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:

  1. Wejście sygnału – niewielki prąd bazy (nawet rzędu mikroamperów) trafia do bazy pierwszego tranzystora i otwiera złącze baza–emiter;
  2. Aktywacja pierwszego stopnia – prąd kolektorowy pierwszego tranzystora płynie do emitera i staje się prądem bazy drugiego stopnia;
  3. Wzmocnienie drugiego stopnia – drugi tranzystor wzmacnia sygnał jeszcze raz, generując duży prąd kolektorowy obciążenia;
  4. 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, gdzie I_B to 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