Le transistor Darlington

Le transistor Darlington

Pour réaliser un transistor à très grand gain, on peut mettre 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. 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.

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Schéma du transistor Darlington : NPN et PNP

Il existe des Darlington intégrés qui contiennent les deux transistors dans un seul boitier. C'est plus simple et plus pratique à utiliser.

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

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 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 0.6V = 1.2V. La tension base-émetteur d'un transistor Darlington se situe autour de 1.2V.

- Tension de saturation Vce sat du Darlington

Lorsqu'un transistor bipolaire est saturé, la tension Vce (qui vaut alors Vce sat) ne dépasse pas 0.1V à 0.2V. 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 0.8V.

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 TIP142 et TIP147

Il s'agit de transistors de puissance qui supportent 100V et 10A. Voici leur schéma interne :

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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. C'est très fréquent sur les transistors Darlington.

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

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Transistor Darlington fonctionnant en transistor simple

La tension aux bornes de R2 doit atteindre 0.6V pour que T2 entre en conduction. Le courant limite est de 0.6V/40 = 15mA. Le courant qui circule dans R1 n'est pas représenté. Dès que le courant collecteur global (uniquement dû à T1) atteint 15mA, 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 long que des transistors bipolaires simples :

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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.

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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 :

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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 5mA à la base du transistor Darlington.

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Gain en courant : 1000 minimum garanti

- Tension Vce

La tension Vce sat est loin d'être de 0.1 ou 0.2V seulement lorsqu'il passe 10A entre collecteur et émetteur. La tension Vce atteint 3V max. Le Darlington dissipe 10A x 3V = 30W lorsqu'il laisse passer 10A :

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Tension Vce à Ic = 10A

- Puissance dissipée

Le transistor Darlington TIP142 peut dissiper 125W 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 = 35V, la puissance dissipable commence à réduire.

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

Exemples de transistors Darlington du commerce

TIP122 et TIP127 : 100V 5A 65W
TIP142 et TIP147 : 100V 10A 125W (éviter la marque "MEV" qui est probablement une contrefaçon !)
BDW83C et BDW84C : 100V 15A 150W
MJ11015 et MJ11016 : 120V 30A 200W

D'autres exemples de transistors Darlington :

Transistors équivalents aux TIP142 et TIP147

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

 

Conclusion

Un transistor Darlington est formé de 2 transistors bipolaires montés l'un derrière l'autre pour multiplier les gains en courant.

Avantages du transistor Darlington

gain élevé (1000 à 10000)
transistor existant dans un seul boitier

Inconvénients

tension Vbe plus grande (1.2V)
tension Vce sat plus grande (dissipation plus élevée en conduction)
commutation plus lente

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

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  Le transistor Darlington, publié par nina67 le 23 Juin 2015
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Nina67
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