Составные транзисторы находят применение там, где необходимо совсем небольшим током управлять токами большими, то есть там, где необходим большой коэффициент передачи тока. Однако составному транзистору характерны некоторые существенные недостатки, которые ограничивают его применение. Составной транзистор активно используется в аналоговых схемах. Применение его в ключевых схемах не эффективно.
Типовые схемы составных транзисторов
На рисунке изображены две основные схемы составных транзисторов. Обе схемы можно считать эквивалентными npn транзистору с большим коэффициентом передачи тока. Первая схема называется ‘Составной транзистор Дарлингтона‘, вторая — ‘Составной транзистор Шиклаи‘
Резистор между базой и эмиттером второго транзистора используется в качестве источника тока. Действительно, падение напряжения между базой и эмиттером транзистора мало зависит от тока и является практически неизменным. [Ток через резистор] = [Напряжение на резисторе] / [Сопротивление резистора]. Таким образом, через этот резистор течет ток практически постоянной силы.
Сопротивление данного резистора рассчитывается исходя из выбора рабочей точки транзисторов, входящих в составной. Рабочая точка выбирается исходя из соображений линейности, рассеиваемой мощности и ряда других. Обсуждение этих соображений находится за рамками этой статьи.
Выберем рабочую точку транзисторов, определимся с желаемыми силами токов коллекторов транзисторов. Тогда [Сопротивление резистора] = [Напряжение насыщения база — эмиттер второго транзистора при токе базы Iб] / ([Iб] — [Ток коллектора второго транзистора в выбранной рабочей точке] / [Коэффициент передачи тока второго транзистора]).
Для первой схемы [Iб] = [Ток коллектора первого транзистора в выбранной рабочей точке] * (1 + 1/[Коэффициент передачи тока первого транзистора])
Для второй схемы [Iб] = [Ток коллектора первого транзистора в выбранной рабочей точке]
Расчет параметров составного транзистора
Коэффициент передачи тока
Для первой схемы (Дарлингтона) [Коэффициент передачи тока] = ([Коэффициент передачи тока первого транзистора] + 1) * [Коэффициент передачи тока второго транзистора]
Для второй схемы (Шиклаи) [Коэффициент передачи тока] = [Коэффициент передачи тока первого транзистора] * ([Коэффициент передачи тока второго транзистора] + 1)
Напряжение насыщения база — эмиттер
Для первой схемы (Дарлингтона) [Напряжение насыщения база — эмиттер при токе базы Iб] = [Напряжение насыщения база — эмиттер первого транзистора при токе базы Iб] + [Напряжение насыщения база — эмиттер второго транзистора при токе базы I1], где [I1] = [Iб] * (1 + [Коэффициент передачи тока первого транзистора]) — [Ток через резистор]
Для второй схемы (Шиклаи) [Напряжение насыщения база — эмиттер при токе базы Iб] = [Напряжение насыщения база — эмиттер первого транзистора при токе базы Iб]
Как видно из формул, напряжение насыщения база — эмиттер во второй схеме намного ниже. Это и есть главное преимущество второй схемы.
Напряжение насыщения коллектор — эмиттер
[Напряжение насыщения коллектор — эмиттер при токе коллектора Iк] = [Напряжение насыщения база — эмиттер второго транзистора при токе базы Iб] + [Напряжение насыщения коллектор — эмиттер первого транзистора при токе коллектора I2], где [Iб] = [Iк] / [Коэффициент передачи тока второго транзистора]
Для первой схемы (Дарлингтона), [I2] = ([Iб] + [Ток через резистор]) / (1 + 1 / [Коэффициент передачи тока первого транзистора])
Для второй схемы (Шиклаи), [I2] = ([Iб] + [Ток через резистор])
Сразу бросается в глаза, что напряжение насыщения коллектор — эмиттер составного транзистора в разы больше напряжения насыщения обычных транзисторов. Действительно, чтобы второй транзистор открылся, нужно подать на его базу напряжение, большее напряжения насыщения база — эмиттер. А это напряжение обычно больше напряжения насыщения коллектор — эмиттер. Кроме того напряжение подается через первый транзистор, на котором также падает часть напряжения. Вот и получается, что чтобы составной транзистор открылся, между его коллектором и эмиттером должно быть приложено значительное напряжение.
Если напряжение насыщения коллектор — эмиттер хороших переключательных транзисторов составляет 0.2 или даже 0.1 вольт, то напряжение насыщения коллектор — эмиттер составного транзистора будет около 1 вольта.
Для схем, где транзисторы работают в режимах, далеких от насыщения, например, в усилителях сигнала, это не имеет значения, но это неприятное свойство сильно ограничивает применение составных транзисторов в ключевых (переключательных) схемах, так как он очень сильно греется. Рассеиваемая мощность в открытом состоянии в ключевой схеме равна произведению напряжения насыщения на коммутируемый ток.
Для преодоления проблемы могут применяться следующие схемные решения
В первом случае используется специальный независимый источник напряжения. Решение оригинальное, эффективное, но наталкивается на необходимость иметь такой независимый источник напряжения. Кстати в интегральных микросхемах такое решение активно применяется.
Второе решение — это уже не совсем составной транзистор, так как он уже получается с четырьмя выводами. Но зато такое решение обеспечивает низкие потери без применения дополнительного источника напряжения.