ダーリントントランジスタ（ダーリントンペア）

構造と動作

標準的なダーリントン接続では、2個のバイポーラトランジスタを直列に接続する。第1トランジスタのエミッタを第2トランジスタのベースに接続し、コレクタは同じ電源に接続する。この構成では、第1素子に流れる小さなベース電流が第2素子へのより大きなエミッタ電流を生み、さらに第2素子から一層大きなコレクタ電流が出力される。全体の電流増幅率は、概ね2個のトランジスタのベータの積となるが、温度、トランジスタ間の特性不一致、負荷条件などの実際的な要因により、理想的な積より小さくなる。入力からエミッタまでの電圧は、ベース・エミッタ間電圧降下2個分の和にほぼ等しい。そのため、ペアをオンにするには通常、単一トランジスタより高い入力電圧が必要となる。

歴史とパッケージ化

このトポロジーは、ベル研究所に所属していたシドニー・ダーリントンが考案したことに由来して名付けられた。ディスクリート部品としても、集積デバイスの内部構成としても実装されている。多くのパワートランジスタアレイやドライバICは、コンパクトなパッケージで大きな電流駆動能力を得るため、ダーリントン段を内蔵している。このようなモジュールには、スイッチング用途で使いやすくするため、ベース抵抗やサプレッションダイオードが追加されることが多い。パッケージ化された実装およびディスクリート実装については、一般的な集積回路やトランジスタモジュールを参照できる。

用途と例

ダーリントンペアは、比較的小さな制御信号で大電流をスイッチングする必要がある多くの用途に用いられる。代表例には、リレーおよびモータのドライバ、ランプのスイッチング、電力増幅器の入力段、単純なタッチセンサや漏れ電流検出プローブがある。オーディオシステムでは、高い増幅率と駆動の容易さが重視される出力段にも使用されてきた。ただし設計者は、ダーリントン特有の電圧降下および熱的挙動とのバランスを考慮する。実用的な回路例やドライバ用途については、標準的な回路資料や部品データシートを参照する。

利点と制約

• 利点：2個のトランジスタによる非常に高い電流増幅率、単一入力による簡単な制御、ディスクリート部品でも集積部品でも容易に実装できること。
• 制約：より高い入力電圧が必要であること（ベース・エミッタ間電圧降下が2個分）、単一トランジスタより飽和電圧が大きいこと、スイッチングが遅いこと、設計によっては漏れ電流が大きいこと。これらの要因は、スイッチング用途における電力損失を増やし、効率に影響する可能性がある。

変種と代替構成

設計者は、高い増幅率を保ちながら実効飽和電圧を下げるため、相補構成や、相補極性を用いる複合構成であるスジクライペアを選ぶことがある。デジタル用途やパワードライバ用途では、集積型ダーリントンドライバアレイおよびモジュールが一般的である。一方、オーディオ回路や高精度アナログ回路では、ダーリントンの追加電圧降下や速度上の制約を避けるため、別のトポロジーが選ばれる場合がある。オーディオでの用途と実用上の考慮事項については、オーディオ増幅器に関する資料を参照できる。

総じて、ダーリントントランジスタは、少ない部品点数で高い電流増幅率を実現する有用で分かりやすい手段であり続けている。追加される電圧降下、熱設計上の要件、速度上の制限を設計時に考慮すれば、その長所とトレードオフにより、多くのスイッチングおよび増幅作業に適している。