Układ Darlingtona to zaawansowana konfiguracja dwóch tranzystorów bipolarnych, która zapewnia bardzo wysokie wzmocnienie prądowe, umożliwiając sterowanie dużymi obciążeniami minimalnym sygnałem wejściowym.
Wynaleziony w 1953 roku przez Sidneya Darlingtona w Bell Telephone Laboratories, układ ten pozostaje kluczowym elementem nowoczesnej elektroniki, szczególnie w zastosowaniach robotycznych wymagających precyzyjnej kontroli mocy. Łączy prostotę wykonania z imponującą zdolnością wzmacniania prądu, co świetnie wpisuje się w potrzeby interfejsów mikrokontroler–elementy mocy.
Historia i geneza układu Darlingtona
Układ Darlingtona powstał jako odpowiedź na niskie wzmocnienie prądowe pojedynczych tranzystorów bipolarnych dostępnych w latach 50. XX wieku. Sidney Darlington zaproponował połączenie, w którym emiter pierwszego tranzystora zasila bazę drugiego, a ich kolektory są wspólne. Takie kaskadowe zestawienie powoduje mnożenie wzmocnień obu tranzystorów i szybko znalazło zastosowanie w telefonii oraz wczesnych układach elektronicznych, a dziś – w robotyce i automatyce.
Budowa układu Darlingtona
Podstawowa budowa opiera się na dwóch tranzystorach bipolarnych (NPN lub PNP) połączonych w konfiguracji kaskadowej. W ujęciu funkcjonalnym elementy układu wyglądają następująco:
- tranzystor wejściowy – odbiera słaby sygnał bazowy i wzmacnia go, przekazując prąd emitera jako prąd bazy do drugiego tranzystora;
- tranzystor wyjściowy – steruje dużym prądem kolektorowym obciążenia dzięki wzmocnieniu z pierwszego stopnia;
- połączenia zewnętrzne – baza układu to baza pierwszego tranzystora, emiter to emiter drugiego, kolektor jest wspólny dla obu.
Układy Darlingtona występują również jako gotowe układy scalone (np. ULN2803 z ośmioma kanałami), co ułatwia integrację w projektach robotycznych.
Schemat zależności prądów w uproszczeniu wygląda tak:
I_C1 ≈ β1 · I_B; I_B2 = I_C1; wzmocnienie całkowite β_total ≈ β1 · β2
Kluczowa konsekwencja konstrukcji: napięcie baza–emiter całego układu wynosi około 1,4 V (suma dwóch złącz ~0,7 V dla tranzystorów krzemowych), co wymaga właściwego doboru rezystora ograniczającego prąd bazy.
Zasada działania – krok po kroku
Działanie układu Darlingtona opiera się na kaskadowym wzmocnieniu prądowym. Kolejne etapy pracy układu:
- Wejście sygnału – niewielki prąd bazy (nawet rzędu mikroamperów) trafia do bazy pierwszego tranzystora i otwiera złącze baza–emiter;
- Aktywacja pierwszego stopnia – prąd kolektorowy pierwszego tranzystora płynie do emitera i staje się prądem bazy drugiego stopnia;
- Wzmocnienie drugiego stopnia – drugi tranzystor wzmacnia sygnał jeszcze raz, generując duży prąd kolektorowy obciążenia;
- Wyjście – prąd emitera drugiego tranzystora zasila obciążenie (np. silnik DC lub duże diody LED).
Przykład obliczeniowy – przy β1 = 100 i β2 = 100 wzmocnienie całkowite wynosi 10 000, więc prąd sterujący 1 mA może przełączać obciążenie rzędu 10 A (w praktyce ograniczane przez nasycenie i warunki cieplne).
Najważniejsze ograniczenia w praktyce to:
- większy spadek napięcia (~1,4 V) względem pojedynczego tranzystora,
- wolniejsze przełączanie przez ładunki magazynowane w strukturze,
- potencjalne nagrzewanie przy dużych prądach i podwyższonym V_CE(sat).
Zalety i wady układu Darlingtona
Poniższa tabela syntetycznie zestawia kluczowe cechy układu:
| Cecha | Opis |
|---|---|
| Wzmocnienie prądowe | Bardzo wysokie (tzw. super-β, nawet >10 000), pozwala sterować dużymi obciążeniami słabym sygnałem |
| Czułość | Wysoka – reaguje na prądy bazowe rzędu mikroamperów |
| Napięcie nasycenia | Wada: wyższe niż w pojedynczym tranzystorze, co zwiększa straty mocy i wydzielanie ciepła |
| Konstrukcja | Prosta, stabilna i niezawodna w długotrwałej pracy |
| Spadek V_BE | Wada: ok. 1,4 V (zamiast ~0,7 V), wymaga korekt w bilansie napięć |
| Szybkość | Wada: wolniejsze przełączanie niż pojedynczy tranzystor |
W porównaniu z układem Sziklaiego (parą komplementarną) Darlington jest prostszy i bardziej przewidywalny, ale cechuje go wyższy spadek napięcia w stanie nasycenia.
Zastosowania w elektronice i robotyce
Układ Darlingtona jest wszechstronny, szczególnie w robotyce, gdzie łączy słabe sygnały z mikrokontrolerów z elementami mocy. Najczęstsze zastosowania to:
- Sterowanie silnikami – roboty mobilne z silnikami DC lub krokowymi; układy ULN2003/ULN2803 łatwo sterują cewkami i driverami;
- Przełączniki mocy – aktywacja cewek, przekaźników, diod LED dużej mocy; mikrokontroler podaje kilka mA, a układ przełącza ampery;
- Wzmacniacze mocy – końcowe stopnie audio lub elementy stabilizacji w zasilaczach liniowych;
- Czujniki i interfejsy – wzmacnianie słabych sygnałów z fotodiod, termistorów czy hallotronów w robotach autonomicznych;
- Oświetlenie LED – kontrola prądu w matrycach LED w robotach edukacyjnych i efektach świetlnych;
- Zasilacze impulsowe – niekiedy w rolach pomocniczych (np. sterowanie elementami pomocniczymi) w konwerterach dla baterii Li‑ion.
W praktyce, w line-followerze para Darlingtona pozwala sterować silnikami bez przeciążania pinów GPIO mikrokontrolera i z zachowaniem płynności ruchu.
Praktyczne wskazówki montażu i projektowania
Aby układ działał stabilnie i bezpiecznie, zwróć uwagę na poniższe aspekty:
- dobór rezystora bazowego – korzystaj ze wzoru
R_B = (V_ster − 1,4 V) / I_B, gdzieI_Bto minimalny prąd bazy zapewniający nasycenie; - ochrona indukcyjna – dodaj diodę flyback równolegle do cewek/przekaźników, by tłumić skoki napięcia;
- gotowe moduły – tranzystory TIP120/TIP122 dla rozwiązań dyskretnych lub sterowniki mostków H (np. L298N) bazujące na parach Darlingtona;
- symulacja – przetestuj projekt w LTspice lub Tinkercad przed wykonaniem PCB.
Dla szybkiego doboru elementu mocy w projekcie pomocne będzie porównanie konfiguracji:
| Układ | Wzmocnienie | Spadek na złączu sterującym | Szybkość | Zastosowanie w robotyce |
|---|---|---|---|---|
| Pojedynczy tranzystor bipolarny | ~100–300 | ~0,7 V (V_BE) | Wysoka | Małe/średnie obciążenia |
| Darlington | >10 000 | ~1,4 V (2× V_BE) | Średnia | Silniki, przekaźniki, LED-y mocy |
| MOSFET | Bardzo wysokie (sterowanie napięciowe) | Brak złącza BE; niskie R_DS(on) | Wysoka | Wysokoprądowe obciążenia DC |
| Sziklaiego (para komplementarna) | Wysokie | ~0,7 V | Średnia | Gdzie istotne jest niższe V_sat |