Darlington

Ein Darlington ist ein zusammengesetztes Halbleiterbauelement aus zwei bipolaren Transistoren, die in einem gemeinsamen Gehäuse gestapelt sind. Der Kollektor des ersten Transistors ist mit der Basis des zweiten verbunden. Diese Anordnung verstärkt das Eingangssignal zweimal, wodurch das Transistorpaar einen Stromverstärkungsfaktor (Beta) von typisch 1.000 bis 20.000 erreicht, verglichen mit 50 bis 200 für einen einzelnen Transistor. Der Nachteil liegt in einer höheren Durchlassspannung über die Basis-Emitter-Strecke: etwa 1,4 Volt statt 0,7 Volt.

Darlingtons gibt es in zwei Hauptformen. Diskrete Darlington-Paare wie die Baureihe 2N6045 oder TIP100 sind dreileimige Bauelemente (Basis, Kollektor, Emitter) in TO-220-Metallgehäusen oder kleineren Kunststoffbaureihen erhältlich. Darlington-Arrays integrieren mehrere Paare auf einem einzigen Chip; das ULN2003 ist ein Klassiker und vereinigt sieben Darlington-Paare mit eingebauten Kollektor-Widerständen zum Ansteuern von logischen Lasten. Die integrierten Arrays sind in Steuerschaltungen beliebt, weil sie die direkte Verbindung zu Mikrocontroller-Ausgängen ohne zusätzliche Komponenten ermöglichen.

Wo und warum sie funktionieren

Die hohe Verstärkung eines Darlington macht ihn ideal, wenn kleine Eingangsströme große Ladeströme schalten oder steuern müssen. Schrittmotortreiber, Relaissteuerungen und Anzeigensegment-Treiber setzen routinemäßig Darlington-Arrays ein. Ein Mikrocontroller-GPIO-Pin mit 5 Milliampere kann mehrere hundert Milliampere über einen Darlington-Ausgang schalten, ohne dass ein separater Vorwiderstand am Eingang nötig ist. Allerdings führt die hohe Verstärkung auch dazu, dass das Bauelement gegen Basis-Emitter-Leckstrom empfindlich ist; bei erhöhten Temperaturen kann ein Darlington zur Teilleitung abgleiten, selbst wenn kein Eingangssignal anliegt.

Die hohe Sättigungsspannung (0,4 bis 0,7 Volt zwischen Kollektor und Emitter) und die langsame Schaltgeschwindigkeit (typisch 5 bis 20 Mikrosekunden Anstiegszeit) machen Darlingtons ungeeignet für Audioverstärkung oder Hochfrequenz-Schaltungen. Hochgeschwindigkeits-Logik-Anwendungen bevorzugen MOSFETs oder kleinere Einzeltransistoren. Bei Motorsteuerung und induktiven Lasten sind Freilauf-Dioden parallel zur Last unverzichtbar, weil die langsame Ausschaltung des Darlington gefährliche Spannungsspitzen zulassen kann, wenn der Strom plötzlich umkehrt.

Das Bauelement ist nach Sidney Darlington benannt, der die Schaltungsanordnung 1953 patentieren ließ. Heute sind Darlington-Paare in Industriesteuersystemen Standard, besonders in älteren Systemen und in einfachen kostengünstigen Designs, bei denen Geschwindigkeit nicht kritisch ist und Antriebskraft wichtiger ist als Präzision.