ترانزیستور دارلینگتون چیست

مقدمه:

ترانزیستور دارلینگتون که به نام مخترع آن، سیدنی دارلینگتون نامگذاری شده است، آرایش ویژه ای از دو ترانزیستور اتصال دو قطبی استاندارد NPN یا PNP (BJT) است که به یکدیگر متصل شده اند. امیتر یک ترانزیستور به پایه ترانزیستور دیگر متصل می شود تا ترانزیستور حساس تری تولید کند که بهره جریان بسیار بیشتری در کاربردهایی که نیاز به تقویت جریان یا سوئیچینگ است، مفید است. در این سری از مقالات اسکای تک به بررسی ترانزیستور دارلینگتون می پردازیم. 

جفت ترانزیستور دارلینگتون را می توان از دو ترانزیستور دوقطبی متصل جداگانه یا یک دستگاه واحد تجاری ساخته شده در یک بسته با استاندارد: پایه، امیتر و سیم های اتصال جمع کننده ساخته شد و در انواع مختلفی از سبک ها و ولتاژ (و جریان) موجود است.

همانطور که درمی دانیم ترانزیستور به عنوان سوئیچ عمل می کند و همچنین از آن به عنوان تقویت کننده استفاده می شود، ترانزیستور اتصال دوقطبی (BJT) را می توان طوری ساخت که به عنوان یک کلید ON-OFF عمل کند.

ترانزیستور دوقطبی به عنوان سوئیچ:

هنگامی که ترمینال پایه ترانزیستور NPN به زمین متصل می شود (0 ولت)، جریان صفر به پایه وارد می شود، بنابراین Ib = 0. همانطور که ترمینال پایه زمین است، هیچ جریانی از کلکتور به پایانه های امیتر جریان نمی یابد، بنابراین ترانزیستور NPN غیر رسانا خاموش است (قطع).  

اگر اکنون ترمینال پایه را نسبت به امیتر با استفاده از منبع ولتاژی بیشتر از 0.7 ولت بایاس کنیم، عمل ترانزیستور رخ می دهد که باعث می شود جریان بسیار بیشتری از ترانزیستور بین پایانه های کلکتور و امیتر عبور کند. اکنون گفته می شود که ترانزیستور “روشن” (رسانا) است. 

اگر ترانزیستور را بین این دو حالت قطع و رسانش کار کنیم، ترانزیستور می‌تواند به عنوان یک کلید الکترونیکی عمل کند. با این حال، ترمینال پایه ترانزیستور باید بین صفر و مقداری مثبت بسیار بیشتر از 0.7 ولت سوئیچ شود تا ترانزیستور به طور کامل هدایت شود. 

ولتاژ بالاتر باعث افزایش جریان پایه می شود، Ib به داخل دستگاه جریان می یابد و در نتیجه جریان کلکتور Ic بزرگ می شود درحالی‌که افت ولتاژ در پایانه های کلتور و امیتر، Vce کوچک‌تر می شود. سپس می بینیم که جریان کوچکتری که به ترمینال پایه می ریزد می‌تواند باعث شود جریان بسیار بزرگتری بین کلکتور و امیتر جریان یابد.

 نسبت جریان کلکتور به جریان پایه (β) به عنوان بهره جریان ترانزیستور شناخته می شود. یک مقدار معمولی β برای یک ترانزیستور دوقطبی استاندارد ممکن است در محدوده 50 تا 200 باشد و حتی بین ترانزیستورهای همان شماره قطعه متفاوت است. 

در برخی موارد که بهره جریان یک ترانزیستور برای هدایت مستقیم بار بسیار کم است، یکی از راه‌های افزایش بهره استفاده از جفت دارلینگتون است.

 یک پیکربندی ترانزیستور دارلینگتون، همچنین به عنوان “جفت دارلینگتون” یا “مدار سوپر آلفا” شناخته می شود، از دو ترانزیستور NPN یا PNP به هم متصل شده اند تا جریان امیتر اولین ترانزیستور TR1 به جریان پایه ترانزیستور دوم TR2 تبدیل شود. 

سپس ترانزیستور TR1 به عنوان دنبال کننده امیتر و TR2 به عنوان تقویت کننده امیتر مشترک مطابق شکل زیر متصل می شود. همچنین توجه داشته باشید که در این پیکربندی جفت دارلینگتون، جریان کلکتور ترانزیستور برده یا کنترل، TR1 با ترانزیستور سوئیچینگ اصلی TR2 “در فاز” است.

ترانزیستور دارلینگتون NPN:

ترانزیستور دارلینگتون NPN نوعی ترانزیستور دارلینگتون است که شامل دو ترانزیستور Bipolar Junction Transistor (BJT) NPN است که به صورت سری با هم متصل شده‌اند.در ترانزیستور دارلینگتون NPN، پایه بیس ترانزیستور اول (NPN) به پایه بیس ترانزیستور دوم (NPN) متصل شده و کاتد ترانزیستور دوم به امیتر ترانزیستور اول متصل می‌شود. این اتصال سری مجاز به تقویت جریان از ترانزیستور اول به ترانزیستور دوم و افزایش بزرگنمایی جریان می‌شود.

ترانزیستور دارلینگتون NPN باعث کاهش نیاز به جریان پایه (base current) و افزایش بزرگنمایی جریان می‌شود. این ویژگی‌ها، آن را به عنوان یک تقویت‌کننده قدرت و یا سوئیچ قدرت برای کاربردهایی که نیاز به جریان بالا دارند، مناسب می‌سازد.ترانزیستور دارلینگتون NPN در کاربردهایی مانند درایورهای موتور، سوئیچ‌های قدرت، رله‌ها، LEDها و سایر مدارهای قدرت استفاده می‌شود.

ترانزیستور دارلینگتون PNP :

ترانزیستور دارلینگتون PNP نوعی ترانزیستور دارلینگتون است که شامل دو ترانزیستور Bipolar Junction Transistor (BJT) PNP است که به صورت سری با هم متصل شده‌اند.در ترانزیستور دارلینگتون PNP، پایه بیس ترانزیستور اول (PNP) به پایه بیس ترانزیستور دوم (PNP) متصل شده و امیتر ترانزیستور دوم به کاتد ترانزیستور اول متصل می‌شود. این اتصال سری مجاز به تقویت جریان از ترانزیستور اول به ترانزیستور دوم و افزایش بزرگنمایی جریان می‌شود.

ترانزیستور دارلینگتون PNP نیز باعث کاهش نیاز به جریان پایه (base current) و افزایش بزرگنمایی جریان می‌شود. این ویژگی‌ها، آن را به عنوان یک تقویت‌کننده قدرت و یا سوئیچ قدرت برای کاربردهایی که نیاز به جریان بالا دارند، مناسب می‌سازد.ترانزیستور دارلینگتون PNP نیز در کاربردهایی مانند درایورهای موتور، سوئیچ‌های قدرت، رله‌ها، LEDها و سایر مدارهای قدرت استفاده می‌شود.

پیکربندی پایه ترانزیستور دارلینگتون:

با استفاده از جفت NPN دارلینگتون به عنوان مثال، کلکتورهای دو ترانزیستور به هم متصل می شوند و امیتر TR1 پایه TR2 را به حرکت در می آورد. این پیکربندی ضرب β را به دست می‌آورد زیرا برای جریان پایه ib، جریان کلکتور β*ib است که در آن بهره جریان بیشتر از یک یا واحد است و این چنین تعریف می‌شود: 

اما جریان پایه، IB2 برابر است با جریان تابشگر TR1 ترانزیستور، IE1 به عنوان امیتر TR1 به پایه TR2 متصل است. بنابراین: 

سپس در معادله اول جایگزین کنید: 

که در آن β1 و β2 دستاوردهای هر ترانزیستور هستند. این به این معنی است که بهره کلی جریان، β توسط بهره ترانزیستور اول ضرب در بهره ترانزیستور دوم به عنوان بهره جریان دو ترانزیستور ضرب می شود؛ به عبارت دیگر، یک جفت ترانزیستور دوقطبی که با هم ترکیب شده و یک جفت ترانزیستور دارلینگتون را می‌سازد، می‌تواند به عنوان یک ترانزیستور منفرد با مقدار بسیار بالای β و در نتیجه مقاومت ورودی بالا در نظر گرفته شود.

کاربردهای ترانزیستور دارلینگتون:

پایه ترانزیستور دارلینگتون به اندازه کافی حساس است تا به هر جریان ورودی کوچک از یک سوئیچ یا مستقیماً از یک گیت منطقی TTL یا 5 ولت CMOS پاسخ دهد.حداکثر جریان کلکتور Ic(max) برای هر جفت دارلینگتون مانند ترانزیستور سوئیچینگ اصلی، TR2 است، بنابراین می توان از رله ها، موتورهای DC، سلونوئیدها و لامپ ها و غیره استفاده کرد.  

یکی از معایب اصلی ترانزیستور دارلینگتون جفت حداقل افت ولتاژ بین پایه و امیتر در صورت اشباع کامل است. برخلاف یک ترانزیستور منفرد که دارای افت ولتاژ اشباع بین 0.3 و 0.7 ولت در حالت روشن کامل است، دستگاه دارلینگتون دو برابر افت ولتاژ پایه امیتر (1.2 ولت به جای 0.6 ولت) دارد که افت ولتاژ پایه امیتر برابر است. 

مجموع افت دیود پایه-امیتر دو ترانزیستور مجزا که بسته به جریان عبوری از ترانزیستور می‌تواند بین 0.6 تا 1.5 ولت باشد. این افت ولتاژ امیتر پایه بالا به این معنی است که ترانزیستور دارلینگتون می‌تواند برای یک جریان بار معین گرمتر از یک ترانزیستور دوقطبی معمولی شود و بنابراین نیاز به فروکش حرارتی خوبی دارد.همچنین، ترانزیستورهای دارلینگتون زمان پاسخ ON-OFF کندتری دارند، زیرا ترانزیستور برده TR1 طول می کشد تا ترانزیستور اصلی TR2 را به طور کامل روشن یا کاملاً خاموش کند.  

برای غلبه بر پاسخ آهسته، افزایش افت ولتاژ و معایب حرارتی یک دستگاه استاندارد ترانزیستور دارلینگتون، ترانزیستورهای مکمل NPN و PNP را می توان در همان آرایش آبشاری برای تولید نوع دیگری از ترانزیستور دارلینگتون به نام پیکربندی Sziklai استفاده کرد. 

جفت ترانزیستور Sziklai Sziklai Darlington Pair که به نام مخترع مجارستانی جورج Sziklai نامگذاری شده است، یک دستگاه مکمل یا مرکب دارلینگتون است که از ترانزیستورهای مکمل جداگانه NPN و PNP تشکیل شده است که مطابق شکل زیر به یکدیگر متصل شده اند. این ترکیب آبشاری از ترانزیستورهای NPN و PNP این مزیت را دارد که جفت Sziklai همان عملکرد اصلی یک جفت دارلینگتون را انجام می‌دهد.

با این تفاوت که برای روشن شدن فقط به 0.6 ولت نیاز دارد و مانند پیکربندی استاندارد دارلینگتون، بهره جریان برابر است با β2 برای ترانزیستورهای همسان یا با حاصلضرب دو افزایش جریان برای ترانزیستورهای مجزای بی همتا به دست می آید.

پیکربندی ترانزیستور Sziklai Darlington:

می بینیم که افت ولتاژ پایه-امیتر دستگاه Sziklai برابر با افت دیود یک ترانزیستور در مسیر سیگنال است. با این حال، پیکربندی Sziklai نمی‌تواند به کمتر از یک قطره کامل دیود، یعنی 0.7 ولت به جای 0.2 ولت معمول، اشباع شود. همچنین، مانند جفت دارلینگتون، جفت Sziklai زمان پاسخ آهسته‌تری نسبت به یک ترانزیستور دارد. 

ترانزیستورهای مکمل جفت Sziklai معمولاً در مراحل خروجی تقویت‌کننده صوتی push-pull و کلاس AB استفاده می‌شوند که فقط یک قطبیت ترانزیستور خروجی را امکان‌پذیر می‌کند. هر دو جفت ترانزیستور Darlington و Sziklai در هر دو پیکربندی NPN و PNP موجود هستند.

آی سی ترانزیستور دارلینگتون:

در اکثر کاربردهای الکترونیکی کافی است مدار کنترل ولتاژ خروجی یا جریان DC را مستقیماً روشن یا خاموش کند، زیرا برخی از دستگاه‌های خروجی مانند LED یا نمایشگرها برای کار در ولتاژهای DC پایین فقط به چند میلی آمپر نیاز دارند و بنابراین می‌توانند. مستقیماً توسط خروجی یک گیت منطقی استاندارد هدایت شود.

با این حال، همانطور که در بالا دیدیم، گاهی اوقات برای راه اندازی دستگاه خروجی مانند موتور DC، توان بیشتری نسبت به توانی که توسط یک گیت منطقی معمولی یا میکرو کنترلر تامین می شود، مورد نیاز است. اگر دستگاه منطق دیجیتال نتواند جریان کافی را تامین کند، مدار اضافی برای راه اندازی دستگاه مورد نیاز است. یکی از تراشه های ترانزیستوری دارلینگتون که معمولاً مورد استفاده قرار می گیرد، آرایه ULN2003 است. 

خانواده آرایه‌های دارلینگتون شامل ULN2002A، ULN2003A و ULN2004A هستند که همگی آرایه‌های دارلینگتون با ولتاژ بالا و جریان بالا هستند که هر کدام شامل هفت جفت کلکتور باز دارلینگتون در یک بسته آی‌سی هستند. 

هر کانال از آرایه دارای 500 میلی آمپر است و می‌تواند جریان های اوج تا 600 میلی آمپر را تحمل کند و برای کنترل موتورهای کوچک یا لامپ ها یا گیت ها و پایه های نیمه هادی های پرقدرت ایده آل است. دیودهای سرکوب اضافی برای هدایت بار القایی گنجانده شده اند و ورودی ها در مقابل خروجی ها قرار می گیرند تا اتصالات و چیدمان برد را ساده کنند.

آرایه ترانزیستور دارلینگتون ULN2003A:

  ULN2003A یک آرایه ترانزیستور دارلینگتون تک قطبی ارزان قیمت با راندمان بالا و مصرف انرژی کم است که برای راندن طیف گسترده ای از بارها از جمله شیر برقی، رله موتورهای DC و نمایشگرهای LED یا لامپ های رشته ای مفید است. ULN2003A

 شامل هفت جفت ترانزیستور دارلینگتون است که هر کدام یک پایه ورودی در سمت چپ و یک پایه خروجی در مقابل آن در سمت راست نشان داده شده است.

آرایه ترانزیستور دارلینگتون ULN2003A:

درایور دارلینگتون ULN2003A دارای امپدانس ورودی و افزایش جریان بسیار بالایی است که می‌تواند مستقیماً از یک گیت منطقی CMOS TTL یا +5V هدایت شود. برای منطق +15 ولت CMOS از ULN2004A و برای ولتاژ سوئیچینگ بالاتر تا 100 ولت بهتر است از آرایه دارلینگتون SN75468 استفاده کنید.هنگامی که یک ورودی (پایه های 1 تا 7) “HIGH” رانده می شود، خروجی مربوطه جریان غوطه وری “LOW” را تغییر می دهد. 

به همین ترتیب، هنگامی که ورودی “LOW” رانده می شود، خروجی مربوطه به حالت امپدانس بالا تغییر می‌کند. این حالت “OFF” با امپدانس بالا، جریان بار را مسدود می‌کند و جریان نشتی را از طریق دستگاه کاهش می دهد و راندمان را بهبود می بخشد.

پایه 8، (GND) به زمین بار یا 0 ولت وصل می شود، درحالی‌که پایه 9 (Vcc) به منبع تغذیه بار وصل می شود. سپس هر بار باید بین +Vcc و یک پایه خروجی، پایه های 10 تا 16 وصل شود. برای بارهای القایی مانند موتور، رله و شیر برقی و غیره، پایه 9 همیشه باید به Vcc متصل شود.

 ULN2003A قادر است 500 میلی آمپر (0.5 آمپر) را در هر کانال سوئیچ کند، اما اگر به قابلیت جریان سوئیچینگ بیشتری نیاز باشد، هر دو ورودی و خروجی جفت دارلینگتون را می توان با هم موازی کرد تا قابلیت جریان بالاتری داشته باشد. به عنوان مثال، پایه های ورودی 1 و 2 به هم وصل شده اند و پایه های خروجی 16 و 15 به یکدیگر متصل شده اند تا بار را تغییر دهند.

نتیجه گیری ترانزیستور دارلینگتون:

ترانزیستور دارلینگتون یک دستگاه نیمه‌هادی با توان بالا است که دارای جریان و ولتاژ جداگانه‌ای است که چندین برابر ترانزیستورهای کوچک اتصال سیگنال کوچک معمولی دارد. مقادیر افزایش جریان DC برای ترانزیستورهای استاندارد NPN یا PNP با توان بالا نسبتاً پایین است، در مقایسه با ترانزیستورهای سوئیچینگ سیگنال کوچک، به‌اندازه 20 یا حتی کمتر. این بدان معنی است که جریان‌های پایه زیادی برای تغییر یک‌بار مشخص موردنیاز است. 

آرایش دارلینگتون از دو ترانزیستور پشت سر هم استفاده می‌کند که یکی از آن‌ها ترانزیستور اصلی حامل جریان است، درحالی‌که دیگری یک ترانزیستور “سوئیچینگ” بسیار کوچک‌تر، جریان پایه را برای حرکت ترانزیستور اصلی فراهم می‌کند. 

درنتیجه، یک جریان پایه کوچک‌تر می‌تواند برای تغییر جریان بار بسیار بزرگ‌تر استفاده شود، زیرا جریان DC دو ترانزیستور باهم ضرب می‌شود. سپس ترکیب دو ترانزیستور را می‌توان به‌عنوان یک ترانزیستور واحد با مقدار بسیار بالای β و درنتیجه مقاومت ورودی بالا در نظر گرفت. 

علاوه بر جفت ترانزیستورهای استاندارد PNP و NPN دارلینگتون، ترانزیستورهای مکمل Sziklai دارلینگتون نیز در دسترس هستند که از ترانزیستورهای مکمل NPN و PNP منطبق جداگانه تشکیل شده اند که در یک جفت دارلینگتون به هم متصل شده اند تا کارایی را بهبود بخشند. 

همچنین آرایه‌های دارلینگتون مانند ULN2003A در دسترس هستند که به بارهای القایی یا قدرت بالا مانند لامپ‌ها، سلونوئیدها و موتورها اجازه می‌دهند تا به‌طور ایمن توسط دستگاه‌های میکروپروسسور و میکروکنترلر در کاربردهای نوع رباتیک و مکاترونیک هدایت شوند.