زوج دارلینگتون به همراه مثال - بخش اول

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز، در این مقاله ترانزیستور یا زوج دارلینگتون را معرفی خواهیم کرد.

 

ساختار زوج دارلینگتون

«ترانزیستور دارلینگتون» (Darlington Transistor) که به «زوج دارلینگتون» (Darlington Pair) نیز مشهور است، توسط سیدنی دارلینگتون (Sideny Darlington) اختراع شد. این ترانزیستور آرایش ویژه‌ای از دو ترانزیستور پیوندی دوقطبی NPN یا PNP است که به یکدیگر متصل شده‌اند. در این پیکربندی، امیتر یکی از ترانزیستور‌ها به بیس ترانزیستور دیگر متصل می‌شود و یک ترانزیستور حساس‌تر می‌سازد که بهره جریان بسیار بیشتری دارد و در کاربرد‌هایی که تقویت یا سوئیچینگ جریان لازم است مورد استفاده قرار می‌گیرد.

زوج دارلینگتون را می‌توان از دو ترانزیستور مجزا ساخت. البته این ترانزیستور در یک بسته و به صورت مجتمع نیز موجود است که سه پایه بیس و امیتر و کلکتور دارد. زوج دارلینگتون در انواع مختلف و ولتاژ‌ها و جریان‌های متنوع برای هر دو نوع PNP و NPN در دسترس است.

همان‌طور که می‌دانیم، یک ترانزیستور مشابه شکل زیر می‌تواند به عنوان یک سوئیچ روشن/خاموش عمل کند.



وقتی بیس ترانزیستور NPN زمین می‌شود (صفر ولت) و جریان بیس Ibبرابر با صفر است، جریانی از امیتر به کلکتور نخواهد گذشت و بنابراین، ترانزیستور خاموش خواهد شد. اگر بیس با ولتاژی بیشتر از ۰.۷ولت بایاس مستقیم شود، جریان از امیتر به سمت کلکتور عبور خواهد کرد و در این حالت می‌گوییم ترانزیستور روشن است. وقتی ترانزیستور در این دو مُد یا حالت کار کند، به عنوان یک سوئیچ یا کلید شناخته می‌شود.

مسئله‌ای که در این‌جا وجود دارد، این است که بیس ترانزیستور را باید بین صفر و یک مقدار مثبت سوئیچ کرد تا ترانزیستور در نقطه‌ای که جریان بیس Ibاز قطعه می‌گذرد و در نتیجه جریان کلکتور Ic بزرگ شده و Vceکوچک می‌شود اشباع شود. در نتیجه، با یک جریان کوچک بیس می‌توانیم یک جریان بزرگتر بین کلکتور و امیتر را کنترل کنیم.

نسبت جریان کلکتور به جریان بیس (β) به عنوان بهره جریان ترانزیستور شناخته می‌شود. مقدار معمول β. برای یک ترانزیستور دوقطبی استاندارد بین ۵۰ تا ۲۰۰است و برای ترانزیستور‌هایی با مشخصات برابر نیز متفاوت است. در برخی موارد که بهره جریان یک ترانزیستور برای تغذیه یک بار بسیار کم باشد، یکی از راه‌های افزایش بهره استفاده از زوج دارلینگتون است.

یک پیکربندی ترانزیستور دارلینگتون که به عنوان زوج دارلینگتون یا «مدار سوپرآلفا» (Super-Alpha Circuit) شناخته می‌شود، از دو ترانزیستور NPN یا PNP متصل به یکدیگر تشکیل شده است؛ به طوری که جریان امیتر ترانزیستور اول TR۱جریان بیس ترانزیستور دوم TR۲ است. بنابراین، مطابق شکل زیر، ترانزیستور TR۱ به صورت امیتر فالوئر و TR۲به صورت تقویت‌کننده امیتر مشترک متصل می‌شوند.

در زوج دارلینگتون، جریان کلکتور ترانزیستور تابع (Slave) یا کنترل TR۱همفاز با ترانزیستور سوئیچینگ متبوع (Master) TR۲است.



برای مثال، با استفاده از زوج دارلینگتون NPN، کلکتور دو ترانزیستور به هم متصل شده و امیتر TR۱بیس TR۲ را کنترل می‌کند. این پیکربندی موجب افزایش β. می‌شود، زیرا برای جریان ib بیس، جریان کلکتور β×ibرا خواهیم داشت که بهره جریان بزرگتر از یک است و به صورت زیر تعریف می‌شود:



جریان بیس IB۲برابر با جریان امیتر IE۱ ترانزیستور اول است، زیرا امیتر TR۱ به بیس TR۲متصل شده است. بنابراین، داریم:



با جایگذاری در معادله اول، می‌توان نوشت:



که در آن β۱و β۲ بهره‌های دو ترانزیستور هستند. در نتیجه، زوج دارلینگتون را می‌توان به عنوان ترانزیستوری در نظر گرفت که β.
بسیار بزرگ و در نتیجه مقاومت ورودی بزرگی دارد.

مثال ۱

دو ترانزیستور NPN به یکدیگر متصل شده و زوج دارلینگتونی را برای سوئیچ کرن یک لامپ هالوژن ۱۲ولتی با توان ۷۵ وات تشکیل داده‌اند. اگر بهره جریان مستقیم ترانزیستور اول ۲۵ و بهره جریان مستقیم ترانزیستور دوم ۸۰باشد، با صرف‌نظر از هر گونه افت ولتاژ در دو ترانزیستور، حداکثر جریان بیس لازم را برای کاملاً روشن کردن لامپ محاسبه کنید.

حل: ابتدا جریان مصرفی لامپ را محاسبه می‌کنیم که برابر با جریان کلکتور ترانزیستور دوم است:



با استفاده از معادله بالا، جریان بیس به صورت زیر به دست می‌آید:‌



همان‌طور که می‌بینیم، جریان بیس بسیار کوچک است و می‌توان با یک گیت دیجیتال پورت خروجی میکروکنترلر، لامپ ۷۵واتی را خاموش و روشن کرد.

اگر از دو ترانزیستور دوقطبی مشابه برای ساختن یک زوج دارلینگتون استفاده کنیم، بهره نهایی به صورت زیر خواهد بود:


عموماً مقدار β۲بسیار بزرگتر از ۲β است و برای سادگی محاسبات می‌توان از ۲βچشم پوشید. در نتیجه، معادله نهایی زوج دارلینگتون متشکل از دو ترانزیستور مشابه را می‌توان به صورت زیر نوشت:



همان‌طور که می‌بینیم، برای دو ترانزیستور مشابه، بهره β۲است و مقدار آن بسیار زیاد است. زوج‌های دارلینگتون با بهره جریانی بیش از هزار و حداکثر جریان کلکتور چند آمپری مانند NPN TIP۱۲۰ یا PNP معادل آن، TIP۱۲۵موجود هستند.

مزیت استفاده از چنین ترکیبی این است که ترانزیستور سوئیچینگ حساسیت بیشتری خواهد داشت، زیرا به جریان بیس کمی برای سوئیچ یک جریان بار بسیار بزرگتر نیاز دارد. بهره یک زوج دارلینگتون معمولاً بیشتر از ۱۰۰۰است، در حالی که یک ترانزیستور عادی بهره‌ای بین ۵۰ تا ۲۰۰دارد.

یک زوج دارلینگتون با بهره ۱۰۰۰:۱‌می‌تواند جریان خروجی یک آمپری را در مدار کلکتور-امیتر با جریان بیس ورودی ۱mAسوئیچ کند. این امر سبب می‌شود ترانزیستور دارلینگتون به عنوان واسط رله‌ها، لامپ‌ها و موتور‌ها برای میکروکنترلر‌های توان پایین، کامپیوتر‌ها یا کنترل‌کننده‌های منطقی گزینه ایده‌آلی باشد. شکل زیر کاربرد تزانزیستور دارلینگتون را نشان می‌دهد.



بیس ترانزیستور دارلینگتون به اندازه کافی برای هر گونه جریان ورودی کوچک از یک سوئیچ یا مستقیماً از یک TTLیا گیت منطقی ۵V CMOS حساسیت دارد. حداکثر جریان کلکتور IC (max) برای هر زوج دارلینگتون مشابه تزانزیستور سوئیچینگ اصلی TR۲است، بنابراین می‌توان از آن در رله‌ها، موتور‌های DC، سلونوئید‌ها و لامپ‌ها و… استفاده کرد.

یکی از معایب اصلی زوج ترانزیستور دارلینگتون، افت ولتاژ بین بیس و امیتر در هنگام اشباع کامل است. برخلاف یک ترانزیستور معمولی که افت ولتاژ اشباع آن در هنگام کاملاً روشن بودن بین ۰.۳تا ۰.۷ ولت است، زوج دارلینگتون افت ولتاژی به اندازه دو برابر افت ولتاژ بیس-امیتر دارد (یعنی ۱.۲ ولت به جای ۰.۶ ولت)؛ زیرا افت ولتاژ بیس-امیتر ترانزیستور دارلینگتون، برابر با مجموع افت ولتا‌ژهای دو ترانزیستور است که بسته به جریان ترانزیستور، می‌تواند بین ۰.۶ تا ۱.۵ولت است.

این افت ولتاژ بالای بیس-امیتر به این معنی است که ترانزیستور دارلینگتون ممکن است نسبت به یک ترانزیستور عادی داغ‌تر شود و در نتیجه، به هیت سینک مناسب نیاز داشته باشد. همچنین، ترانزیستور‌های دارلینگتون پاسخ زمانی خاموش-روشن (ON-OFF) کُندی دارند، زیرا مقداری طول می‌کشد که ترانزیستور تابع یا TR۱ترانزیستور متبوع یا TR۲ را کاملاً خاموش یا کاملاً روشن کند.