Transistor compuesto

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Un transistor compuesto es una conexión eléctrica de dos (o más) transistores bipolares , transistores de efecto de campo o transistores IGBT con el fin de mejorar sus características eléctricas. Estos circuitos incluyen el llamado par Darlington , el par Shiklai, el circuito de conmutación de transistores cascode , el llamado circuito espejo de corriente , etc.

Un par de Darlington

El transistor (o circuito) Darlington compuesto (a menudo un par Darlington) fue propuesto en 1953 por el ingeniero Sidney Darlington de Bell Laboratories . El circuito es una conexión en cascada de dos (raramente tres o más) transistores bipolares [1] , conectados de tal manera que la carga en el circuito emisor de la etapa anterior es la transición base-emisor del transistor de la siguiente etapa ( es decir, el emisor del transistor anterior está conectado a la base del siguiente), con los colectores de los transistores están conectados. En este circuito, la corriente de emisor del transistor anterior es la corriente de base del siguiente transistor.

La ganancia de corriente de un par Darlington es muy alta y es aproximadamente igual al producto de las ganancias de corriente de los transistores que forman tal par. Los transistores potentes conectados de acuerdo con el circuito de pares de Darlington, producidos estructuralmente en un paquete (por ejemplo, el transistor KT825), tienen una ganancia de corriente garantizada en condiciones normales de funcionamiento de al menos 750 [2] .

Para pares Darlington ensamblados en transistores de baja potencia, este coeficiente puede llegar a 50.000 .

Una alta ganancia de corriente proporciona el control de una pequeña corriente aplicada a la entrada de control de un transistor compuesto, corrientes de salida que superan la corriente de entrada en varios órdenes de magnitud.

También es posible lograr un aumento en la ganancia de corriente al reducir el grosor de la base durante la fabricación del transistor, tales transistores son producidos por la industria y se denominan "transistores superbeta", pero el proceso de su fabricación presenta ciertas características tecnológicas. dificultades y dichos transistores tienen voltajes de funcionamiento de colector muy bajos, que no superan unos pocos voltios. Ejemplos de transistores superbeta son las series de transistores individuales KT3102, KT3107. Sin embargo, estos transistores a veces se combinan en un circuito Darlington. Por lo tanto, en circuitos de corriente y voltaje relativamente altos, donde se requiere reducir la corriente de control, se utilizan pares Darlington o pares Shiklai.

A veces, el circuito de Darlington también se denomina incorrectamente "transistor superbeta" [3] .

Los transistores Darlington compuestos se utilizan en circuitos de alta corriente, como circuitos reguladores de voltaje lineales , etapas de salida de amplificadores de potencia ) y en etapas de entrada de amplificadores, si se requiere una alta impedancia de entrada y bajas corrientes de entrada.

El transistor compuesto tiene tres terminales eléctricos que son equivalentes a los terminales de base, emisor y colector de un solo transistor convencional. A veces, el circuito usa una carga resistiva en el emisor del transistor de entrada para acelerar el apagado del transistor de salida y reducir la influencia de la corriente inicial del transistor de entrada, como se muestra en la figura.

Un par Darlington se considera eléctricamente como un transistor, cuya ganancia de corriente, cuando los transistores funcionan en modo lineal, es aproximadamente igual al producto de las ganancias de todos los transistores, por ejemplo, dos:

{\ estilo de visualización \ beta _ {D} \ aproximadamente \ beta _ {1} \ cdot \ beta _ {2},}

donde está la ganancia actual del par Darlington, son las ganancias actuales de los transistores del par. ${\ estilo de visualización \ beta _ {D}}$ ${\ estilo de visualización \ beta _ {1},}$ $\beta _{2}$

Demostremos que el transistor compuesto de hecho tiene un coeficiente , que es mucho mayor que el de sus dos transistores. El análisis se realizó para un circuito sin resistencia de emisor (ver figura). $\beta$ $R_{1}$

La corriente de emisor de cualquier transistor a través de la corriente base es el coeficiente de transferencia de corriente estática de la base y de la primera regla de Kirchhoff se expresa mediante la fórmula $I_{\text{E))$ $I_{\text{B)),$ $\beta$

I_{\text{E}}=I_{\text{B}}+I_{\text{C}}=I_{\text{B}}+I_{\text{B}}\cdot \ beta =I_{\text{B}}\cdot (1+\beta ),

¿ Dónde está la corriente del colector?

I_{\text{C))

Dado que la corriente de emisor del segundo transistor , nuevamente de la primera regla de Kirchhoff, es igual a $I_{\text{E2))$

I_{\text{E2}}=I_{\text{B1}}+I_{\text{C1}}+I_{\text{C2}}),

donde está la corriente de base del primer transistor, son las corrientes de colector de los transistores. $I_{\text{B1))$ $I_{\text{C1)),$ $I_{\text{C2))$

Tenemos:

{\ estilo de visualización \ beta _ {D} = \ beta _ {1} + \ beta _ {2} + \ beta _ {1} \ cdot \ beta _ {2},}

donde son los coeficientes de transferencia de corriente estática de la base al colector de los transistores 1 y 2. ${\ estilo de visualización \ beta _ {1},}$ ${\ estilo de visualización \ beta _ {2},}$

Dado que los transistores tienen ${\ estilo de visualización \ beta \ gg 1,}$ ${\ estilo de visualización \ beta _ {D} \ aproximadamente \ beta _ {1} \ cdot \ beta _ {2}.}$

Los coeficientes y difieren incluso en el caso de utilizar un par de transistores que son completamente idénticos en todos los parámetros, ya que la corriente del emisor es varias veces mayor que la corriente del emisor (esto se deriva de la igualdad obvia, y el coeficiente de transferencia de corriente estática del transistor depende marcadamente de la corriente del colector y puede variar muchas veces a diferentes corrientes [4] ). $\beta_{1}$ $\beta _{2}$ $I_{\text{E2))$ ${\ estilo de visualización 1 + \ beta _ {2))$ $I_{\text{E1))$ $I_{\text{B2}}=I_{\text{E1)),$

Pareja de Shiklai

Un par de Darlington es similar a la conexión de transistores según el esquema Sziklai ( par inglés Sziklai ), llamado así por su inventor George C. Shiklai (tal transliteración del apellido se corrigió por error, de acuerdo con las reglas del idioma húngaro , el apellido se pronuncia como Siklai), también llamado a veces transistor Darlington complementario [5] . A diferencia del circuito de Darlington, que consta de dos transistores del mismo tipo de conductividad, el circuito de Shiklai contiene transistores de diferentes tipos de conductividad (pnp y npn).

El par Shiklai que se muestra en la figura es eléctricamente equivalente a un transistor npn de alta ganancia. El voltaje de entrada es el voltaje entre la base y el emisor del transistor Q1, y el voltaje de saturación es igual al menos a la caída de voltaje en el diodo [ especificar ] . Generalmente se conecta una resistencia con una resistencia pequeña entre la base y el emisor del transistor Q2. Tal esquema se usa, por ejemplo, en varias versiones del amplificador Lin , en cuya etapa de salida se instalan transistores de la misma conductividad.

Esquema de cascode

El transistor compuesto, hecho de acuerdo con el llamado circuito de cascodo, se caracteriza por el hecho de que el transistor T1 está conectado de acuerdo con el circuito con un emisor común y el transistor T2 , de acuerdo con el circuito con una base común. Tal transistor compuesto es equivalente a un solo transistor conectado de acuerdo con un circuito de emisor común, pero al mismo tiempo tiene propiedades de frecuencia mucho mejores, alta impedancia de salida y un rango lineal más grande, es decir, distorsiona menos la señal transmitida. Dado que el potencial de colector del transistor de entrada permanece prácticamente sin cambios, esto suprime significativamente la influencia indeseable del efecto Miller y amplía el rango de frecuencia de funcionamiento.

Ventajas y desventajas de los transistores compuestos

Los valores altos de ganancia en los transistores compuestos se realizan solo en modo estático, por lo que los transistores compuestos se usan ampliamente en las etapas de entrada de los amplificadores operacionales. En los circuitos de alta frecuencia, los transistores compuestos ya no tienen tales ventajas: la frecuencia de corte de la amplificación de corriente y la velocidad de los transistores compuestos son menores que los mismos parámetros para cada uno de los transistores VT1 y VT2 .

Ventajas de los pares compuestos Darlington y Shiklai:

Alta ganancia de corriente.
El circuito de Darlington se fabrica como parte de circuitos integrados y, a la misma corriente, el área ocupada por un par en la superficie de un cristal de silicio es menor que la de un solo transistor bipolar.
Se utilizan a voltajes relativamente altos.

Desventajas de un transistor compuesto:

Bajo rendimiento, especialmente en el modo clave durante la transición de abierto a cerrado. Por lo tanto, los transistores compuestos se utilizan principalmente en circuitos amplificadores y de clave de baja frecuencia que funcionan en modo lineal. A altas frecuencias, sus parámetros de frecuencia son peores que los de un solo transistor.
La caída de voltaje directo Ube de un transistor compuesto en el circuito de Darlington es casi el doble [6] que la de un solo transistor, y para los transistores de silicio está en el rango de 0.6 - 1.4 V, ya que es igual a la suma de las caídas de tensión en las uniones pn polarizadas directamente en dos transistores.
Voltaje de saturación colector-emisor grande , para un transistor de silicio, alrededor de 0,9 V (en comparación con 0,2 V para transistores convencionales) para transistores de baja potencia y alrededor de 2 V para transistores de alta potencia, ya que no puede ser menor que la caída de voltaje a través de la polarización directa. unión pn más la caída de tensión en el transistor de entrada saturado.

El uso de una resistencia de carga R1 le permite mejorar algunas de las características del transistor compuesto. El valor de la resistencia se elige de modo que la corriente colector-emisor del transistor VT1 en el estado cerrado (la corriente de colector inicial) cree una caída de voltaje a través de la resistencia que es insuficiente para abrir el transistor VT2 . Por tanto, la corriente de fuga del transistor VT1 no es amplificada por el transistor VT2 , reduciendo así la corriente colector-emisor total del transistor compuesto en el estado cerrado. Además, el uso de la resistencia R1 ayuda a aumentar la velocidad del transistor compuesto al forzar el cierre del transistor, ya que los portadores minoritarios acumulados en la base VT2 cuando está bloqueado desde el modo de saturación no solo se disuelven, sino que también se drenan. esta resistencia. Por lo general, la resistencia R1 se elige para que sea de cientos de ohmios en un transistor Darlington de alta potencia y unos pocos kiloohmios en un transistor Darlington de baja potencia. Un ejemplo de un circuito Darlington, hecho en un paquete con una resistencia de emisor incorporada, es un potente transistor Darlington npn del tipo KT827, su ganancia de corriente típica es de aproximadamente 1000 a una corriente de colector de 10 A.

Notas

↑ Los transistores de efecto de campo , a diferencia de los bipolares, no se utilizan en una conexión compuesta, ya que, al tener una alta resistencia de entrada, están controlados por voltaje, no por corriente, y tal inclusión es poco práctica.
↑ Hoja de datos técnicos del transistor KT825 Archivado el 8 de diciembre de 2014 en Wayback Machine .
↑ Los transistores superbeta (super-β) se denominan transistores con una ganancia de corriente extremadamente alta, obtenida debido a un grosor de base muy pequeño, y no debido a la inclusión compuesta. En este caso, la corriente base operativa de un solo transistor se puede reducir a decenas de pA. Dichos transistores se utilizan en la primera etapa de los amplificadores operacionales con corrientes de entrada ultrabajas, por ejemplo, los tipos LM111 y LM316.
↑ Stepanenko I.P. Fundamentos de la teoría de transistores y circuitos de transistores . - 4ª ed., revisada. y adicionales.. - M. : Energía, 1977. - S. 233, 234. - 672 p.
↑ Horowitz P., Hill W. El arte de los circuitos : en 3 volúmenes: Per. Con. inglés - 4ª ed., revisada. y adicional - M. : Mir, 1993. - T. 1. - S. 104, 105. - 413 p. — 50.000 copias. — ISBN 5-03-002337-2 .
↑ Esto no siempre (no en todas las aplicaciones) es una desventaja, pero siempre es una característica que debe tenerse en cuenta al calcular el circuito para corriente continua, y que no le permite reemplazar directamente un solo transistor con un Darlington compuesto.

Componentes electrónicos
Pasivo	Resistor Resistencia variable Resistencia de corte varistor fotorresistencia Condensador condensador variable Condensador de recorte Varikond Inductor Transformador resonador de cuarzo Fusible Fusible reiniciable memristor bartter
Estado sólido activo	Diodo Diodo emisor de luz Fotodiodo diodo láser Diodo Schottky diodo Zener Estabilizador varicap Magnetodiodo Puente de diodos diodo de gunn diodo túnel diodo de avalancha diodo de avalancha Transistor transistor bipolar Transistor de efecto de campo Transistores CMOS transistor uniunión fototransistor Transistor compuesto transistor balístico Circuito integrado Circuito integrado digital Circuito integrado analógico Circuito Integrado Analógico-Digital circuito integrado hibrido tiristor Triac dinistor fototiristor Optoacoplador ( optoacoplador de resistencia ) Sensor de pasillo
Vacío activo y descarga de gas	Lámparas de vacío Diodo de electrovacío ( Kenotron ) triodo tetrodo tetrodo de haz Pentodo hexágono Heptod ( pentagrid ) octubre Nonod mecatrón lámparas de descarga diodo Zener tiratrón Ignitrón Krytrón Trigatrón Decathron magnetrón Klystron Amplitron ( Platinotrón ) Lámpara de ondas viajeras Lámpara de onda trasera Tubo de rayos catódicos
Dispositivos de visualización	Tubo de rayos catódicos pantalla LCD Diodo emisor de luz Indicador de descarga Indicador fluorescente de vacío marcador intermitente Indicador de siete segmentos Indicador de matriz cinescopio
Acústico	Micrófono Altavoz Galga extensiométrica emisor piezocerámico Zumbador capsula telefonica
Termoeléctrico	termistor Par termoeléctrico El elemento Peltier

Amplificadores de transistores
transistores bipolares	emisor común con colector común con base común
FET	con desagüe común con una fuente común con puerta común
Etapas de transistores	Par Darlington (transistor "compuesto") Par de Shiklai Cascada diferencial Amplificador de cascodo