vào tín hiệu để giảm dòng điện xuống một vài milimet.

Thông thường với dòng điện ở gốc thấp như vậy, chỉ riêng 2N3055 không bao giờ có thể chiếu sáng tải dòng cao như bóng đèn 12V 2 amp. Điều này là do mức khuếch đại hiện tại của 2N3055 rất thấp để xử lý dòng cơ bản thấp thành dòng thu cao.

Tuy nhiên, ngay khi một BJT khác là BC547 ở đây được kết nối với 2N3055 trong một cặp Darlington, độ lợi dòng điện thống nhất sẽ tăng lên thành một giá trị rất cao và cho phép đèn phát sáng ở độ sáng tối đa.

Mức tăng hiện tại trung bình (hFE) của 2N3055 là khoảng 40, trong khi đối với BC547 là 400. Khi cả hai được kết hợp như một cặp Darlington, mức tăng đáng kể lên 40 x 400 = 16000, thật tuyệt vời phải không. Đó là loại năng lượng mà chúng ta có thể nhận được từ cấu hình bóng bán dẫn Darlington, và một bóng bán dẫn trông bình thường có thể được biến thành một thiết bị được đánh giá cao chỉ với một sửa đổi đơn giản.