★★★ 2021.8.7 「26歳回路設計初心者」さん 感謝のメッセージありがとうございます!★★★

【初級者向】ダーリントン接続とは?使い方と注意点について  

回路設計



本記事でわかること

・ダーリントン接続の使い方がわかる
・ダーリントン接続のメリット、デメリット
・使用時の注意ポイントがわかる

トランジスタやフォトカプラ等にダーリントン出力タイプがあります。
普通のタイプと何が違うのか、どのような場合に使用するのかについて解説します。

ダーリントン接続とは?

ダーリントン出力タイプは一つのパッケージ内に2個のトランジスタが内蔵され、
図のように接続されています。

この接続をダーリントン接続と呼びます。

このようにすると、電流増幅率FE=hFE1×hFE2となり、
FEを非常に大きくできます。

つまり、小さいベース電流で、大きなコレクタ電流を制御できます。

原理は至って簡単です。

Tr1のベースに電流IB1が入力されるとコレクタ電流IC1=hFE1×IB1が流れます。
この電流がTr2のベースに流れるので、IC2=hFE2×hFE1×IB1になります。
従って電流増幅率は、IC2/IB1=hFE2×hFE1となります。

厳密には、Tr2のベースにはTr1のコレクタ電流だけでなく、
ベース電流分も加わるので、(hFE1+1)×IB1となり、
これがhFE2倍されるので、( hFE2×hFE1 +hFE2 )×IB1 になります。

なので、正確な電流増幅率は  hFE2×hFE1 +hFE2 なのですが、
hFE2に比べ、hFE2×hFE1が非常に大きいので、hFE2×hFE1で問題ありません。



ダーリントン接続のメリット、デメリットについて

<メリット>
電流増幅率を非常に大きくできます。
一般的なトランジスタのhFEは100程度ですが、
ダーリントントランジスタは2000以上あります。

これにより、僅かなベース電流で大きなコレクタ電流を流すことができます。

制御ICからの出力が1mA程度しか流せなくても、
ダーリントントランジスタを使えば負荷に2A以上の電流を流すことができます。

<デメリット>
この原理を応用すると、3個接続すれば、
電流増幅率はhFE3×hFE2×hFE1となります。

つまり、トランジスタをつなげた数だけ、電流増幅率を大きくできます。
しかし、このダーリントン接続には大きな欠点が3つあります。

1.コレクタ・エミッタ間飽和電圧Vce(sat)が大きい
 普通のトランジスタなら、ON時のCE間電圧Vce(sat)は0.1V程度と殆どゼロになりますが、
 ダーリントン出力の場合は0.6V以上あります。

条件によっては1V以上にもなるので、
デジタル信号出力として使用した場合、
トランジスタがONしても出力電圧が高く、入力側でLと認識できない場合があります。

ce(sat)が大きくなる理由ですが、
トランジスタ1個の時はVCE≒0Vですが、
2個つなげると、ベース・エミッタ間電圧VBE2の分がVceに加わってしまうためです。

ベース・エミッタ間電圧は通常0.6V程度あるため、
ce(sat)をゼロにできなくなります。

2. 損失が大きい
 Vce(sat)が大きくなると、消費電力にも影響します。

ON時の消費電力=Vce(sat)×ICとなるので、
ce(sat)が大きいと、消費電力も大きくなります。

特にダーリントン出力は大電流を流すので、
ce(sat)=1Vでも、1A流すと1Wにもなります。

これはトランジスタがかなり熱くなることを意味しています。

3. 動作速度が遅い
 通常のトランジスタなら蓄積時間0.5us程度なのに対し、
 ダーリントン・トランジスタは1.5us以上あります。

100kHz 50%DUTYのパルス信号の場合、
ON時間が5usであることを考えると、
高速スイッチングには向かないことがわかります。

<蓄積時間>
トランジスタがOFFする時の応答時間
トランジスタはONよりOFFの方が応答性が悪いため、
スイッチングに使用する際は、蓄積時間に注意します。



ダーリントン接続の使用例

上記の欠点より、高速デジタル制御には向きませんが、
LED、リレーなど電流で動作する機器の制御には適しています。

下記にLED制御に使用した例を示します。

東芝製ダーリントントランジスタ2SD1223は
hFE=2000、最大コレクタ電流4Aです。
制御対象は照明用LED スタンレー電気製 GBKW110GASです。

照明用ということもあり、順電流700mAを流す必要があります。
制御ICからの出力電流(1mA程度)なので、
FE=100程度のトランジスタでは電流不足ですが、
2000以上のダーリントントランジスタならば可能
になります。

2SD1223のデータシートでIC-hFE特性曲線を見ると、
Ic=700mA時のhFEは3000あります。(Tc=25℃)

したがって、ベース電流IB
IB=IC/hFE=700mA/3000=0.24mA
となり、制御ICの出力で十分制御できます。

注意点は特性グラフより
コレクタ・エミッタ間飽和電圧VCE(sat)=0.85V
ベース・エミッタ間飽和電圧VBE(sat)=1.4V

であることに注意して下さい。

LEDに0.7A流すと、トランジスタの消費電力は
0.85V×0.7=0.6W となります。

2SD1223の許容コレクタ損失は1W(周囲温度Ta=25℃)であり、
ディレーティングは60%なのでOKとします。 

但し、周囲温度25℃以上になるとPcが急減するので、
装置内の温度が高くなる場合は注意が必要です。

もう一つの注意点は、VBE(sat)=1.4Vと、普通のトランジスタの2倍はあることです。

これはダーリントントランジスタが構成上、2個分のVBEとなるためです。

このためベース電圧が低いとトランジスタがONできなくなります。

データシートの等価回路を見ると、
1段目のBE間抵抗4.5kΩ、2段目は300Ωです。

合計4.8kΩあり、ここを1.4V以上にするには、
I=1.4V/4.8kΩ=0.3mA流す必要があります。

これと、先程求めたベース電流IB=0.24mAを加えて、
0.54mAをベースに供給しなくてはなりません。

これはベース抵抗RBをつけることで調整します。

制御ICの出力電圧3Vとすると、ベース電圧1.4Vなので、
RBにかかる電圧は、3-1.4=1.6V
RB=1.6V/0.54mA≒3kΩ
となります。

注意点としては、制御ICの出力電圧は
流す電流が増えると低下します。
(データシートを見ると、出力電流の増加によって出力電圧が低下している筈です)

コレクタ電流を増やすため、ベース電流を大きくした場合、
出力電圧が2V近くまで低下して、
トランジスタがONできなくなる可能があるので注意して下さい。

<トランジスタの詳細については下記の記事で解説しています>

<回路工作で役立つ工具類を下記の記事で紹介しています>