Dvojica z dnes najbežnejších a aj dodnes s obľubou používaných výkonových tranzistorových konfigurácií je Darlingtonova konfigurácia a Sziklaiho pár. Tieto konfigurácie používajú dvojicu tranzistorov za účelom dosiahnutia vyššieho zosilnenia prúdu než by bolo možné bežne dosiahnúť s jedným tranzistorom. V tomto článku podrobne preskúmame teoretické základy týchto konfigurácií, ako aj ich praktické aplikácie, výhody a nevýhody, aby sme lepšie pochopili, v akých situáciách je vhodné použiť každú z nich.

Teoretický základ

Darlingtonova konfigurácia

Darlingtonov pár je obvod, kde sú dva tranzistory rovnakého typu zapojené tak, že zosilňujú prúd spoločne. Tento obvod bol navrhnutý Sydneyom Darlingtonom a v roku 1953 patentovaný v Bell Labs. Čo robí tento pár výnimočným, je jeho schopnosť dosiahnuť veľmi vysoké zosilnenie prúdu. Výsledné zosilnenie je dané súčinom zosilnení oboch tranzistorov, čo umožňuje dosiahnuť zisky v tisícoch. Takáto konfigurácia sa často využíva v aplikáciách, kde je potrebné ovládať silnejšie záťaže, napríklad v audio zosilňovačoch a iných výkonových obvodoch. Znázornenie tejto konfigurácie je na obrázku nižšie.

OBRÁZOK 1. Klasická Darlingtonova dvojica využíva dva tranzistory NPN (vľavo) alebo PNP (vpravo), ktoré sa správajú ako jeden tranzistor so zosilnením prúdu rovnajúcim sa súčinu zosilnení jednotlivých tranzistorov. Rezistor v konfigurácii nie je potrebný, ale pomáha pri rýchlosti vypínania a stabilizácii kolektorového prúdu Q1.

Schéma:

• Tranzistor T1: Báza T1 prijíma vstupný signál.
• Tranzistor T2: Kolektor T1 je pripojený na bázu T2, čím sa signál z T1 prenáša na T2.
• Oba tranzistory zdieľajú spoločný kolektor, zatiaľ čo emitor T2 poskytuje výstupný signál.

Zosilnenie

Celkové zosilnenie prúdu Darlingtonovej konfigurácie je súčinom zosilnení jednotlivých tranzistorov: β_total = β₁ × β₂​ kde β₁ a β₂​ sú prúdové zosilnenia tranzistorov T1 a T2. Typické zosilnenie tejto konfigurácie sa môže pohybovať v rozmedzí 1000 až 10 000.

Napäťový úbytok

Darlingtonov pár má vyšší napäťový úbytok medzi bázou a emitorom V_BE v porovnaní s jedným tranzistorom. Namiesto štandardného 0,7 V pre jeden tranzistor je však úbytok pre Darlingtonov pár približne 1,4 V (dva PN prechody).

Sziklaiho pár (Komplementárna Darlingtonova konfigurácia)

Zapojenie Sziklai, často nazývané komplementárna dvojica, funguje na podobnom princípe ako Darlingtonov pár. Vynašiel ho George Clifford Sziklai v približne rovnakom období ako Darlingtonovo zapojenie. Aj v tomto prípade ide o konfiguráciu dvoch tranzistorov, ktorá sa správa ako jeden tranzistor so zosilnením prúdu, ktoré je dané súčinom zosilnení oboch tranzistorov. Hoci poskytuje podobný výsledok ako Darlingtonov pár, aj Sziklaiova konfigurácia má obmedzenie, že nedosiahne vyššie nasýtenie ako V_BE, a to z rovnakých dôvodov ako Darlingtonovo zapojenie. Toto zapojenie je znázornené na obrázku 2.

OBRÁZOK 2. Sziklaiho dvojica využíva tranzistory komplementárnej polarity na dosiahnutie rovnakého zosilnenia ako Darlingtonova dvojica, ale s lepšími charakteristikami V_BE.

Schéma:

• Prvý tranzistor T1 je typu NPN a druhý tranzistor T2 je typu PNP.
• Výstup T2 sa opäť prenáša z emitora na bázu T1.
• Spoločný emitor tranzistora T2 poskytuje výstupný signál.

Zosilnenie

Zosilnenie pomocou Sziklaiho páru je podobné Darlingtonovmu páru: β_total = β₁ × β₂

Napäťový úbytok

Veľkou výhodou Sziklaiho páru je nižší napäťový úbytok medzi bázou a emitorom V_BE. Zatiaľ čo Darlington má približne 1,4 V, Sziklaiho pár má len okolo 0,7 V, čo je rovnaké ako pri jednom tranzistore.

Príklad

V tomto praktickom príklade na obrázku 3, uvažujeme, ako funguje Darlingtonova a Sziklaiova konfigurácia pri rôznych výstupných prúdoch. Na obrázku máme znázornenú simuláciu, pri ktorej chceme dosiahnuť výstupný prúd v rozsahu od 10 mA do 10 A, pričom použijeme tranzistory s prúdovým zosilnením 100 a bázové odpory 50 ohmov.

V prípade tranzistora Q2, ktorý má prúdový rozsah 1000:1, nastane zmena jeho prahového napätia V_BE o približne 180 mV pri izbovej teplote (teplota by mohla spôsobiť ešte väčší rozdiel). Napätie na báze sa bude pohybovať okolo hodnoty 0,6 V, čo znamená, že cez bázový odpor pretečie asi 12 mA. Bázový prúd tranzistora Q2 sa bude pohybovať od 10 mA, pričom kolektorový prúd tranzistora Q1 bude zahŕňať bázový prúd plus prúd cez bázový odpor, teda bude v rozsahu 12 mA až 22 mA, čo je rozsah 1,8:1. Táto zmena spôsobí, že napätie V_BE tranzistora Q1 sa zmení len o 15 mV v celom prúdovom rozsahu.

OBRÁZOK 3 znázorňuje, ako rezistor obmedzuje rozsah kolektorového prúdu, ktorý prechádza cez tranzistor Q1 v porovnaní s Q2, a to v oboch konfiguráciách (Darlington a Sziklai). V prípade Sziklaiovho zapojenia prispieva k celkovému napätiu V_BE iba napätie V_BE tranzistora Q1. To vedie k menším zmenám v závislosti od prúdu v porovnaní s Darlingtonovou dvojicou, kde zmeny prúdu spôsobujú väčšie kolísanie napätia V_BE. Tento efekt spôsobuje, že Sziklaiovo zapojenie má lepšiu stabilitu prúdu pri meniacich sa podmienkach.

V Darlingtonovom zapojení zohrávajú rolu napätia V_BE oboch tranzistorov, Q1 a Q2, pričom celkové napätie V_BE sa mení o 195 mV pri prechode prúdu v rozsahu od 10 mA do 10 A. Na druhej strane, v Sziklaiovom obvode je významné iba napätie V_BE tranzistora Q1, ktoré sa v rovnakom rozsahu záťaže mení len o 15 mV. To predstavuje zlepšenie o viac než jeden rád v porovnaní s Darlingtonovou konfiguráciou.

Simulácia

Nižšie je grafická simulácia prúdového rozsahu tranzistorov s konfiguráciami Darlington a Sziklai. Použitý je len ideálny model prúdového zosilnenia bez podrobného zohľadnenia iných fyzikálnych parametrov tranzistorov a zmena V_BE je fixná pre každú konfiguráciu a nezohľadňuje sa presná simulácia teplotného efektu. Simuláciu si môžete zobraziť aj v novom okne - klikni

Praktické aspekty a porovnanie

Výhody Darlingtonovej konfigurácie

1. Vysoké zosilnenie prúdu: Darlington poskytuje mimoriadne vysoké zosilnenie prúdu, čo ho robí užitočným v obvodoch, kde je potrebné zosilniť veľmi slabé signály.

2. Jednoduché zapojenie: Darlington je jednoduchý na implementáciu, pretože používa dva rovnaké tranzistory (NPN alebo PNP), čo zjednodušuje návrh.

3. Vysoká vstupná impedancia: Vstupná impedancia Darlingtonovej konfigurácie je veľmi vysoká, čo je výhodné pri použití v zosilňovacích obvodoch.

Nevýhody Darlingtonovej konfigurácie

1. Vysoký napäťový úbytok: 1,4 V medzi bázou a emitorom znamená, že Darlington nie je vhodný pre aplikácie s nízkym napätím alebo tam, kde je úbytok napätia kritický.

2. Pomalejší čas odozvy: Darlingtonova konfigurácia má pomalšiu spínaciu rýchlosť, pretože obidva tranzistory sa musia „zapnúť“, čo môže spôsobovať problémy v rýchlych spínacích obvodoch.

3. Nižšia účinnosť pri vysokých prúdoch: V aplikáciách s vysokým prúdom môže byť Darlington menej účinný, čo vedie k zvýšenému zahrievaniu.

Výhody Sziklaiho páru

1. Nižší napäťový úbytok: Sziklaiho pár má nižší V_BE úbytok (0,7 V), čo je veľká výhoda v aplikáciách, kde je dôležité minimalizovať straty napätia, ako napríklad v nízkonapäťových napájacích obvodoch.

2. Lepšia teplotná stabilita: Vďaka použitým rôznym typom tranzistorov (NPN a PNP) má Sziklaiho pár lepšiu teplotnú stabilitu v porovnaní s Darlingtonovou konfiguráciou.

3. Rýchlejšia odozva: V niektorých aplikáciách môže byť Sziklaiho pár rýchlejší než Darlington, najmä pri nižších prúdoch, čo ho robí vhodnejším pre vysokorýchlostné spínacie aplikácie.

Nevýhody Sziklaiho páru

1. Zložitosť zapojenia: Použitie rôznych typov tranzistorov (NPN a PNP) môže komplikovať návrh obvodu, najmä keď je potrebné zaistiť dostupnosť vhodných párov.

2. Nižšie maximálne napätie a prúd: V porovnaní s Darlingtonom má Sziklaiho pár tendenciu zvládať nižšie napätia a prúdy, čo môže obmedzovať jeho použitie v niektorých výkonových aplikáciách.

3. Vyššia spätná väzba: Sziklaiho pár môže trpieť vyššou spätnou väzbou a nestabilitou, ak nie je správne navrhnutý, čo zvyšuje nároky na stabilizáciu obvodu.

Záver

Darlingtonova a Sziklaiho konfigurácia sú dve silné tranzistorové zapojenia, ktoré majú svoje výhody a nevýhody v závislosti od aplikácie. Darlington je preferovaný pre vysoké zosilnenie prúdu a jednoduchšiu konštrukciu, zatiaľ čo Sziklai poskytuje nižší napäťový úbytok a vyššiu účinnosť v nízkonapäťových obvodoch. Výber medzi týmito konfiguráciami závisí od špecifických požiadaviek na výkon, účinnosť a komplexnosť návrhu.

---

---

---