Transistor Darlington

En electrónica , una configuración Darlington (comúnmente llamada par Darlington ) es un circuito que consta de dos transistores bipolares con el emisor de un transistor conectado a la base del otro, de manera que la corriente amplificada por el primer transistor es amplificada aún más por el segundo. ^{[ 1 ]} Los colectores de ambos transistores están conectados entre sí. Esta configuración tiene una ganancia de corriente mucho mayor que la de cada transistor por separado. Se comporta como un solo transistor y a menudo se encapsula como tal. Fue inventada en 1953 por Sidney Darlington .

Un par Darlington se comporta como un solo transistor, es decir, tiene una base, un colector y un emisor. Normalmente genera una alta ganancia de corriente (aproximadamente el producto de las ganancias de los dos transistores, ya que sus valores β se multiplican). Una relación general entre la ganancia de corriente compuesta y las ganancias individuales viene dada por:

${\displaystyle \beta _{\mathrm {Darlington} }=\beta _{1}\cdot \beta _{2}+\beta _{1}+\beta _{2}}$

Si β ₁ y β ₂ son suficientemente altos (cientos), esta relación se puede aproximar mediante:

${\displaystyle \beta _{\mathrm {Darlington} }\approx \beta _{1}\cdot \beta _{2}}$

Un transistor Darlington típico tiene una ganancia de corriente de 1000 o más, por lo que solo se necesita una pequeña corriente de base para que el par conmute con corrientes de conmutación mucho mayores. ^{[ 2 ]} Otra ventaja es que proporciona una impedancia de entrada muy alta para el circuito, lo que también se traduce en una disminución equivalente de la impedancia de salida. La facilidad de creación de este circuito también supone una ventaja. Se puede construir simplemente con dos transistores NPN (o PNP) separados y también está disponible en una variedad de encapsulados individuales.

Una desventaja es que la tensión base-emisor se duplica aproximadamente. Dado que existen dos uniones entre la base y el emisor del transistor Darlington, la tensión base-emisor equivalente es la suma de ambas tensiones base-emisor:

${\displaystyle V_{BE}=V_{BE1}+V_{BE2}\aproximadamente 2V_{BE1}\!}$

En la tecnología basada en silicio, donde cada V _BEi es de aproximadamente 0,65 V cuando el dispositivo opera en la región activa o saturada, el voltaje base-emisor necesario del par es de 1,3 V.

Otro inconveniente del par Darlington es su mayor voltaje de "saturación". El transistor de salida no puede saturarse (es decir, su unión base-colector debe permanecer polarizada inversamente) porque el primer transistor, cuando está saturado, establece una retroalimentación negativa paralela completa (100%) entre el colector y la base del segundo transistor. ^{[ 3 ]} Dado que el voltaje colector-emisor es igual a la suma de su propio voltaje base-emisor y el voltaje colector-emisor del primer transistor, ambas cantidades positivas en funcionamiento normal, siempre excede el voltaje base-emisor. (En símbolos,${\displaystyle \mathrm {V_{CE2}=V_{CE1}+V_{BE2}>V_{BE2}} \Rightarrow \mathrm {V_{C2}>V_{B2}} }$(Siempre). Por lo tanto, la tensión de saturación de un transistor Darlington es un VBE ₍ aproximadamente 0,65 V en silicio) mayor que la de un transistor simple, que suele ser de 0,1 a 0,2 V en silicio. Para corrientes de colector iguales, esta desventaja se traduce en un aumento de la potencia disipada por el transistor Darlington en comparación con un transistor simple. El aumento del nivel bajo de salida puede causar problemas al controlar circuitos lógicos TTL.

Otro problema es la reducción de la velocidad o respuesta de conmutación, ya que el primer transistor no puede inhibir activamente la corriente de base del segundo, lo que provoca que el dispositivo tarde en apagarse. Para mitigar esto, el segundo transistor suele tener una resistencia de unos cientos de ohmios conectada entre sus terminales de base y emisor. ^{[ 1 ]} Esta resistencia proporciona una vía de descarga de baja impedancia para la carga acumulada en la unión base-emisor, lo que permite un apagado más rápido del transistor.

El par Darlington tiene un mayor desfase a altas frecuencias que un solo transistor y, por lo tanto, puede volverse más fácilmente inestable con retroalimentación negativa (es decir, los sistemas que utilizan esta configuración pueden tener un rendimiento deficiente debido al retardo adicional del transistor).

Los pares Darlington están disponibles como encapsulados integrados o pueden fabricarse a partir de dos transistores discretos; Q1 _, el transistor de la izquierda en el diagrama, puede ser de baja potencia, pero normalmente Q2 ₍ a la derecha) deberá ser de alta potencia. La corriente máxima de colector I _C (máx) del par es la de Q2 _. Un dispositivo de potencia integrado típico es el 2N6282, que incluye una resistencia de desconexión y tiene una ganancia de corriente de 2400 a I _C = 10 A.

Los dispositivos integrados pueden ocupar menos espacio que dos transistores individuales porque pueden usar un colector compartido . Los pares Darlington integrados vienen empaquetados individualmente en encapsulados similares a los de los transistores o como una matriz de dispositivos (generalmente ocho) en un circuito integrado .

Se puede añadir un tercer transistor a un par Darlington para obtener una ganancia de corriente aún mayor, formando así un triplete Darlington. El emisor del segundo transistor del par se conecta a la base del tercero, al igual que el emisor del primero se conecta a la base del segundo, y los colectores de los tres transistores se conectan entre sí. Esto proporciona una ganancia de corriente aproximadamente igual al producto de las ganancias de los tres transistores. Sin embargo, el aumento de la ganancia de corriente a menudo no justifica los problemas de sensibilidad y corriente de saturación, por lo que este circuito se utiliza con poca frecuencia.

Los transistores Darlington se utilizan frecuentemente en las etapas de salida push-pull de los amplificadores de audio de alta potencia que alimentan la mayoría de los sistemas de sonido. En un circuito push-pull totalmente simétrico, dos transistores Darlington se conectan como seguidores de emisor , controlando la salida desde la alimentación positiva y negativa: un transistor Darlington NPN conectado al riel positivo que proporciona corriente para las oscilaciones positivas de la salida, y un transistor Darlington PNP conectado al riel negativo que proporciona corriente para las oscilaciones negativas.

Antes de que se dispusiera de transistores de potencia PNP de buena calidad, se utilizaba el circuito push-pull cuasi-simétrico , en el que solo los dos transistores conectados al riel de alimentación positivo eran un par Darlington NPN, y el par del riel negativo eran dos transistores NPN más conectados como amplificadores de emisor común.

Un par Darlington puede ser lo suficientemente sensible como para responder a la corriente transmitida por contacto con la piel incluso a voltajes dentro de la zona segura. Por lo tanto, puede formar una nueva etapa de entrada en un interruptor táctil.

Los transistores Darlington se pueden usar en circuitos de alta corriente, como el regulador de voltaje LM1084. ^{[ 4 ]} Otras aplicaciones de alta corriente podrían incluir aquellas que involucran el control por computadora de motores o relés, donde la corriente se amplifica desde un nivel bajo y seguro de la línea de salida de la computadora hasta la cantidad que necesita el dispositivo conectado.

• Transistor bipolar de puerta aislada
• ULN2003A
• El par de Sziklai , a veces llamado "Darlington complementario", es una configuración similar pero con transistores de tipo opuesto (uno NPN y uno PNP).
• Lógica de inyección integrada (I2L)

• Patente estadounidense 2.663.806 "Dispositivo de traducción de señales semiconductoras" (transistor Darlington)
• Circuito de control de velocidad para motor con par Darlington
• ECE 327: Procedimientos para el laboratorio de filtrado de salida – La sección 4 ("Amplificador de potencia") analiza en detalle los pares Darlington en el diseño de un controlador de corriente de clase AB basado en BJT.