Darlington-Transistor

Ein Motor soll 3 A ziehen, gesteuert von einem Arduino-Pin, der nur ein paar Milliampere liefern darf. Ein gewöhnlicher Leistungstransistor mit einer Stromverstärkung von 20 bis 50 bräuchte über 100 mA Basisstrom – unmöglich direkt aus dem Pin. Die klassische Lösung aus der Zeit vor dem MOSFET: zwei Transistoren hintereinander, der erste steuert den zweiten. Diese Darlington-Schaltung, 1952 von Sidney Darlington bei den Bell Labs erdacht, verhält sich wie ein einzelner Transistor mit riesiger Stromverstärkung. Als fertiges Bauteil mit drei Anschlüssen heißt sie Darlington-Transistor; du findest ihn in Motortreibern, Relaistreibern wie dem ULN2003 und in vielen älteren Netzteilen.

Aufbau und Funktionsweise

Zwei NPN-Transistoren werden so verbunden:

• Die Kollektoren beider Transistoren sind verbunden und bilden den gemeinsamen Kollektor C.
• Der Emitter des ersten Transistors (T1, Treiber) speist direkt die Basis des zweiten (T2, Leistungstransistor).
• Die Basis von T1 ist der Steuereingang B, der Emitter von T2 der Ausgang E.

Der kleine Basisstrom von T1 wird von T1 verstärkt; dessen Emitterstrom ist der Basisstrom von T2, den T2 noch einmal verstärkt. Die Stromverstärkungen multiplizieren sich:

Fertige Darlington-Transistoren enthalten meist noch mehr als die beiden Transistoren. Zwei Widerstände überbrücken die Basis-Emitter-Strecken: R1 (bei TIP120 etwa 8 kΩ) über T1 und R2 (etwa 120 Ω) über T2. Sie leiten Leckströme ab, damit der Transistor bei offenem Eingang und hoher Temperatur sicher sperrt, und beschleunigen das Abschalten. Dazu kommt bei vielen Leistungstypen eine Diode zwischen Emitter und Kollektor in Sperrrichtung, die bei induktiven Lasten negative Spannungen am Kollektor abfängt.

Die Nachteile

Der hohen Verstärkung stehen drei Schwächen gegenüber:

1. Hohe Eingangsschwelle: Zwischen Basis und Emitter liegen zwei pn-Übergänge in Reihe, also rund 1,2 bis 1,4 V statt 0,7 V; bei großem Strom laut Datenblatt bis 2,5 V.
2. Hohe Restspannung: T2 kann nicht tiefer sättigen, als T1 es zulässt. Seine Kollektor-Emitter-Spannung ist mindestens U_CE(sat),1 + U_BE,2, in der Praxis 0,9 bis 2 V. Bei großem Strom wird daraus viel Wärme.
3. Langsam: T2 wird nur über R2 und T1 ausgeräumt; die Schaltzeiten liegen im Mikrosekundenbereich. Für PWM bis einige Kilohertz geht das, für Schaltregler nicht.

Mehr zu Sättigung und Speicherzeit findest du unter Übersteuerung und Sättigung.

Schaltzeichen

Ein eigenes genormtes Schaltzeichen gibt es nicht. Meist zeichnet man die beiden Transistoren in einen gemeinsamen Kreis oder Rahmen; manche Bibliotheken verwenden auch das normale Transistorsymbol mit dem Vermerk „Darlington“. Wichtig ist, dass der Plan die drei Anschlüsse B, C und E eindeutig zeigt. Allgemeines zu Symbolen steht unter Schaltzeichen.

Sziklai-Paar: der Komplementär-Darlington

Eine Variante kombiniert einen PNP und einen NPN: Der Kollektor des PNP-Treibers speist die Basis des NPN-Leistungstransistors. Dieses Sziklai-Paar verhält sich wie ein PNP mit hoher Verstärkung, braucht aber nur eine Basis-Emitter-Spannung von etwa 0,7 V. Es findet sich vor allem in Audio-Endstufen, wo es die Temperaturstabilisierung erleichtert. Die Grundlagen zum PNP stehen unter PNP-Transistor.

Typen und Kennwerte

Der ULN2003A verdient eine besondere Erwähnung: Er enthält sieben Darlington-Stufen mit offenen Kollektoren, jeweils mit einem 2,7-kΩ-Basiswiderstand für 5-V-Logik und Freilaufdioden zu einem gemeinsamen Anschluss (COM). Für Schrittmotoren, Relaisbänke und LED-Anzeigen ist er seit Jahrzehnten der Standard; der ULN2803A hat acht Kanäle. Viele Kanäle gleichzeitig zu belasten begrenzt allerdings die Wärme des Gehäuses.

Durchgerechnet: Motor mit TIP120

Zum Vergleich: Ein Logic-Level-MOSFET wie der IRLZ44N hat bei 5 V Gate-Spannung höchstens 25 mΩ. Er setzt bei 3 A nur (3 A)² · 0,025 Ω ≈ 0,23 W um – ein Sechsundzwanzigstel – und braucht keinen Kühlkörper. Nachrechnen kannst du das mit dem Rechner MOSFET-Verluste; die Grundlagen stehen unter Wärme und Kühlung.

Anwendungen

• Relais- und Motortreiber mit kleinem Steuerstrom, vor allem als Array (ULN2003, ULN2803).
• Emitterfolger mit hohem Eingangswiderstand: Weil der Eingangswiderstand mit der Stromverstärkung wächst, belastet ein Darlington-Emitterfolger eine hochohmige Quelle kaum – etwa bei Sensoren oder als Längstransistor in einfachen Netzteilen mit Referenz aus einer Z-Diode.
• Berührungsschalter: Mit einem BC517 genügt der winzige Strom über die Haut, um eine LED einzuschalten – ein beliebtes Einsteigerexperiment.
• Lichtschranken: Foto-Darlingtons kombinieren einen Fototransistor mit einem nachgeschalteten Transistor für hohe Empfindlichkeit.

Auswahl und Praxistipps

• Restspannung einplanen: Mit 1 bis 2 V Verlust am Darlington bekommt ein 5-V-Verbraucher nur noch 3 bis 4 V. Für niedrige Versorgungsspannungen ist das oft zu viel.
• Wärme rechnen, immer mit dem höchsten U_CE(sat) aus dem Datenblatt.
• Basiswiderstand trotzdem nötig: Die hohe Verstärkung verleitet dazu, ihn wegzulassen. Ohne ihn fließt durch die Basis-Emitter-Strecke ein unbegrenzter Strom.
• Freilaufdiode bei induktiven Lasten: Die eingebaute Diode zwischen E und C schützt nicht vor der positiven Abschaltspitze. Beim ULN2003 musst du COM an die Lastversorgung anschließen, sonst wirken seine Freilaufdioden nicht.
• Für Neuentwicklungen mit mehr als etwa 1 A ist ein MOSFET fast immer kühler, schneller und einfacher anzusteuern. Der Darlington bleibt sinnvoll, wenn ein Steuerstrom von Mikroampere reichen muss oder robuste, günstige Arrays gefragt sind.

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