Darlingtonschaltung

npn-Darlington-Transistor

Die Darlington-Schaltung ist eine elektronische Schaltung aus zwei Bipolartransistoren, wobei der erste, kleinere Transistor als Emitterfolger auf die Basis des zweiten, größeren arbeitet.

Sie wird zur Erhöhung des Stromverstärkungsfaktors eines einzelnen Leistungstransistors angewendet. Befinden sich beide Transistoren in einem einzigen Transistorgehäuse, spricht man auch vom Darlington-Transistor.

Geschichte

Die Darlington-Schaltung, ursprünglich aus zwei einzelnen Bauelementen bestehend, wurde von Sidney Darlington (1906–1997) in den Bell Laboratories erfunden. Darlington ließ sich die Idee, zwei oder drei Transistoren auf einem Chip zu verbauen, patentieren^[1], nicht aber die Verwendung beliebig vieler Transistoren, so dass integrierte Schaltkreise nicht von diesem Patent betroffen waren.

Das Darlington-Patent beschreibt die Kombination gleichartiger Transistoren. Eine ähnliche Anordnung aus komplementären Transistoren (npn/pnp) erfand der amerikanisch-ungarische Ingenieur George C. Sziklai im Jahr 1956 ^[2]; sie wird als Komplementär-Darlington-Schaltung bzw. (besonders in USA) nach dem Erfinder als Sziklai-Paar bezeichnet.

Anwendung

Leistungstransistoren haben gegenüber Kleinsignaltransistoren eine wesentlich geringere Stromverstärkung (B = 5–10 gegenüber B = 100–1000) und benötigen daher hohe Steuerströme, die durch die Darlington-Anordnung entsprechend reduziert werden können. Deshalb ist eine der wichtigsten Anwendungen das Ein- oder Ausschalten eines Stromes.

Eine andere Anwendung findet sich im Bereich der Leistungsverstärker. Der eine Grund ist, dass dort die Steuerströme zu gering sind, um die Leistungstransistoren direkt anzusteuern. Weiterhin ist die Temperaturabhängigkeit und damit die Einstellung des Arbeitspunktes bei Darlington-Transistoren relativ unkritisch; durch einen Widerstand zwischen Basis und Emitter des Leistungstransistors ist der Ruhestrom zwischen 0,7 V und 1,1 V näherungsweise linear. Dies vermeidet Verzerrungen.^[3]

Vor- und Nachteile

Blick auf den Chip eines MJ1000

Der Vorteil dieser Technik ist, dass bei gleich bleibendem Platzbedarf eine erheblich höhere Stromverstärkung erreicht werden kann, bzw. die notwendigen Steuerströme geringer sind. Die gesamte Verstärkung B entspricht dabei ungefähr dem Produkt der Verstärkungen der beiden Einzeltransistoren (B₁ bzw. B₂), bei modernen Leistungs-Darlingtons sind das 1.000 und mehr, Kleinsignal-Darlingtons erreichen Verstärkungsfaktoren bis 50.000.

$B \approx B_1 \cdot B_2$

Nachteilig ist hingegen die gegenüber einem einzelnen Transistor größere Phasenverschiebung, so dass bei negativer Rückkopplung eher Instabilitäten auftreten können. Unter anderem aus diesem Grund sind Darlingtons meist nicht für Hochfrequenzanwendungen geeignet.

Darlington-Transistoren weisen gegenüber Einzeltransistoren langsamere Schaltzeiten auf, besonders beim Ausschalten des Kollektorstroms, weil der erste Transistor nicht in der Lage ist, die Ladungsträger aus der Basis des zweiten Transistors „auszuräumen“. Um das Schaltverhalten zu verbessern, wird daher ein Widerstand parallel zur Basis-Emitter-Strecke des Leistungstransistors mit integriert. Durch diesen Widerstand fließt allerdings ein Teil des Bassistromes für die zweite Stufe ab, wodurch sich die Gesamtverstärkung entsprechend verringert.

Schließlich verdoppelt sich die Basis-Emitter-Spannung beim Darlington gegenüber dem Einzeltransistor (etwa 1,2 bis 1,4 V bei einem Silizium-Darlington), und die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung im leitenden Zustand erhöht sich um die Durchlassspannung der Basis-Emitter-Strecke des zweiten Transistors, also etwa 0,9 V bei Kleinsignaltypen (gegenüber 0,2 V) bzw. bis über 2 Volt bei Leistungstypen.

Für effizienzkritische Schaltanwendungen eignen sich Darlingtontransistoren wegen dieser Nachteile kaum, dort kommen meist separate Treiber- und Leistungsstufen zum Einsatz, d. h. der Kollektor des Treibertransistors ist nicht mit dem des Leistungstransistors verbunden.

Varianten

2- und 3-stufige npn-Darlington-Schaltung

Die Darlington- wie auch die Sziklai-Schaltung kann sowohl mit npn- als auch mit pnp-Transistoren als Leistungselement aufgebaut werden.

In der Grafik sind parallel zu den Basis-Emitter-Strecken der einzelnen Transistoren Widerstände eingebaut, die, wie oben beschrieben, jeweils den Abfluss von Ladung von der Basis ermöglichen. Die zusätzlichen Dioden beschleunigen dies noch weiter; wenn Spannung am ersten Treibertransistor gleich der Emitterspannung des Leistungstransistors ist, so kann die Ladung von allen nachgeschalteten Transistoren über die Dioden abfließen. Die Spannung sollte deshalb auch im ausgeschalteten Zustand niederohmig sein.

Es ist zu erwähnen, dass sich die Anwendung von Dioden verbietet, wenn die Basisspannung unter die Emitterspannung sinken kann.

Die Diode zwischen Kollektor und Emitter des Darlington-Transistors hat einen anderen Zweck; sie soll als Freilaufdiode die Schaltung bei induktiver Last schützen.

Einzelnachweise

1. ↑ Sidney Darlington: Semiconductor signal translating device. Patent-Nr. US2663806, 22. Dezember 1953
2. ↑ George C. Sziklai, Robert D. Lohman, Allen A. Barco: Push-pull complementary type transistor amplifier. Patent-Nr. US2762870, 11. September 1956.
3. ↑ Ulrich Tietze, Christoph Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik. 12 Auflage. Springer, Berlin 2002, ISBN 3-540-42849-6.  S. 906f.

Weblinks

• Darlington-Schaltung/Darlington-Transistor (Grundlagen aus das ELKO)
• Die komplementäre Darlington-Schaltung
• Einfaches Labornetzteil mit npn-Komplementär-Darlingtonstufe und Überlastanzeige