زوج دارلینگتون – به زبان ساده (+ دانلود فیلم آموزش رایگان)

در آموزش‌های قبلی مجله فرادرس با ترانزیستورها و انواع آن‌ها از قبیل ماسفت و JFET و UJT آشنا شدیم. در این آموزش 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 $$I_b$$ برابر با صفر است، جریانی از کلکتور به امیتر نخواهد گذشت و بنابراین، ترانزیستور خاموش خواهد شد. اگر بیس با ولتاژی بیشتر از $$0.7$$ ولت بایاس مستقیم شود، جریان از کلکتور به سمت امیتر 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 $$I_b$$ از قطعه می‌گذرد و در نتیجه جریان کلکتور $$I_c$$ بزرگ شده و $$V_{ce}$$ کوچک 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 ($$\beta$$) به عنوان بهره جریان ترانزیستور شناخته می‌شود. مقدار معمول $$\beta$$ 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 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 $$\text{TR1}$$ جریان بیس ترانزیستور دوم $$\text {TR2}$$ است. بنابراین، مطابق شکل زیر، ترانزیستور $$\text {TR1}$$ به صورت امیتر فالوئر و $$\text{TR2}$$ به صورت تقویت‌کننده امیتر مشترک متصل می‌شوند.

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

برای مثال، با استفاده از زوج دارلینگتون NPN، کلکتور دو ترانزیستور به هم متصل شده و امیتر $$\text {TR1}$$ بیس $$\text{TR2}$$ را کنترل می‌کند. این پیکربندی موجب افزایش $$\beta$$ می‌شود، زیرا برای جریان $$i _b$$ بیس، جریان کلکتور $$\beta \times i _ b$$ را خواهیم داشت که بهره جریان بزرگتر از یک است و به صورت زیر تعریف می‌شود:

$$\large \begin {align*} I _ C & = I _ { C 1 } + I _ { C 2 } \\ I _ C & = \beta _ 1 \cdot I _ B + \beta _ 2 \cdot I _ { B 2 } \end {align*}$$

جریان بیس $$I _ { B 2}$$ برابر با جریان امیتر $$I _ {E 1 }$$ ترانزیستور اول است، زیرا امیتر $$\text {TR1}$$ به بیس $$\text {TR2}$$ متصل شده است. بنابراین، داریم:

$$\large I_ { B 2 } = I _ { E 1 } = I _ { C 1 } + I _ B = \beta _ 1 \cdot I _ B + I _ B = ( \beta _ 1 + 1 ) \cdot I _ B$$

با جایگذاری در معادله اول، می‌توان نوشت:

$$\large \begin {align*} I _ C & = \beta _ 1 I _ B + \beta _ 2 ( \beta _ 1 + 1 ) I _ B \\ I _ C & = \beta _ 1 I _ B + \beta _ 2 \beta _1 I _ B + \beta _2 I _B \\ I _ C & = \left ( \beta _ 1 + (\beta _2 \beta _1 ) + \beta _ 2 \right ) I _ B \end {align*}$$

که در آن $$\beta _ 1$$ و $$\beta _ 2$$ بهره‌های دو ترانزیستور هستند. در نتیجه، زوج دارلینگتون را می‌توان به عنوان ترانزیستوری در نظر گرفت که $$\beta$$ 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 $$12$$ ولتی با توان $$75$$‌ وات تشکیل داده‌اند. اگر بهره جریان مستقیم ترانزیستور اول $$25$$ و بهره جریان مستقیم ترانزیستور دوم $$80$$‌ باشد، 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:

$$\large I _ C = I _ \text {LAMP}$$

$$\large I _ \text {LAMP} = \frac { P } { V } = \frac { 75} { 12} = 6.25 \, \text {A}$$

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

$$\large \begin {align*} \beta _ 1 & = 25 \; \; \; \; \; \beta _ 2 = 80 \\ I _ C &= \left ( \beta _ 1 + ( \beta _ 2 \beta _ 1 ) + \beta _ 2 \right ) I _ B \\ I _ B &= \frac { I _ C } { \beta _ 1 + ( \beta _ 2 \beta _ 1 ) + \beta _ 2 } = \frac { 6.25 } { 2105 } = 3 \, \text {mA} \end {align*}$$

همان‌طور که می‌بینیم، جریان بیس بسیار کوچک است و می‌توان 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:

$$\large \begin {align*} \beta _ 1 & = \beta _ 2 \\ I _ C & = \left ( \beta _ 1 + (\beta _ 2 \beta _ 1 )+\beta _ 2 \right ) I _ B \\ I _ C & = ( \beta ^ 2 + 2 \beta ) I _B \end {align*}$$

عموماً مقدار $$\beta ^ 2$$ بسیار بزرگتر از $$2 \beta$$ است و برای سادگی محاسبات می‌توان از $$2 \beta$$ چشم پوشید. در نتیجه، معادله نهایی زوج دارلینگتون متشکل از دو ترانزیستور مشابه را می‌توان به صورت زیر نوشت:

$$\large I_C = ( \beta ^ 2 \times I _ B )$$

همان‌طور که می‌بینیم، برای دو ترانزیستور مشابه، بهره $$\beta ^ 2$$ است و مقدار آن بسیار زیاد است. زوج‌های دارلینگتون با بهره جریانی بیش از هزار و حداکثر جریان کلکتور چند آمپری مانند $$\text {NPN TIP120}$$ یا $$\text{PNP}$$ معادل آن، $$\text{TIP125}$$ موجود 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 $$1000$$ است، در حالی که یک ترانزیستور عادی بهره‌ای بین $$50$$ تا $$200$$ دارد.

یک زوج دارلینگتون با بهره $$1000:1$$ می‌تواند جریان خروجی یک آمپری را در مدار کلکتور-امیتر با جریان بیس ورودی $$1\, \text{mA}$$ سوئیچ 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 $$\text{TTL}$$ یا گیت منطقی $$\text {5V CMOS}$$ حساسیت دارد. حداکثر جریان کلکتور $$I_{C(max)}$$ برای هر زوج دارلینگتون مشابه تزانزیستور سوئیچینگ اصلی $$\text{TR2}$$ است، 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 $$0.3$$ تا $$0.7$$ ولت است، زوج دارلینگتون افت ولتاژی به اندازه دو برابر افت ولتاژ بیس-امیتر دارد (یعنی $$1.2$$ ولت به جای $$0.6$$ ولت)؛ زیرا افت ولتاژ بیس-امیتر ترانزیستور دارلینگتون، برابر با مجموع افت‌ ولتا‌ژهای دو ترانزیستور است که بسته به جریان ترانزیستور، می‌تواند بین $$0.6$$ تا $$1.5$$ ولت 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 $$\text{TR1}$$ ترانزیستور متبوع یا $$\text{TR2}$$ را کاملاً خاموش یا کاملاً روشن کند.

ترانزیستور زیکلای

برای غلبه بر پاسخ کند، افت ولتاژ زیاد و گرمای ترانزیستور دارلینگتون، می‌توان از تزانزیستورهای مکمل NPN و PNP با آرایش آبشاری یا همان متوالی استفاده کرد و یک ترانزیستور دیگر، به نام زوج زیکلای (Sziklai Pair) ساخت.

فیلم آموزش فیزیک الکترونیک – بخش یکم در فرادرس

کلیک کنید

زوج زیکلای به افتخار مخترع آن، جرج کلیفورد زیکلای (George Clifford Sziklai)، نامگذاری شده است و مکملی برای زوج دارلینگتون است. زوج زیکلای از دو ترانزیستور NPN و PNP متصل به یکدیگر تشکیل شده است.

این ترکیب آبشاری یا متوالی دو ترانزیستور NPN و PNP در زوج زیکلای همان عملکرد زوج دارلینگتون را دارد، با این تفاوت که فقط به $$0.6$$ ولت برای روشن شدن نیاز است. ترانزیستور زیکلای، مانند ترانزیستور دارلینگتون بهره جریانی برابر با $$\beta ^ 2$$ برای ترانزیستورهای منطبق یا مشابه دارد و اگر تزانزیستورهای آن مشابه نباشند، بهره زیکلای برابر با حاصل‌ضرب بهره دو ترانزیستور خواهد بود.

شکل زیر پیکربندی زیکلای را نشان می‌دهد.

افت ولتاژ بیس-امیتر ترانزیستور زیکلای برابر با افت ولتاژ دیود یک ترانزیستور تنها است. البته زوج زیکلای نمی‌تواند در افت ولتاژ کمتری از یک دیود (یعنی $$0.7$$ ولت به جای $$0.2$$ ولت رایج) اشباع شود.

همچنین، مشابه زوج دارلینگتون، زوج زیکلای نیز پاسخ زمانی کندی نسبت به یک ترانزیستور معمولی دارد. ترانزیستورهای مکمل زوج زیکلای معمولاً در طبقات خروجی تقویت‌کننده‌های پوش پول (Push-Pull) و تقویت‌کننده‌های صوتی کلاس AB به کار می‌روند.

آی‌سی‌های ترانزیستور دارلینگتون

در اغلب کاربردهای الکترونیکی، کنترل مدار برای سوئیچ یک ولتاژ یا جریان خروجی DC برای برخی قطعات مانند LEDها به فقط چند میلی‌آمپر برای کار در ولتاژ پایین نیاز دارد و می‌توان آن را مستقیماً با خروجی یک گیت منطقی استاندارد تأمین کرد.

البته گاهی توان بیشتری از یک گیت منطقی معمولی یا میکروکنترلر برای سوئیچ دستگاهی مانند یک موتور DC نیاز داریم. اگر قطعه دیجیتال نتواند جریان کافی را تأمین کند، آن‌گاه به مدارهای اضافه نیاز خواهیم داشت.

یکی از تراشه‌های متداول ترانزیستور دارلینگتون آرایه $$\text {ULN2003}$$ است. خانواده این آرایه‌های دارلینگتون از $$\text{ULN2002A}$$، $$\text{ULN2003A}$$ و $$\text {ULN2004A}$$ تشکیل شده‌اند که همه، آرایه‌های دارلینگتونی با ولتاژ و جریان بالا هستند. هر کدام از این آرایه‌ها شامل هفت زوج دارلینگتون کلکتور باز هستند که در یک IC تعبیه شده‌اند.

آرایه دارلینگتون $$\Large \text {ULN2003A}$$

$$\text {ULN2003A}$$ یک آرایه ترانزیستور دارلینگتون تک‌قطبی ارزان با بازده بالا و مصرف توان پایین است که برای راه‌اندازی بارهای مختلفی مانند سلونوئیدها، موتورهای DC و نمایشگرهای LED یا لامپ‌های فیلمان مورد استفاده قرار می‌گیرد. آرایه $$\text{ULN2003A}$$، مطابق شکل زیر، از هفت زوج دارلینگتون با یک پین ورودی در سمت چپ و یک پین خروجی در سمت راست تشکیل شده است.

درایور دارلینگتون $$\text {ULN2003A}$$ امپدانس ورودی و بهره جریان بالایی دارد که می‌تواند مستقیماً از یک $$\text{TTL}$$ یا گیت منطقی $$\text {+5V CMOS}$$ درایو شود. برای منطق $$\text{+15V CMOS}$$ از $$\text {ULN2004A}$$ و برای ولتاژهای سوئیچینگ بالاتر تا $$100\, \text{V}$$ بهتر است از آرایه دارلینگتون $$\text{SN75468}$$ استفاده کنیم.

وقتی به یک ورودی (پین‌های $$1$$ تا $$7$$)، سیگنال HIGH اعمال می‌شود، خروجی متناظر با آن LOW شده و جریان می‌کشد. به طور مشابه، وقتی ورودی LOW باشد، خروجی متناظر با آن به یک وضعیت امپدانس بالا سوئیچ خواهد شد. این وضعیت OFF امپدانس بالا جریان بار را سد می‌کند و جریان نشتی را کاهش و بازده را بهبود می‌دهد.

پین $$8$$ (GND) به زمین بارها یا $$0$$ ولت وصل می‌شود، در حالی که پین $$9$$ ($$\text{Vcc}$$) به تغذیه بارها متصل می‌گردد. در نتیجه، هر بار باید بین $$\text{+Vcc}$$ و یک پین خروجی (پین‌های $$10$$ تا $$16$$) متصل شود. در بارهای القایی مانند موتورها، رله‌ها و سولنوئیدها، پین $$9$$ همیشه باید به $$\text{Vcc}$$ متصل گردد.

آی‌سی $$\text {ULN2003A}$$ قابلیت سوئیچینگ $$500\text{ mA}$$ را در هر کانال دارد، اما اگر جریان سوئیچینگ بیشتری لازم باشد، می‌توان ورودی‌ها و خروجی‌های زوج‌های دارلینگتون را با یکدیگر موازی کرد. برای مثال، می‌توان پین‌های ورودی $$1$$ و $$2$$ و نیز پین‌های خروجی $$16$$ و $$15$$ را به یکدیگر متصل و بار را سوئیچ کرد.

جمع‌بندی

ترانزیستور یا زوج دارلینگتون یک قطعه نیمه‌هادی با توان بالا است که اغلب ولتاژ و جریان بالاتری نسبت به یک ترانزیستور پیوندی سیگنال کوچک متداول دارد.

مقادیر بهره جریان DC ترانزیستورهای توان بالای NPN و PNP نسبت به ترانزیستورهای سوئیچینگ سیگنال کوچک نسبتاً کم و حدود $$20$$ یا کمتر از آن است. این یعنی برای سوئیچ بار، به جریان‌های بزرگ بیس نیاز داریم.

آرایش دارلینگتون از دو ترانزیستور پشت به پشت تشکیل شده که یکی ترانزیستور حامل جریان اصلی و دیگری یک ترانزیستور سوئیچینگ بسیار کوچکتر است که جریان بیس ترانزیستور اصلی را تأمین می‌کند. در نتیجه، با یک جریان بیس کمتر می‌توان بارهای بزرگ را سوئیچ کرد، زیرا بهره دو ترانزیستور در یکدیگر ضرب می‌شود. ترکیب دو ترانزیستور را می‌توان به عنوان یک ترانزیستور واحد در نظر گرفت که مقدار $$\beta$$ و در نتیجه مقاومت ورودی آن بزرگ است.

مشابه زوج دارلینگتون استاندارد PNP و NPN، زوج زیکلای نیز وجود دارد که از یک ترانزیستور NPN و یک ترانزیستور PNP تشکیل می‌شود. زوج زیکلای نسبت به زوج دارلینگتون مشابه خود، بازدهی بیشتری دارد.

آرایه‌های دارلینگتون مانند $$\text {ULN2003A}$$ نیز در دسترس هستند و قابلیت عملکرد در توان‌های بالا و یا بارهای القایی مانند لامپ‌ها سولنوئیدها و موتورها را برای درایو ایمن توسط میکروپروسسور و میکروکنترلر در کاربردهای رباتیک و مکاترونیک دارند.

اگر علاقه‌مند به یادگیری مباحث مشابه مطلب بالا هستید، آموزش‌هایی که در ادامه آمده‌اند نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• تقویت کننده‌های الکترونیکی — مجموعه مقالات جامع وبلاگ فرادرس
• دیود زنر — به زبان ساده
• یکسوساز تمام موج — به زبان ساده

^^