Transistor-Darlingtonschaltungen

Reicht die Verstärkung einer Transistorstufe nicht aus, kann sie durch in Reihe geschaltete Stufen erweitert werden. Die Ein- und Ausgangsimpedanzen der Einzelstufen beeinflussen sich dabei gegenseitig. Ist die Folgestufe eine Kollektorschaltung, dann bleibt ihre Eingangsimpedanz nur dann hochohmig, wenn die Ausgangsimpedanz der Vorstufe nicht zu niederohmig ist. Auch hier lassen sich die Eigenschaften verbessern, wenn zwei Kollektorstufen zu einer zusammengefasst werden. Eine Schaltung, in der zwei Transistoren direkt zusammengeschaltet sind, wird Darlingtonschaltung genannt.

Wie ein einfacher Transistor hat auch der Darlingtontransistor nur drei Anschlüsse für Basis, Emitter und Kollektor. Die beiden Transistoren sind auf einem gemeinsamen Halbleiterkristall gefertigt und äußerlich vom normalen Transistor nicht zu unterscheiden. Zur Stabilisierung ihres Arbeitspunkts bei sich ändernder Kristalltemperatur besitzen sie oft integriert zwischen Basis und Emitter zwei ohmsche Widerstände.

Mit der Eingangsspannung erhält der Transistor K1 seinen Basisstrom und erzeugt an seinem dynamischen Basis-Emitterwiderstand eine Signalspannung. Der Transistor verstärkt den Strom iB1 mit dem Stromverstärkungsfaktor β1 zum Basisstrom für den zweiten Transistor K2. An dessen dynamischen Basis-Emitterwiderstand entsteht ebenfalls eine Signalspannung. Der Transistor K2 verstärkt seinen Basisstrom iB2 mit dem Verstärkungsfaktor β2 weiter. Die gesamte Stromverstärkung ist das Produkt der beiden Stromverstärkungen. Die außen am npn-Darlingtontransistor messbare Spannung zwischen Basis und Emitter ist mit uBE ≈ 1,2 V die Summe der beiden inneren Basis-Emitterspannungen.

Der Emitterstrom des Eingangstransistors K1 steuert die Basis des Folgetransistors K2 an. In guter Näherung kann dieser Emitterstrom dem Kollektorstrom von K1 gleichgesetzt werden. Mit diesem Ansatz leitet sich die Gesamtstromverstärkung der Darlingtonschaltung wie folgt her: \[{\beta _1} = \frac{{{i_{c1}}}}{{{i_{B1}}}}\quad \quad {\beta _2} = \frac{{{i_{c2}}}}{{{i_{B2}}}}\quad \quad {i_{B2}} = {i_{E1}} \approx {i_{c1}}\] In die Beziehung für β2 eingesetzt folgt mit den anderen Gleichungen für die Gesamtverstärkung: \[{\beta _2} = \frac{{{i_{c2}}}}{{{i_{c1}}}}\quad \quad {\beta _2} = \frac{{{i_{c2}}}}{{{\beta _1}{i_{B1}}}}\quad \Rightarrow {\beta _1} \cdot {\beta _2} = \frac{{{i_{c2}}}}{{{i_{B1}}}}\] \[\beta = \frac{{{i_c}}}{{{i_B}}} \approx {\beta _1} \cdot {\beta _2}\]

Bei einer Kollektorschaltung wirken sich kleine Lastwiderstandswerte negativ auf den eigentlich hohen Eingangswiderstand des Transistors aus. In der Darlingtonschaltung wird der Eingangswiderstand von K2 zum Lastwiderstand für K1. Der nach außen hin wirksame Eingangswiderstand multipliziert sich entsprechend mit den Stromverstärkungsfaktoren. Die Darlingtonstufe hat bei gleicher Belastung einen viel höheren Eingangswiderstand als die einfache Kollektorschaltung. Für den Eingangswiderstand eines Transistors in Kollektorschaltung gilt: \[{r_e} = {r_{BE1}} + (1 + \beta )({R_E}||{R_{Last}}) \approx {r_{BE1}} + \beta \,({R_E}||{R_{Last}})\] Der Eingangswiderstand von K2 ist der Lastwiderstand für K1. Es gilt die Analogie: \[{r_e} = {r_{BE1}} + {\beta _1}\,{r_{BE2}} + {\beta _1}\,{\beta _2}\,{R_E}||{R_{Last}})\] In guter Näherung gilt \({r_{BE1}} \ll {\beta _1}\,{r_{BE2}}\) und für den Eingangswiderstand eines Darlingtontransistors: \[{r_e} \approx {\beta _1}\,{r_{BE2}} + {\beta _1}\,{\beta _2}\,({R_E}||{R_{Last}})\] Die Spannungsverstärkung einer Darlington-Kollektorschaltung ist kleiner als 1. Da sie das Produkt der beiden Einzelverstärkungen ist, kann die Verstärkung des ersten Transistors in guter Näherung V = 1 gesetzt werden.

Der Komplementär-Darlingtontransistor

Zwei Transistoren mit vergleichbaren Kenndaten, wobei einer vom npn-Typ und der andere ein pnp-Transistor ist, werden komplementäre Transistoren genannt. Auch sie können als ein Darlingtontransistor zusammengeschaltet sein. Im gezeigten Beispiel wird der Transistor K1 in der Emittergrundschaltung und der Transistor K2 in der Kollektorgrundschaltung betrieben. Diese Darlingtonschaltung invertiert das Eingangssignal.

Die Basis des Transistors K2 ist intern direkt mit dem Kollektor des Eingangstransistors K1 verbunden. Die Basis von K1 ist als Basiselektrode des Darlingtontransistors herausgeführt. Der Emitter von K1 ist intern mit dem Kollektor von K2 verbunden und stellt nach außen den Emitteranschluss dar. Der herausgeführte Emitter des Ausgangstransistors K2 ist folglich der Kollektor des Darlingtontransistors.

Wird beim pnp-Komplementär-Darlington die Basis gegenüber dem Emitter vom K1 zunehmend positiver angesteuert, so werden die Transistoren K1 und K2 weniger leitend. Das K2-Emitterpotenzial, nach außen das Kollektorpotenzial der Darlingtonstufe, wird weniger positiv. Die Ausgangsspannung nimmt ab. Wird die Basis gegenüber dem Emitter von K1 zunehmend negativer, so wird K1 und mit ihm K2 leitender. Das Ausgangspotenzial wird zunehmend positiver. Das Eingangssignal gelangt stromgesteuert invertiert und verstärkt an den Ausgang.

Beim komplementären Darlingtontransistor beträgt die Spannung zwischen Basis und Emitteranschluss nur um 0,7 V. Der Leitfähigkeitstyp der Transistorstufe entspricht dem des Eingangstransistors K1. Der komplementäre Darlingtontransistor hat wie der Darlingtontransistor eine sehr hohe Basisstromverstärkung. Sie ist annähernd das Produkt der Einzelstromverstärkungen und erreicht Werte zwischen 1000 bis 5000.