Transistors Darlington

Le transistor Darlington, nommé d’après son inventeur Sidney Darlington, est un agencement spécial de deux transistors bipolaires à jonction NPN ou PNP (BJT) standards connectés ensemble. L’émetteur d’un transistor est relié à la base de l’autre pour produire un transistor plus sensible avec un gain de courant beaucoup plus important, utile dans les applications où l’amplification ou le commutement de courant est requis.

Les paires de transistors Darlington peuvent être constituées de deux transistors bipolaires connectés individuellement ou d’un dispositif unique fabriqué commercialement dans un seul boîtier avec les connexions standard : base, émetteur et collecteur, et sont disponibles dans une large variété de styles de boîtiers et de classifications de tension (et de courant) dans les versions NPN et PNP.

Comme nous l’avons vu dans notre tutoriel Transistor comme un Interrupteur, en plus d’être utilisés comme amplificateur, le transistor à jonction bipolaire (BJT) peut être fait pour fonctionner comme un interrupteur ON-OFF comme montré.

Transistor bipolaire en tant qu’interrupteur

Lorsque la borne de base du transistor NPN est mise à la terre (0 volts), aucun courant ne circule dans la base, donc Ib = 0. Comme la borne de base est mise à la terre, aucun courant ne circule des bornes collecteur à émetteur, donc le transistor NPN non conducteur est désactivé en mode “OFF” (coupé). Si nous biaisons maintenant la borne de base en avant par rapport à l’émetteur en utilisant une source de tension supérieure à 0,7 volts, une action de transistor se produit, provoquant l’écoulement d’un courant beaucoup plus important à travers le transistor entre ses bornes collecteur et émetteur. Le transistor est maintenant considéré comme étant allumé (“ON”, conducteur). Si nous faisons fonctionner le transistor entre ces deux modes de coupure et de conduction, le transistor peut être utilisé comme un interrupteur électronique.

Cependant, la borne de base du transistor doit être commutée entre zéro et une certaine valeur positive bien supérieure à 0,7 volts pour que le transistor conduise entièrement. Une tension plus élevée entraîne un courant de base accru, Ib, qui circule dans le dispositif, ce qui entraîne un courant de collecteur Ic devenant important tandis que la chute de tension entre les terminaux collecteur et émetteur, Vce, devient plus petite. Ensuite, nous pouvons voir qu’un courant plus faible circulant dans la borne de base peut provoquer un courant beaucoup plus grand à circuler entre le collecteur et l’émetteur.

Le ratio du courant de collecteur au courant de base ( β ) est connu comme le gain de courant du transistor. Une valeur typique de β pour un transistor bipolaire standard peut se situer dans la plage de 50 à 200 et varie même entre des transistors du même numéro de pièce. Dans certains cas, lorsque le gain de courant d’un seul transistor est trop faible pour entraîner directement une charge, une façon d’augmenter le gain est d’utiliser une paire Darlington.

Une configuration de transistor Darlington, également connue sous le nom de “paire Darlington” ou “circuit super-alpha”, consiste en deux transistors NPN ou PNP connectés ensemble de manière à ce que le courant d’émetteur du premier transistor TR₁ devienne le courant de base du second transistor TR₂. Ensuite, le transistor TR1 est connecté comme un suiveur d’émetteur et TR2 comme amplificateur à émetteur commun comme montré ci-dessous.

Il convient également de noter que dans cette configuration de paire Darlington, le courant de collecteur du transistor esclave ou de contrôle, TR1, est “en phase” avec celui du transistor de commutation maître TR2.

Configuration de base du transistor Darlington

En utilisant la paire Darlington NPN comme exemple, les collecteurs des deux transistors sont connectés ensemble, et l’émetteur de TR₁ alimente la base de TR₂. Cette configuration permet le multipliement de β car pour un courant de base i_b, le courant de collecteur est β*i_b où le gain de courant est supérieur à un, ou l’unité et ceci est défini comme :

Mais le courant de base, I_B2 est égal au courant d’émetteur du transistor TR1, I_E1 alors que l’émetteur de TR1 est connecté à la base de TR2. Par conséquent :

Ensuite, en substituant dans la première équation :

Où β₁ et β₂ sont les gains des transistors individuels.

Cela signifie que le gain de courant global, β, est donné par le gain du premier transistor multiplié par le gain du second transistor, car les gains de courant des deux transistors se multiplient. En d’autres termes, une paire de transistors bipolaires combinés pour former une seule paire de transistors Darlington peut être considérée comme un seul transistor avec une valeur de β très élevée et donc une haute résistance d’entrée.

Exemple 1 de transistor Darlington

Deux transistors NPN sont connectés ensemble sous forme de paire Darlington pour commuter une lampe halogène de 12V 75W. Si le gain de courant en avant du premier transistor est de 25 et le gain de courant en avant (Beta) du second transistor est de 80. En ignorant les chutes de tension à travers les deux transistors, calculez le courant de base maximum requis pour commuter la lampe totalement en marche.

Tout d’abord, le courant tiré par la lampe sera égal au courant de collecteur du second transistor, puis :

En utilisant l’équation ci-dessus, le courant de base est donné comme :

Ensuite, nous pouvons voir qu’un courant de base très faible de seulement 3,0 mA, tel que celui fourni par une porte logique numérique ou le port de sortie d’un microcontrôleur, peut être utilisé pour allumer et éteindre la lampe de 75 Watts.

Si deux transistors bipolaires identiques sont utilisés pour fabriquer un seul dispositif Darlington, alors β₁ est égal à β₂ et le gain de courant global sera donné comme :

En général, la valeur de β² est beaucoup plus grande que celle de 2β, auquel cas elle peut être ignorée pour simplifier un peu les calculs. Ensuite, l’équation finale pour deux transistors identiques configurés comme une paire Darlington peut être écrite comme :

Transistors Darlington identiques

Alors nous pouvons voir que pour deux transistors identiques, β² est utilisé à la place de β agissant comme un gros transistor avec une énorme quantité de gain. Les paires de transistors Darlington avec des gains de courant supérieurs à mille avec des courants de collecteur maximum de plusieurs ampères sont facilement disponibles. Par exemple : le NPN TIP120 et son équivalent PNP le TIP125.

L’avantage d’utiliser un agencement tel que celui-ci est que le transistor de commutation est beaucoup plus sensible, car seulement un tout petit courant de base est nécessaire pour commuter un courant de charge beaucoup plus important, étant donné que le gain typique d’une configuration Darlington peut dépasser 1 000, tandis qu’un seul étage de transistor produit normalement un gain d’environ 50 à 200.

Nous pouvons donc voir qu’une paire Darlington avec un gain de 1 000 : 1 pourrait commuter un courant de sortie de 1 ampère dans le circuit collecteur-émetteur avec un courant de base d’entrée de seulement 1 mA. Cela rend alors les transistors Darlington idéaux pour interfacer avec des relais, des lampes et des moteurs avec des microcontrôleurs, ordinateurs ou contrôleurs logiques à faible puissance, comme montré.

Applications du transistor Darlington

La base du transistor Darlington est suffisamment sensible pour réagir à n’importe quel petit courant d’entrée d’un interrupteur ou directement d’une porte logique TTL ou CMOS 5V. Le courant de collecteur maximum Ic(max) pour toute paire Darlington est le même que celui du transistor de commutation principal, TR₂, il peut donc être utilisé pour actionner des relais, des moteurs à courant continu, des solénoïdes et des lampes, etc.

Un des principaux inconvénients d’une paire de transistors Darlington est la chute de tension minimum entre la base et l’émetteur lorsqu’il est totalement saturé. Contrairement à un seul transistor qui a une chute de tension saturée entre 0,3V et 0,7V lorsqu’il est totalement activé, un dispositif Darlington a deux fois la chute de tension entre la base et l’émetteur (1,2 V au lieu de 0,6 V), car la chute de tension base-émetteur est la somme des chutes de tension de diode de base-émetteur des deux transistors individuels, qui peuvent varier de 0,6 V à 1,5 V selon le courant traversant le transistor.

Cette élevée chute de tension entre la base et l’émetteur signifie que le transistor Darlington peut devenir plus chaud qu’un transistor bipolaire normal pour un courant de charge donné et nécessite donc un bon radiateur. De plus, les transistors Darlington ont des temps de réponse ON-OFF plus lents, car il faut plus de temps pour que le transistor esclave TR₁ fasse passer le transistor maître TR₂ soit complètement activé soit complètement désactivé.

Pour surmonter la réponse lente, les chutes de tension accrues et les désavantages thermiques d’un dispositif de transistor Darlington standard, des transistors NPN et PNP complémentaires peuvent être utilisés dans le même agencement en cascade pour produire un autre type de transistor Darlington appelé une configuration Sziklai.

Paire de transistors Sziklai

La paire de transistors Darlington Sziklai, nommée d’après son inventeur hongrois George Sziklai, est un dispositif Darlington complémentaire ou composé qui se compose de transistors complémentaires séparés NPN et PNP connectés ensemble comme montré ci-dessous.

Cette combinaison en cascade de transistors NPN et PNP présente l’avantage que la paire Sziklai remplit la même fonction de base qu’une paire Darlington, sauf qu’elle nécessite seulement 0,6 V pour s’activer, et comme la configuration Darlington standard, le gain de courant est égal à β² pour des transistors parfaitement appariés ou est donné par le produit des deux gains de courant pour des transistors individuels non appariés.

Configuration du transistor Darlington Sziklai

Nous pouvons voir que la chute de tension base-émetteur du dispositif Sziklai est égale à la chute de diode d’un seul transistor dans le chemin du signal. Cependant, la configuration Sziklai ne peut pas se saturer à moins d’une chute de diode entière, c’est-à-dire 0,7 V au lieu des habituelles 0,2 V.

De plus, comme pour la paire Darlington, la paire Sziklai a des temps de réponse plus lents qu’un seul transistor. Les transistors complémentaires de la paire Sziklai sont couramment utilisés dans les étages de sortie d’amplificateurs audio classe AB et push-pull permettant seulement une polarité de transistor de sortie. Les paires de transistors Darlington et Sziklai sont disponibles dans les configurations NPN et PNP.

IC de transistors Darlington

Dans la plupart des applications électroniques, il suffit que le circuit de contrôle commute une tension ou un courant de sortie CC “ON” ou “OFF” directement, car certains dispositifs de sortie tels que les LED ou les afficheurs ne nécessitent que quelques milliampères pour fonctionner à de basses tensions CC et peuvent donc être directement alimentés par la sortie d’une porte logique standard.

Cependant, comme nous l’avons vu précédemment, il est parfois nécessaire de disposer de plus de puissance pour alimenter le dispositif de sortie, tel qu’un moteur à courant continu, que ne peut en fournir une porte logique ordinaire ou un microcontrôleur. Si le dispositif logique numérique ne peut pas fournir suffisamment de courant, un circuit supplémentaire sera nécessaire pour alimenter le dispositif.

Un des circuits intégrés de transistors Darlington couramment utilisés est l’array ULN2003. La famille d’arrays Darlington comprend les ULN2002A, ULN2003A et ULN2004A, qui sont tous des arrays Darlington à haute tension et courant, chacun contenant sept paires Darlington à collecteur ouvert dans un seul boîtier IC.

Chaque canal de l’array est noté pour 500 mA et peut supporter des courants de pointe allant jusqu’à 600 mA, ce qui le rend idéal pour contrôler de petits moteurs ou lampes ou les portes et bases de semi-conducteurs de haute puissance. Des diodes de suppression supplémentaires sont incluses pour la commande de charges inductives et les entrées sont placées en face des sorties pour simplifier les connexions et la disposition du circuit imprimé.

L’array de transistors Darlington ULN2003A

Le ULN2003A est un array de transistors Darlington unipolaire peu coûteux, avec une grande efficacité et une faible consommation d’énergie, ce qui le rend utile pour alimenter une large gamme de charges, y compris les solénoïdes, relais, moteurs à courant continu et affichages LED ou lampes à filament. Le ULN2003A contient sept paires de transistors Darlington, chacune avec une broche d’entrée à gauche et une broche de sortie opposée à droite comme le montre l’illustration.

Array de transistors Darlington ULN2003A

Le pilote Darlington ULN2003A a une impédance d’entrée et un gain de courant extrêmement élevés, qui peuvent être directement pilotés par une porte logique TTL ou CMOS +5V. Pour une logique CMOS +15V, utilisez le ULN2004A et pour des tensions de commutation plus élevées allant jusqu’à 100V, il est préférable d’utiliser l’array Darlington SN75468.

Lorsqu’une entrée (broches 1 à 7) est mise à “HAUT”, la sortie correspondante sera commutée à “BAS”, absorbant le courant. De même, lorsque l’entrée est mise à “BAS”, la sortie correspondante passe à un état d’impédance élevée. Cet état “OFF” à haute impédance bloque le courant de charge et réduit le courant de fuite à travers le dispositif, améliorant ainsi l’efficacité.

La broche 8 (GND) est connectée à la terre de la charge ou à 0 volts, tandis que la broche 9 (Vcc) se connecte à l’alimentation de la charge. Alors, toute charge doit être connectée entre +Vcc et une broche de sortie, broches 10 à 16. Pour les charges inductives telles que les moteurs, relais et solénoïdes, la broche 9 doit toujours être connectée à Vcc.

Le ULN2003A peut commuter 500 mA (0.5 A) par canal, mais si une capacité de commutation plus importante est nécessaire, les entrées et sorties des paires Darlington peuvent être associées ensemble pour des capacités de courant plus élevées. Par exemple, les broches d’entrée 1 et 2 connectées ensemble et les broches de sortie 16 et 15 également connectées ensemble pour commuter la charge.

Résumé du transistor Darlington

Le transistor Darlington est un dispositif semi-conducteur de haute puissance avec des valeurs de courant et de tension individuelles bien plus élevées que celles d’un transistor à jonction de petit signal conventionnel.

Les valeurs de gain de courant CC des transistors NPN ou PNP de haute puissance standard sont relativement faibles, aussi basses que 20 ou même moins, par rapport aux transistors de commutation de petit signal. Cela signifie que de grands courants de base sont nécessaires pour commuter une charge donnée.

L’arrangement Darlington utilise deux transistors en opposition, l’un des deux étant le transistor principal transporteur de courant, tandis que l’autre, étant un “transistor de commutation” beaucoup plus petit, fournit le courant de base pour alimenter le transistor principal. En conséquence, un courant de base plus faible peut être utilisé pour commuter un courant de charge beaucoup plus élevé, car les gains de courant CC des deux transistors sont multipliés ensemble. Nous pouvons donc considérer la combinaison des deux transistors comme un seul transistor avec une valeur de β très élevée et donc une résistance d’entrée élevée.

En plus des paires de transistors Darlington standards PNP et NPN, des transistors Darlington Sziklai complémentaires sont également disponibles, qui se composent de transistors NPN et PNP complémentaires bien assortis connectés ensemble au sein de la même paire Darlington pour améliorer l’efficacité.

Des arrays Darlington tels que le ULN2003A sont également disponibles, permettant de piloter en toute sécurité des charges de haute puissance ou inductives telles que des lampes, des solénoïdes et des moteurs à l’aide de dispositifs de microprocesseur et de microcontrôleur dans des applications robotiques et mécatroniques.