Warum werden NPN-Darlington-Transistoren verwendet, um Strom abzusenken?

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Ich stelle fest, dass NPN-Darlington-Transistoren üblicherweise zum Absinken von Strom verwendet werden. Wäre es nicht sinnvoller, PNP für diesen Zweck zu verwenden? Dies würde vermeiden, dass der Laststrom gleichzeitig durch beide Verbindungsstellen geleitet wird. Zugegeben, wir möchten vielleicht den Strom zwischen zwei Transistoren teilen. Beachten Sie in diesem Fall jedoch, dass der zweite Transistor immer noch die volle Last trägt (zur Hälfte über den CE-Pfad und zur Hälfte über den BE-Pfad).

Warum werden Transistoren überhaupt am häufigsten zum Absinken von Strom verwendet? anstatt es zu fahren? Ich habe das nie verstanden.

Beispiel 1

Im obigen Beispiel erscheint es sinnvoller, entweder (1) die Last unter dem Transistor zu platzieren; (2) Verwenden Sie ein PNP Darlington; oder noch besser (3) verwenden Sie ein komplementäres PNP-Paar wie hier gezeigt:

Beispiel 2

BEARBEITEN:

Zur Verdeutlichung stelle ich folgende Frage: Warum können wir diesen NPN-Transistor nicht so wie er ist über der Last platzieren? Oder platzieren Sie einen PNP Darlington unter der Last? Und warum gibt es Darlingtons überhaupt, wenn ein komplementäres Paar eine sauberere Lösung zu sein scheint?

Sod Allmächtiger
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Sie scheinen zu glauben, dass das Teilen des Stroms eine (oder sogar die ) Funktion eines Darlington ist, aber dies ist nicht der Fall. Die Hauptfunktion ist eine sehr hohe Stromverstärkung (Beta).
Wouter van Ooijen
@WoutervanOoijen Ich erwähnte nur das Teilen des Stroms als beiseite.
Sod Allmächtiger
Auch nebenbei ist es falsch. Unter normalen Umständen ist der Strom durch Q1 viel niedriger als durch Q2 (um einen Faktor des Beta von Q2). Daher kann Q1 für hohes Beta / niedrigen Strom optimiert werden, während Q2 für einen höheren Strom optimiert werden kann, was häufig ein niedrigeres Beta bedeutet.
Wouter van Ooijen
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Wenn Sie die Last unter den Transistor legen, wie erhalten Sie genügend Strom in die Basis des ersten Transistors? Welche Spannung würden Sie brauchen?
David Schwartz
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@SodAlmighty Dies ist für Situationen gedacht, in denen der Basisstrom viel kleiner als der Laststrom ist. Alles, was es noch schwieriger macht, den Basisstrom in Gang zu bringen, ist keine gute Sache.
David Schwartz

Antworten:

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Sinkende Lastschalter mit einem NPN-Darlington ermöglichen, dass das Steuersignal ein GND-referenziertes Signal ist. Wenn Sie High-Side-Sourcing-Switches verwenden, ist es am typischsten, dass das Steuersignal in eine GND-bezogene Signaldomäne übersetzt werden muss.

In diesen Tagen, in denen MCUs fast alles steuern, sind die GPIO-Pins solcher Geräte GND-bezogene Signale. Daher sollte es offensichtlich sein, warum viele Lastschalter die Komponenten vom Synchronisierungstyp mit einem GND-bezogenen Eingang verwenden.

Michael Karas
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Ich stimme zu, dies ist der Hauptgrund, warum NPN-BJTs und N-ch-FETs einen besseren "Widerstand" aufweisen. PNP- oder NPN-Darlingtons sind "OK", aber wenn die Last direkt auf die Schienen umgeschaltet werden muss, ist ein MOSFET wesentlich effektiver.
Andy aka
Okay, ohne zu wissen, was eine MCU ist oder ein Experte für Elektronik zu sein, wie Sie es offensichtlich sind, würde ich es überhaupt nicht als "offensichtlich" bezeichnen.
Sod Allmächtiger
Die MCU ist eine "MicroController Unit", ein modifizierter Prozessorchip mit funky Signalsteuerungen (auch bekannt als GPIO = "General Purpose Input / Output") und anderen Peripheriemodulen auf dem Chip. Sie finden MCUs heutzutage in Toastern, geschweige denn überall sonst. Gute MCU-Datenblätter enthalten normalerweise eine Art Referenz für externe Schaltkreise, die Sie anleitet. Ich würde daher empfehlen, einige davon (z. B. www.microchip.com, www.freescale.com) nachzuschlagen, wenn Sie daran interessiert sind, dies weiter zu verfolgen .
Greenbutterfly
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In Bezug auf die Verwendung von NPN anstelle von PNP ist die Antwort von Michael Karas richtig: Sie möchten bodenbezogene Steuersignale, da die N-Transistoren im Allgemeinen bessere Eigenschaften als die P-Äquivalente aufweisen.

Zu anderen Teilen Ihrer Frage: Darlingtons teilen den Strom nicht zwischen den beiden Transistoren 50-50. Dasjenige, bei dem das Eingangssignal an der Basis ankommt, führt möglicherweise 1% des Stroms durch die Basis (unter der Annahme eines Beta von 100; die meisten NPNs mit integrierter Schaltung haben viel höhere Betas (~ 250), sodass der Prozentsatz daher noch niedriger ist). Der andere Transistor führt daher 99% + des angesteuerten Stroms.

Das ist eine gute Sache, keine schlechte Sache. Integrierte Darlington-Paare sind in physikalischer Anordnung mit einem signifikanten Größenunterschied konfiguriert, so dass der Hauptantriebstransistor eine viel größere Übergangsfläche als der erste aufweist, was einen viel niedrigeren CE-Einschaltwiderstand für niedrigere Antriebsströme und eine viel höhere maximale Strombelastbarkeit ermöglicht. Dies ist erforderlich, ohne dass mehrere Transistoren parallel gekoppelt werden müssen, was aufgrund von Gerätedifferenzen selbst bei integrierten Schaltkreisen zu einer ungleichmäßigen Stromaufteilung führen kann.

Schließlich können NPN-Darlingtons leicht auf einer integrierten Schaltung effektiv als einzelner Metatransistor aufgebaut werden; Sie teilen sich den gleichen Kollektorbereich, haben jedoch unterschiedliche eingebettete Basis- / Emitterbereiche (mit dem zuvor erwähnten Größenunterschied). Das Verbinden des Emitters des kleineren mit der Basis des größeren ist ziemlich trivial. Ich bin mir ziemlich sicher, dass dies bei den integrierten Multi-Darlington-Arrays, z. B. der ULN2k-Serie, der Fall ist (ich habe keine Details mehr zum Zugriff, aber ich habe einige davon bereits gesehen, als ich meine Studien in diesem Bereich durchgeführt habe).

greenbutterfly
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Das macht Sinn. Ich verstehe nicht, warum Sie einen NPN Darlington über der Last nicht verwenden konnten ...
Sod Allmächtiger
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@Sod - Sie können eine Last mit dem NPN Darlington über der Last fahren - aber dann muss das Steuersignal von nahe GND bis mindestens 1,4 Volt über der Spannung schwingen, die Sie an die Last anlegen möchten. Wenn Sie das liefern können, ist alles in Ordnung. In vielen Fällen ist es jedoch einfacher, wenn der Steuereingang ein einfacheres Signal ist, das von GND bis zur nominalen EIN-Spannung des Darlington schwingt, unabhängig von der Spannung, mit der die Last betrieben wird.
Michael Karas
@MichaelKaras, Sie müssen auch auf die Emitter-Kollektor-Spannung am Eingangstransistor achten, wenn Sie auf diese Weise Strom beziehen. Wenn der IIRC den Vce des Ansteuertransistors zu niedrig drückt, kann der Eingangstransistor ausgeschaltet werden, indem seine effektiven C- und E-Anschlüsse vertauscht werden. Spannungsschwankungen am Emitterknoten können also dazu führen, dass der Darlington aus mindestens zwei verschiedenen Gründen ein- und ausgeschaltet wird! Aus diesem Grund ist es nicht ratsam, NPNs zur Stromquelle zu verwenden.
Greenbutterfly
@ Greenbutterfly Ich fürchte, ich habe nichts davon verstanden. Warum sollte die CE-Spannung anders sein, wenn Sie sie über der Last platzieren, als wenn Sie sie unter der Last platzieren? Und ... die Terminals umkehren?
Sod Allmächtiger
@MichaelKaras Vielen Dank, Ihre Erklärung hilft, die ursprüngliche Antwort zu klären.
Sod Allmächtiger
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In der Darlington-Konfiguration hilft der Basisstrom des größeren Transistors, die Last anzutreiben, und ist selbstregulierend. Wenn man eine Last von 10 Ampere ansteuern muss und vermeiden möchte, dass ein Beta von mehr als 40 angenommen wird, muss man in der Lage sein, die Basis des großen Transistors mit 250 mA anzutreiben. Um diese 250 mA zu erhalten, müsste man die Basis des kleinen Transistors mit 7 mA ansteuern. Wenn bei einer Darlington-Konfiguration die Last 10 A zieht, fließen 9,75 A durch den Kollektor des großen Transistors und 250 mA durch den kleinen Transistor in die Basis des großen. Die 7 mA, die in die Basis des kleinen Transistors eingetrieben werden, werden "verschwendet". Wenn die Last auf 10 mA abfallen würde, würde die Basis des kleinen Transistors immer noch 7 mA verbrauchen, was sie durch die Basis des großen Transistors passieren würde.

In den meisten anderen Konfigurationen würde die Anordnung, dass der große Transistor bei Bedarf 250 mA an seiner Basis zur Verfügung hat, bedeuten, dass 250 mA der Basis des großen Transistors zugeführt werden, selbst wenn er nicht benötigt wird. In Fällen, in denen bekannt ist, dass die Last 10 A benötigt, wäre dies kein Problem. In Fällen, in denen die Last möglicherweise zwischen 10 uA und 10 A benötigt, kann es unerwünscht sein, 250 mA zu verschwenden, wenn die Last 10 mA benötigt.

Superkatze
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Interessant, aber ohne Bezug zu meiner eigentlichen Frage.
Sod Allmächtiger
@SodAlmighty: Die Frage war zum Teil, warum Darlington-Paare anstelle von komplementären Paaren verwendet werden, nicht wahr? Die Gründe für das Absinken und nicht das Beschaffen von Strom hängen im Allgemeinen nicht mit der Verwendung eines Darlington zusammen, außer dass die Verwendung eines NPN-Darlington zur Stromquelle einen größeren Spannungsabfall im Verhältnis zur Basisspannung aufweisen würde als die Verwendung eines einzelnen NPN-Transistors.
Supercat
Ich verstehe nicht, warum ein kostenloses Paar mehr Strom verschwenden würde als ein Darlington; vorausgesetzt, dass der CE-Strom des Eingangstransistors ohne Laststrom Null wäre. Ich verstehe auch nicht, warum der Spannungsabfall unter der Last weniger relevant ist als darüber.
Sod Allmächtiger
@SodAlmighty: In den meisten Schaltungen mit komplementären Transistoren wird der Emitter des Transistors, der die Basis des Leistungstransistors ansteuert, eher an der Stromschiene als am Kollektor des Leistungstransistors angebracht. Wenn man versucht, ein komplementäres Paar mit einem NPN-Eingang und einem PNP-Ausgang für einen High-Side-Antrieb zu verwenden, ähnlich wie bei einem NPN-Darlington-Emitterfolger, erscheint das Verhalten meistens vernünftig, aber wenn der Eingang die positive Schiene erreicht, fließt der Teil des Stroms durch den Eingang Der Transistor steigt an und überschreitet möglicherweise seine Grenzen.
Supercat
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Sie sollten anhand Ihrer eigenen Diagramme selbst sehen können, dass der untere Stromkreis Zugang zur Stromschiene benötigt, während der reine Low-Side-Switch vorverpackt werden kann, ohne dass diese Verbindung erforderlich ist.

Olin Lathrop
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Warum nimmst du nicht an, dass ich nicht weiß, wovon ich spreche, und erklärst, was du meinst? Außerdem muss, wie ich es sehe, der untere Stromkreis Zugang zur neutralen Schiene haben; Der C-Punkt geht jedoch zur Last, nicht zur + V-Schiene.
Sod Allmächtiger