ساختار زوج دارلینگتون در ترانزیستور

ساختار زوج دارلینگتون در ترانزیستور:
«ترانزیستور دارلینگتون» (Darlington Transistor) که به «زوج دارلینگتون» (Darlington Pair) نیز مشهور است، توسط سیدنی دارلینگتون (Sideny Darlington) اختراع شد.

این ترانزیستور آرایش ویژه ای از دو ترانزیستور پیوندی دوقطبی NPN یا PNP است که به یکدیگر متصل شده اند.

در این پیکربندی، امیتر یکی از ترانزیستورها به بیس ترانزیستور دیگر متصل می شود و یک ترانزیستور حساس تر می سازد که بهره جریان بسیار بیشتری دارد و در کاربردهایی که تقویت یا سوئیچینگ جریان لازم است مورد استفاده قرار می گیرد.

زوج دارلینگتون را می توان 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 جریان های متنوع برای هر دو نوع PNP و NPN در دسترس است.

همان طور که می دانیم، یک ترانزیستور مشابه شکل زیر می تواند به عنوان یک سوئیچ روشن/خاموش عمل کند.

وقتی بیس ترانزیستور NPN زمین می شود (صفر ولت) و جریان بیس Ib برابر با صفر است، جریانی از امیتر به کلکتور نخواهد گذشت و بنابراین، ترانزیستور خاموش خواهد شد. اگر بیس با ولتاژی بیشتر از 0.7 ولت بایاس مستقیم شود، جریان از امیتر به سمت کلکتور عبور خواهد کرد و در این حالت می گوییم ترانزیستور روشن است.

وقتی ترانزیستور در این دو مُد یا حالت کار کند، به عنوان یک سوئیچ یا کلید شناخته می شود.

مسئله ای که در این جا وجود دارد، این است که بیس ترانزیستور را باید بین صفر و یک مقدار مثبت سوئیچ کرد تا ترانزیستور در نقطه ای که جریان بیس Ib از قطعه می گذرد و در نتیجه جریان کلکتور Ic بزرگ شده و Vce کوچک می شود اشباع شود.

در نتیجه، با یک جریان کوچک بیس می توانیم یک جریان بزرگ تر بین کلکتور و امیتر را کنترل کنیم.

نسبت جریان کلکتور به جریان بیس (β) به عنوان بهره جریان ترانزیستور شناخته می شود. مقدار معمول β برای یک ترانزیستور دوقطبی استاندارد بین 50 تا 200 است 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 راه های افزایش بهره استفاده از زوج دارلینگتون است.

یک پیکربندی ترانزیستور دارلینگتون که به عنوان زوج دارلینگتون یا «مدار سوپرآلفا» (Super-Alpha Circuit) شناخته می شود، از دو ترانزیستور NPN یا PNP متصل به یکدیگر تشکیل شده است؛ به طوری که جریان امیتر ترانزیستور اول TR1 جریان بیس ترانزیستور دوم TR2 است.

بنابراین، مطابق شکل زیر، ترانزیستورTR1به صورت امیتر فالوئر و TR2به صورت تقویت کننده امیتر مشترک متصل می شوند.

در زوج دارلینگتون، جریان کلکتور ترانزیستور تابع (Slave) یا کنترل TR1 همفاز با ترانزیستور سوئیچینگ متبوع (Master)TR2 است.

برای مثال، با استفاده از زوج دارلینگتون NPN، کلکتور دو ترانزیستور به هم متصل شده و امیتر TR1 بیس TR2 را کنترل می کند.

این پیکربندی موجب افزایش β می شود، زیرا برای جریانibبیس، جریان کلکتور β×ib را خواهیم داشت که بهره جریان بزرگ تر از یک است و به صورت زیر تعریف می شود:

جریان بیس IB2 برابر با جریان امیترIE1 ترانزیستور اول است، زیرا امیتر TR1 به بیس TR2 متصل شده است. بنابراین، داریم:

با جایگذاری در معادله اول، می توان نوشت:

که در آن β1 و β2 بهره های دو ترانزیستور هستند. در نتیجه، زوج دارلینگتون را می توان به عنوان ترانزیستوری در نظر گرفت که β بسیار بزرگ و در نتیجه مقاومت ورودی بزرگی دارد.

مثال 1:
دو ترانزیستور NPN به یکدیگر متصل شده و زوج دارلینگتونی را برای سوئیچ کرن یک لامپ هالوژن12 ولتی با توان 75 وات تشکیل داده اند.

اگر بهره جریان مستقیم ترانزیستور اول 25 و بهره جریان مستقیم ترانزیستور دوم 80 باشد، با صرف نظر 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 می کنیم که برابر با جریان کلکتور ترانزیستور دوم است:

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

همان طور که می بینیم، جریان بیس بسیار کوچک است و می توان با یک گیت دیجیتال پورت خروجی میکروکنترلر، لامپ 75 واتی 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 β2 بسیار بزرگ تر از 2β است و برای سادگی محاسبات می توان از 2β چشم پوشید. در نتیجه، معادله نهایی زوج دارلینگتون متشکل از دو ترانزیستور مشابه را می توان به صورت زیر نوشت:

همان طور که می بینیم، برای دو ترانزیستور مشابه، بهرهβ2 است و مقدار آن بسیار زیاد است. زوج های دارلینگتون با بهره جریانی بیش از هزار و حداکثر جریان کلکتور چند آمپری مانند NPN TIP120 یا PNP معادل آن، TIP125موجود 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 بزرگ تر نیاز دارد.

بهره یک زوج دارلینگتون معمولاً بیشتر از1000 است، در حالی که یک ترانزیستور عادی بهره ای بین 50 تا 200 دارد.

یک زوج دارلینگتون با بهره 1000:1 می تواند جریان خروجی یک آمپری را در مدار کلکتور-امیتر با جریان بیس ورودی 1mA سوئیچ کند.

این امر سبب می شود ترانزیستور دارلینگتون به عنوان واسط رله ها، لامپ ها و موتورها برای میکروکنترلرهای توان پایین، کامپیوترها یا کنترل کننده های منطقی گزینه ایده آلی باشد. شکل زیر کاربرد تزانزیستور دارلینگتون را نشان می دهد.

بیس ترانزیستور دارلینگتون به اندازه کافی برای هر گونه جریان ورودی کوچک از یک سوئیچ یا مستقیماً از یک
TTL یا گیت منطقی 5V CMOS حساسیت دارد.

حداکثر جریان کلکتو IC(max) برای هر زوج دارلینگتون مشابه تزانزیستور سوئیچینگ اصلی TR2 است، بنابراین می توان از آن در رله ها، موتورهای DC، سلونوئیدها و لامپ ها 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 0.3 تا 0.7 ولت است، زوج دارلینگتون افت ولتاژی به اندازه دو برابر افت ولتاژ بیس-امیتر دارد (یعنی1.2ولت به جای0.6 ولت)؛ زیرا افت ولتاژ بیس-امیتر ترانزیستور دارلینگتون، برابر با مجموع افت ولتا ژهای دو ترانزیستور است که بسته به جریان ترانزیستور، می تواند بین0.6تا1.5ولت است.

این افت ولتاژ بالای بیس-امیتر به این معنی است که ترانزیستور دارلینگتون ممکن است نسبت به یک ترانزیستور عادی داغ تر 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 می کشد که ترانزیستور تابع یاTR1ترانزیستور متبوع یاTR2را کاملاً خاموش یا کاملاً روشن کند.