¿En que forma la conexión directa de varios transistores de un modo muy especial multiplica la ganancia y lleva ala obtención de un Supertransistor? En la actualidad, muchos proyectos hacen usa de estos supertransistores, ya sea mediante la asociación de transistores aislados, ya sea mediante tipos integrados. Vea en este artículo que' es el Darlington.
Los transistores son típicos amplificadores de corriente. El factor de ,amplificación de un transistor puede expresarse de diversas maneras y la más común es a través de lo que denominamos "Ganancia Beta" (β) o simplemente Beta.
La relación que existe entre la corriente de colector y la corriente de base que la produce se denomina Ganancia Beta o simplemente Beta, de un transistor:
β = lC/IB
Para los transistores comunes, bipolares, Ia ganancias típica Beta se sitúa entre 10 y 500, existiendo algunos tipos que van un poco más allá de esto (figura 1).
Todos los transistores comunes, como los BC237, BC548, BD135, 2N3055, 2N2218, etc., poseen ganancias típicamente situadas entre los valores indicados.
Las curvas características de los transistores como muestra la figura 2, permiten establecer la ganancia de un transistor, que también depende de su régimen de operación.
Los manuales normalmente expresan las ganancias de los transistores para corrientes de colector de 1mA, como muestra el gráfico de la figura 3, obtenido de un Manual de Transistores Ibrape.
El Darlington
La idea de acoplar diversos transistores directamente con la finalidad de obtener mayor ganancia surgió alrededor de 1954, cuando el investigador norteamericano C. Darlington conectó diversos transistores de las mismas características (PNP ó NPN) de la forma indicada en la figura 4.
El resultado fue un transistor de Super Ganancia o un verdadero supertransistor.
Como podemos ver por la figura, la corriente de base que controla el último transistor (Q3) es en realidad la corriente controlada por Q2. La corriente de base de Q2 es, a su vez, la corriente controlada por Q1.
Así, aplicando una corriente en la base de O1, que es el primer transistor, la misma es amplificada y pasa a controlar al segundo transistor, Q2, con nueva amplificación, y después Q3 con una amplificación más.
La corriente obtenida en el emisor de Q3 corresponde a la amplificación de la corriente de base de Q1 tres veces, o tantas veces como los tres transistores en conjunto sean capaces de amplificar.
Llamando Bf a la ganancia del conjunto, y Ba, Bb y Bc las ganancias de los transistores usados, podemos escribir la siguiente expresión que nos da la ganancia final del circuito:
Bf = (Ba+ 1) (Bb + 1) (Bc+ 1)
Si usamos transistores de ganancia 100, por ejemplo, es fácil calcular que la ganancia final obtenida se acercará a 1.000.000!
Pero no sólo se puede obtener una ganancia elevada con la conexión de los transistores en la configuración Darlington.
La impedancia de entrada de un transistor como amplificador es una característica muy importante en muchos proyectos.
Si conectamos un transistor de Ia forma indicada en la figura 5, denominada "colector común" o seguidor de emisor", la impedancia de entrada es dada por el producto de la impedancia de carga por la ganancia del transistor aproximadamente:
Zin = Zout x B
Con una ganancia de 100 y una carga de 100 ohm obtenemos, por ejemplo, una impedancia de entrada de 10.000 ohm, que no es muy grande en términos de transistores comunes.
Un FET (transistor de efecto de campo) tiene impedancias de entrada alrededor de 22M, to que sin duda es mucho más!
Con la conexión de transistores en la configuración Darlington, la impedancia también queda multiplicada. Vea que la carga del transistor Q2 en este circuito es Q3 y que la carga de Q3 es la salida (figura 6).
De este modo, si cada transistor usado tuviera una ganancia 100, para una carga de 100 ohm, la impedancia de entrada será:
Zin = 100 x100 x 100 x100 ohm
Zin = 100 M ohm
Darlington en la práctica
impedancias de 100 M ohm y 1.000.000 de ganancia son muy interesantes en términos de teoría, pero en la práctica las cosas no van tan bien, lo que limita no sólo sus aplicaciones como también la cantidad de transistores que podemos asociar para obtener un DarIington.
El factor práctico más importante es, sin duda, la corriente de fuga entre el colector y el emisor (Iceo).
Si el primer transistor de una asociación Darlington de tres de ellos tuviera una corriente mínima de fuga, la misma corresponderá a la corriente de base del segundo, siendo amplificada por éste y por el siguiente.
Si la ganancia de los dos transistores siguientes fuera elevada, en la salida la intensidad obtenida podrá ser tan grande que saturará el circuito: el último transistor conducirá la corriente totalmente y no será posible usarlo.
En la práctica, para transistores como los BC548 o equivalentes, es difícil obtener un Darlington con más de 3, sin que los efectos de esta corriente no se hagan sentir.
Otra limitación es la propia corriente máxima que puede conducir el último transistor.
¡Una señal pequeña aplicada al primero ya puede llevar al último a alcanzar su capacidad máxima, quemándose!
Una solución muy común consiste en utilizar como último transistor uno de mayor potencia, como un BD135 ó TlP31, como muestra la figura 7.
Los tipos prácticos
Podemos hacer transistores Darlington o bien comprarlos hechos.
En un proyecto simple, es común la conexión de BCs o incluso BDs para la obtención de Darlingtons de uso general con excelente ganancia, siempre que la cantidad no sobrepase las 3 unidades.
En el comercio, existen transistores Darlingtons listos, que son verdaderos circuitos integrados, pues en el interior de una cubierta encontramos no solamente transistores, sino dos resistores, y en algunos hasta más elementos, como muestra Ia figura 8.
Normalmente se usan Darlingtons de gran capacidad de corriente en la salida de amplificadores de audio, reduciendo la excitación que se puede hacer con mucha menor potencia, lo que lleva a una considerable simplificación del circuito.
En la figura 9 mostramos un circuito típico de amplificador de audio con transistores Darlington que pueden ser obtenidos en los comercios.
Proyectos Darlington
Completamos este artículo con proyectos- Darlington que el lector puede hacer con facilidad.
1. Timer
Usando dos transistores BC548, este primer circuito Darlington es un temporizador sencillo (figura 10).
Teniendo en cuenta que las ganancias mínimas de los BC548 especificados por los manuales son de 125 y que la resistencia de la bobina del relé usado, el MC2RC1, para 6V es de 92 ohm, podemos fácilmente calcular la impedancia de entrada del circuito:
Zin = 92 x 125 x125
Zin = 1,437 Megohm
No teniendo en cuenta la tensión exacta por debajo de 6V, en que el relé abre sus contactos, ni eventuales tugas del capacitor usado, podemos establecer la constante de tiempo de este circuito con un capacitor de 1.000 µF alrededor de:
T=R x C
T = 1000 x10-6 x 1,437 x106
T = 1.437 segundos
Este limite muestra que podemos obtener con un capacitor de 1.000 µF un timer de hasta aproximadamente 24 minutos.
Con la utilización de 3 transistores este tiempo se verá aumentado considerablemente.
El funcionamiento es simple: al presionar S, el capacitor se carga y pasa a la descarga posteriormente a través del circuito Darlington que presenta la impedancia calculada.
Durante el tiempo en que ocurre la descarga, el relé será mantenido con los contactos cerrados y por lo tanto con la carga activada (o desactivada, si se usan los contactos NC).
2. Radio experimental
El circuito de la figura 11 permite la audición de las estaciones de ondas medias locales con buena calidad de sonido.
La ganancia corresponde al producto de las ganancias de los transistores usados, que como vimos está alrededor de:
Bt=125 x 125 x 40
Bt = 3625000!
(La ganancia del BD135 es de 40)
La bobina de antena se hace enrollando 60 vueltas de alambre esmaltado 26 6 28 (diámetro en mm. 0,4049 ó 0,4211) en una barra de ferrite, con una toma en este punto. Después se bobinan 20 vueltas más del mismo alambre, en el mismo sentido.
El capacitor variable debe ser del tipo usado en radios de ondas medias con capacidades entre 100 y 300 pF.
El parlante de 8 ohm puede ser de cualquier tamaño y la fuente de alimentación debe proveer una corriente mínima de 100 mA.
Vea que no recomendamos el uso de pilas pequeñas en esta radio experimental, pues ya con tres transistores los efectos de la corriente de fuga pueden hacerse sentir con un consumo exagerado en vista del rendimiento del aparato.
La corriente de reposo es elevada, lo que exige el montaje del transistor de salida en un disipador de calor, incluso en la ausencia de señal
El resistor de polarización de entrada debe tener el mayor valor posible que permita obtener salida sin distorsión.
Para los principiantes, va el montaje en puente de esta radio en la figura 12.
El diodo detector puede ser 1N34 o cualquier equivalente de germanio y como antena un alambre estirado de por lo menos 2 metros sirve para las estaciones locales más fuertes.