Darlington-Paar
Englisch: Darlington pair
Ein Transistorpaar, bei dem der Emitter des einen mit der Basis des anderen verbunden ist und die Kollektoren zusammengeschaltet sind, das als Transistor mit höherer Verstärkung fungiert.
Darlington-Paar: zwei gestapelte Transistoren für extreme Stromverstärkung
Ein Darlington-Paar besteht aus zwei bipolaren Sperrschicht-Transistoren (BJTs), die in einer speziellen Schaltung verbunden sind: Der Emitter des ersten Transistors führt direkt zur Basis des zweiten, während beide Kolektoren zusammengefasst werden. Diese Anordnung erzeugt ein einzelnes Komposit-Bauelement, das den Strom wesentlich stärker verstärkt als jeder Transistor allein. Das Ergebnis ist ein Bauteil, das sich wie ein einzelner Transistor verhält, aber eine Stromverstärkung (Beta) aufweist, die dem Produkt der beiden Einzelverstärkungen entspricht; typischerweise erreicht sie Werte von 1000 bis 20000 oder noch höher.
Die praktische Wirkung ist beeindruckend: Man kann große Ströme schalten oder schwere Lasten treiben, indem man nur winzige Basisströme nutzt. Während ein Standard-Transistor möglicherweise 10 Milliampere Basisstrom benötigt, um eine Last zu schalten, braucht ein Darlington-Paar nur wenige Mikroampere. Das macht sie unverzichtbar für Relais-Treiber, Schrittmotor-Steuerungen, Leistungsschalter und überall dort, wo Platz oder Signal-Budget knapp ist. Darlington-Paare sind als diskrete Komponenten erhältlich (zwei separate Transistoren, die der Anwender selbst verdrahtet) oder als integrierte Darlington-Paare in einzelnen Gehäusen, mit Teilenummern wie der TIP120-Serie von verschiedenen Herstellern.
Kompromisse und Grenzen
Der Verstärkungsvorteil geht mit Nachteilen einher. Ein Darlington-Paar weist eine höhere Sättigungsspannung auf, typischerweise 0,6 bis 1,4 Volt zwischen Kollektor und Emitter im voll leitenden Zustand, im Vergleich zu 0,1 bis 0,3 Volt bei einem einzelnen Transistor. Dieser Spannungsabfall verschleudert Energie als Wärme, spielt eine Rolle in Niederspannungsschaltungen und begrenzt die Eignung des Bauteils in präzisen analogen Anwendungen. Die Schaltgeschwindigkeit ist auch langsamer, da die Ladung zwei Halbleiterkontakte durchqueren muss statt nur einen. Die zusammengesetzte Basis-Emitter-Spannung liegt bei etwa 1,4 Volt statt 0,7 Volt, was die Auslegung in Niederspannungs-Logikschaltungen einschränkt.
Darlington-Paare neigen auch zu thermischem Durchgehen, wenn der Basis-Strom bei steigender Temperatur anwächst, da Beta mit zunehmender Erwärmung des Bauteils steigt. Moderne Auslegungen enthalten häufig einen Widerstand zwischen Basis und Emitter (typischerweise 100 Ohm bis einige Kilohm), um die Stabilität zu verbessern und ungewolltes Schalten durch Leckstrom oder Störungen zu verhindern. Manche integrierten Darlington-Pakete enthalten diesen Widerstand werksseitig.
Der Name ehrt Sidney Darlington, der diese Transistor-Schaltung 1953 bei Bell Labs patentieren ließ. Heute, trotz des Aufstiegs von MOSFETs und modernen integrierten Schaltkreisen, bleiben Darlington-Paare in Altgeräten der Industrie, in Audioverstärkern und überall dort verbreitet, wo es darum geht, eine hochohmige Basis mit minimalem Strom anzusteuern. Das Verständnis ihres Verhaltens ist unerlässlich für Instandhaltung und Nachrüstung älterer Maschinen.