Le transistor Darlington

Le transistor Darlington permet d'obtenir un très grand gain en courant en multipliant le gain de deux transistors successifs. Pour réaliser un transistor à très grand gain, on peut en effet connecter deux transistors l'un derrière l'autre. L'émetteur du premier transistor va à la base du second transistor : les gains en courant se multiplient et on peut obtenir un gain typique de 1000 à 5000. C'est le transistor Darlington.

On peut mettre 2 transistors NPN ou 2 transistors PNP l'un à la suite de l'autre. Voici le schéma du transistor Darlington, en version NPN et PNP.

On peut voir ci-dessous le schéma des transistors Darlington, NPN et PNP.

Schéma du transistor Darlington : transistors NPN et PNP

Il existe des Darlington intégrés qui contiennent les deux transistors dans un seul boitier. Quelques exemples : TIP122, TIP142, MJ11015. Ces transistors sont pratiques à utiliser

Les gains en courant vont de 1000 à 10000 environ. Il suffit de 1 mA pour piloter un courant jusqu'à 10 A !

Différences entre transistor (simple) et transistor Darlington

Un transistor Darlington présente quelques différences par rapport au transistor bipolaire simple. On pourrait penser que c'est génial d'avoir un très grand gain, mais il y a quelques désavantages au transistor Darlington. Les voici :

Tension de seuil Vbe du transistor Darlington

Le transistor Darlington entre en conduction à une tension de seuil qui correspond à 2 diodes en série (les 2 jonctions base émetteur), soit environ 2 x 0,6 V = 1,2 V. La tension base-émetteur d'un transistor Darlington se situe autour de 1,2 V.

Tension de saturation Vce sat du Darlington

Lorsqu'un transistor bipolaire est saturé, la tension Vce (qui vaut alors Vce sat) ne dépasse pas 0,1 V à 0,2 V. On obtient cette situation en injectant dans la base un courant plus grand que nécessaire pour faire passer le courant Ic défini par le reste du circuit.

Lorsqu'on cherche à faire pareil avec un transistor Darlington, la tension Vce sat est plus élevée. En effet, seul le premier transistor peut saturer. L'autre ne peut pas saturer parce que sa tension Vce vaudra toujours au minimum sa tension base-émetteur, additionnée au Vce sat du premier, soit environ 0,8 V.

Lorsqu'on utilise un Darlington en tout ou rien, la chute de tension (le Vce sat) est donc plus grande qu'un transistor bipolaire simple. La dissipation de chaleur est plus élevée : il y a davantage de pertes (pertes de conduction).

Temps de commutation

Les transistors Darlington du commerce sont en général plus lents en commutation que les transistors bipolaires simples. C'est-à-dire que si on coupe le courant de base d'un transistor Darlington, il mettra un temps plus long à s'ouvrir (le courant collecteur se coupera avec un retard plus important). De même lorsqu'on commence à injecter un courant dans la base. Typiquement, ces retards sont de quelques microsecondes.

Les transistors Darlington de puissance

On trouve de nombreux transistors Darlington de puissance qui contiennent en plus deux résistances et une diode en parallèle. Etudions une paire complémentaire (NPN et PNP) de transistors Darlington : les TIP142 et TIP147.

Exemple des Darlington : transistors TIP142 et TIP147

Il s'agit de transistors de puissance qui supportent 100 V et 10 A. Voici le schéma interne des TIP142 et TIP147 :

Schéma interne des transistors Darlington TIP142 TIP147.

On voit 2 résistances (R1 et R2) entre chaque base et chaque émetteur ainsi qu'une diode en parallèle. On constate très souvent l'ajout de ces résistances intégrées dans les transistors Darlington.

Lorsque le courant est très faible dans la base, le second transistor (de puissance) n'est pas passant :

Transistor Darlington fonctionnant en transistor simple

La tension aux bornes de R2 doit atteindre 0,6 V pour que T2 entre en conduction. Le courant limite est de 0,6 V / 40 = 15 mA. Le courant qui circule dans R1 n'est pas représenté. Dès que le courant collecteur global (uniquement dû à T1) atteint 15 mA, T2 entre en conduction et le gain en courant va être multiplié par le gain de T2 qui entre dans la danse... Pour cette petite démo, le courant dans R1 est négligé devant le courant collecteur de T1.

La diode permet de piloter des charges inductives. Ce n'est pas une diode de roue libre comme pour piloter un relais mais cette diode est utile pour une utilisation avec son complémentaire (montage en demi pont ou étage de sortie d'ampli audio par exemple). En fonctionnement normal, la diode n'est jamais passante. Par ailleurs, elle peut protéger contre une inversion de polarité collecteur émetteur. La diode va conduire et ainsi shunter le transistor.

Diode de roue libre pour relais piloté par un transistor

Les résistances servent à accélérer la commutation du Darlington. Mais même avec ces résistances, les temps de commutation restent plus longs que des transistors bipolaires simples :

Temps de commutation des transistors Darlington TIP142 et TIP147

La résistance R2 sert à écouler les charges résiduelles dans la base de T2 lors de l'ouverture.

Pour l'image, si une boutique ferme alors qu'il y a encore la queue à la caisse, il vaut mieux faire partir les clients qui attendent plutôt que d'attendre d'écouler toute la file restante. La boutique fermera ainsi plus vite ses portes.

File d'attente : image des charges résiduelles à évacuer dans la base du transistor

Gain en courant hfe du transistor Darlington

Le gain en courant dépend du courant collecteur Ic et de la température :

Gains hfe en fonction de Ic et de la température

Le gain du Darlington TIP142 atteint 5000. On peut choisir un gain de 1000 pour dimensionner un circuit. Si on souhaite piloter un courant de 5A, on peut dimensionner le circuit de commande pour qu'il puisse délivrer 5 mA à la base du transistor Darlington.

Gain en courant : 1000 minimum garanti

Tension Vce sat

La tension Vce sat est loin d'être de 0,1 ou 0,2 V seulement lorsqu'il passe 10 A entre collecteur et émetteur. La tension Vce atteint 3 V max. Le Darlington dissipe 10 A x 3 V = 30 W lorsqu'il laisse passer 10 A :

Tension Vce à Ic = 10 A

Puissance dissipée dans un transistor Darlington

Le transistor Darlington TIP142 peut dissiper 125 W lorsque son boitier est maintenu à 25 °C. A partir d'une certaine tension, la dissipation de puissance est limitée par la zone de second claquage (second breakdown). Ce phénomène est bien connu sur les transistors bipolaires de puissance. Le Darlington n'échappe pas à la règle. Ici, à partir de Vce = 35 V, la puissance dissipable commence à réduire.

Zone de second claquage : concerne les transistors Darlington et les bipolaires

Exemples de transistors Darlington du commerce

TIP122 et TIP127 : 100 V 5 A 65 W

BDW42 et BDW47 : 100 V, 15 A, 85 W

TIP142 et TIP147 : 100 V 10 A 125 W (éviter la marque "MEV" qui est probablement une contrefaçon !)

BDW83C et BDW84C : 100 V 15 A 150 W

MJ11015 et MJ11016 : 120 V 30 A 200 W (MJ11015 et MJ11016 utilisés dans l'ampli Powerworks RS 15 SUB A équivalent au LUCAS 600)

Ce système d'amplification de HK Audio (LUCAS 600 et LUCAS 1000) n'utilise que des transistors Darlingtons alimentés en +/-50 V DC pour fournir 150 Wrms / 4 Ohms (satellite) ou 300 Wrms / 8 Ohms (HP de grave), ou 2 x 300 Wrms / Ohms (HP de grave avec double bobine "double coil").

Pour info, LUCAS est l'abréviation de Light Ultraweight Compact Amplification System.

D'autres exemples de transistors Darlington :

Transistors équivalents aux TIP142 et TIP147

Réalisation d'ampli hifi à transistors Darlington de puissance BDW83C/BDW84C

Pour voir l'intérieur d'un transistor MJ11015 ou MJ11016, on peut faire "sauter" la capsule métallique et voir la "puce" (die) interne :

Intérieur d'un transistor Darlington MJ11015 issu d'un ampli Powerworks RS15 SUB A

et en zoomant sur la puce elle-même :

Puce du transistor Darlington

L'aspect boursouflé est le résultat de la casse !

Conclusion

Un transistor Darlington est formé de 2 transistors bipolaires montés l'un derrière l'autre pour multiplier les gains en courant, ce qui permet d'obtenir un très grand gain en courant. La commutation d'un Darlington est plus lente qu'un transistor bipolaire simple.

Avantages du transistor Darlington par rapport au transistor simple

• gain élevé (1000 à 10000)
• transistor existant dans un seul boitier (driver et transistor de puissance intégré)

Inconvénients

• tension Vbe plus grande (1,2 V) (possibilité d'utiliser une paire de Sziklai à la place)
• tension Vce sat plus grande (dissipation plus élevée en conduction)
• commutation plus lente, surtout à l'ouverture ("toff", de l'ordre de 3 - 5 us)
• fréquence de transition plus faible qu'un transistor bipolaire : seulement quelques MHz

Références

Transistors Darligton TIP142 et TIP147 :

http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/TIP140-D.PDF

Le transistor Darlington :

https://en.wikipedia.org/?title=Darlington_transistor#Disadvantages

Le transistor bipolaire :

http://ressources.univ-lemans.fr/AccesLibre/UM/Pedago/physique/02/cours_elec/transi.pdf