زوج دارلینگتون

زوج دارلینگتون

ترانزیستور دارلینگتون با توجه به نام مخترع آن سیدنی دارلینگتون نامگذاری شده است، که در واقع ترتیب خاصی از اتصال دو ترانزیستور دوقطبی پیوندی PNP یا NPN است. پایه ی امیتر یکی از ترانزیستورها به پایه ی بیس ترانزیستور دیگر متصل می شود، که باعث می شود ترانزیستوری حساس تر با بهره ی جریان بالاتر داشته باشیم. این ترانزیستور جهت استفاده در کاربردهایی که به تقویت یا سوئیچینگ جریان نیاز داریم، مفید است.

زوج های دارلینگتون می توانند بوسیله ی دو ترانزیستور جداگانه ی دوقطبی که به یکدیگر متصل می شوند ساخته شوند، و یا می توان از قطعه ی منفردی استفاده کرد که بطور تجاری در یک پکیج بصورت استاندارد با پایه های اتصال کلکتور، امیترو بیس تولید شده است و در انواع مختلفی از نظر اندازه و شکل و ولتاژ (جریان) بصورت PNP و NPN موجود است.

همانطور که در مقاله ی آموزشی “ترانزیستور به عنوان سوئیچ” گفته شد، ترانزیستورهای BJT هم می توانند بصورت تقویت کننده و هم به صورت یک سوئیچ روشن – خاموش کننده مورد استفاده قرار گیرند.

ترانزیستور دو قطبی به عنوان سوئیچ

هنگامی که بیس یک ترانزیستور NPN زمین می شود (صفر ولت)، جریان بیس نداریم و Ib صفر است در نتیجه هیچ جریانی از امیتر به کلکتور وجود ندارد و ترانزیستور در حالت خاموش قرار دارد. اگر بیس با ولتاژی بیش از 0.7 ولت بایاس شود، جریانی از امیتر به کلکتور جاری خواهد شد و ترانزیستور روشن می شود. وقتی ترانزیستور به این صورت و در این دوحالت عمل می کند، در واقع به عنوان یک سوئیچ عمل می کند.

مسئله این است که باید بیس ترانزیستور بین صفر و یک ولتاژ مثبت سوئیچ شود به نحوی که ترانزیستور در آن ولتاژ اشباع شود. یک افزایش کوچک در جریان بیس (Ib) موجب افزایش بزرگتری در جریان کلکتور (Ic) می شود، در حالیکه Vce کوچک است. پس می توان دید که یک جریان کوچک در بیس می تواند جریان بسیار بزرگی را که بین کلکتور و امیتر جاری می شود را کنترل کند.

نسبت جریان کلکتور به جریان بیس به عنوان بهره ی جریان ترانزیستور (β) شناخته می شود. مقادیر معمول برای β در ترانزیستورهای دوقطبی استاندارد در محدوده ی بین 50 تا 200 متغیر است و حتی بین ترانزیستورهای با شماره قطعه ی یکسان (part number) نیز متفاوت می باشد. در برخی از موارد که بهره ی جریان یک ترانزیستور برای راه اندازی یک بار بسیار پایین است، یک راه حل برای افزایش بهره استفاده از زوج دارلینگتون است.

تنظیمات ترانزیستور دارلینگتون که به عنوان “زوج دارلینگتون” یا “مدار سوپر آلفا” نیز شناخته می شود، شامل دو ترانزیستور NPN یا PNP متصل به یکدیگراست به نحوی که جریان امیتر ترانزیستور اول (TR1) در واقع جریان بیس ترانزیستور دوم (TR2) میشود. پس همان طور که در شکل نشان داده شده است، ترانزیستور اول (TR1) بصورت امیتر فالوور و ترانزیستور دوم (TR2) بصورت تقویت کننده ی امیتر مشترک متصل شده اند.

توجه کنید که در تنظیمات زوج دارلینگتون، جریان کلکتور ترانزیستور کنترل (TR1) هم فاز با ترانزیستور سوئیچینگ اصلی (TR2) است.

تنظیمات اصلی ترانزیستور دارلینگتون

به عنوان مثال یک زوج دارلینگتون NPN را در نظر می گیریم، کلکتور دو ترانزیستور به یکدیگر متصل شده است، و امیتر ترانزیستور TR1 بیس ترانزیستور TR2 را راه اندازی می کند. این نحوه ی اتصال موجب ضرب شدن مقادیر β دو ترانزیستور در یکدیگر می شود، زیرا اگر جریان بیس Ib باشد، جریان کلکتور بصورت β.Ib خواهد بود که بهره ی جریان در آن بزرگتر ویا مساوی یک است، و بصورت زیر تعریف می شود:

ولی از آنجایی که امیتر ترانزیستور اول (TR1) به بیس ترانزیستور دوم (TR2) وصل شده است، جریان بیس ترانزیستور دوم (Ib2)، مساوی با جریان امیتر ترانزیستور اول (Ie1) است. بنابراین :

با قرار دادن در معادله ی اول :

که β1 و β2 بهره جریان هر کدام از ترانزیستورها است.

این بدین معناست که بهره ی جریان کلی (β) ، از حاصل ضرب بهره ی ترانزیستور اول در ترانزیستور دوم بدست می آید. یعنی بهره های جریان در یکدیگر ضرب می شوند. به عبارت دیگر یک جفت ترانزیستور دوقطبی برای ایجاد یک زوج دارلینگتون به یکدیگر متصل شده اند که به تنهایی می تواند به عنوان یک ترانزیستور با بهره ی جریان بسیار بالا و در نتیجه مقاومت ورودی بسیار بالا در نظر گرفته شود.

مثال از ترانزیستور دارلینگتون

دو ترانزیستور NPN را در نظر بگیرید که بصورت زوج دارلینگتون جهت سوئیچ کردن یک لامپ هالوژن 12 ولت و 75 وات، به یکدیگر متصل شده اند. اگر بهره ی جریان ترانزیستور اول 25 و بهره ی جریان ترانزیستور دوم 80 باشد، با صرف نظر کردن از افت ولتاژ ترانزیستورها، ماکزیمم جریان مورد نیاز در بیس که بتواند لامپ را روشن کند محاسبه کنید.

حل مسئله:

جریانی که از لامپ عبور می کند و باعث روشن شدن آن می شود، در واقع همان جریان کلکتور ترانزیستور دوم است. پس :

با استفاده از معادله ی بالا، جریان بیس به صورت زیر محاسبه می شود:

پس می توان دید که یک جریان بسیار کوچک 3 میلی آمپری در بیس، که در حدود جریانی است که توسط گیت های منطقی یا خروجی پایه های میکرو کنترلر تغذیه می شود، می تواند برای روشن و خاموش کردن یک لامپ 75 واتی استفاده شود.

اگر از دو ترانزیستور دوقطبی یکسان برای ساختن دارلینگتون استفاده کنیم، پس β1 مساوی β2 است و بهره ی جریان کلی بصورت زیر محاسبه می شود:

به طور کلی مقدار بسیار بزرگتر از است، که می تواند برای ساده سازی محاسبات ریاضی نادیده گرفته شود. پس معادله ی نهایی برای دو ترانزیستور یکسان که به فرم زوج دارلینگتون به یکدیگر متصل شده اند در نهایت به صورت زیر است:

ترانزیستورهای دارلینگتون یکسان

پس می توان دید که برای ترانزیستورهای یکسان، بجای β استفاده می شود، که مانند یک ترانزیستور بزرگ با بهره ی جریان بسیار بالا عمل می کند. زوج های دارلینگتون با بهره های جریان بالاتر از هزار و حداکثر جریان حدود چندین آمپر به راحتی قابل دستیابی هستند. به عنوان مثال ترانزیستور NPNمدل TIP120و یا PNPنظیر آن مدل TIP125.

مزیت استفاده از چنین نحوه ی اتصالی این است که حساسیت ترانزیستور سوئیچ کننده بسیار بالا می باشد، به نحوی که تنها یک جریان بسیار کوچک میتواند باعث سوئیچ کردن جریانهای بار بسیار بالا باشد. بطوری که در جایی که بهره ی جریان یک ترانزیستور دو قطبی به تنهایی در حدود 50 تا 200 است، بهره ی جریان ترکیب دارلینگتون بیش از 1000 می باشد.

پس می توان دید که زوج دارلینگتون با بهره ی 1000 می تواند با جریان ورودی تنها 1 میلی آمپر در بیس، جریان 1 آمپر را در مدار کلکتور-امیتر خود سوئیچ کند. چنین مزیتی ترانزیستورهای دارلینگتون را برای اتصال با رله ها، لامپ ها، موتورهای توان پائین، میکروکنترلر، کامپیوتر یا کنترل کننده های منطقی، ایده آل می سازد.

کاربرد زوج دارلینگتون

حساسیت بیس ترانزیستور دارلینگتون به اندازه ای است که به کوچکترین جریان ورودی که از یک سوئیچ یا از یک گیت منطقی TTL ویا CMOS 5 ولت باشد، پاسخ می دهد. حداکثر جریان کلکتور (Ic max) در ترانزیستور دارلینگتون، برابر با حداکثر جریان کلکتور ترانزیستور سوئیچ کننده (TR2) است که می تواند جهت راه اندازی رله ها، موتورهای DC، سلونوئیدها (سیم پیچ ها) و لامپ ها مورد استفاده قرار گیرد.

یکی از بزرگترین معایب زوج دارلینگتون، میزان افت ولتاژ زیاد بین بیس و امیتر آن در حالتی است که کاملا اشباع شده است. بر خلاف یک ترانزیستور منفرد که ولتاژ اشباع آن زمانی که بطور کامل روشن شده ، حدود 0.3 تا 0.7 ولت می باشد؛ در ترانزیستور دارلینگتون دو برابر این مقدار افت ولتاژ داریم( 1.2 ولت بجای 0.6 ولت) بطوری که افت ولتاژ بیس- امیتر آن، برابر با مجموع افت ولتاژ در دیودهای بیس- امیتر هر کدام از ترانزیستورها می شود که وابسته به جریان ترانزیستور بین 0.6 تا 1.5 ولت متغیر است.

این میزان بالای افت ولتاژ در بیس- امیتر به این معناست که ترانزیستور دارلینگتون نسبت به یک ترانزیستور دوقطبی معمولی ، برای میزان معینی از جریان بار گرم تر می شود و نیاز به تهویه ی حرارتی مناسب دارد. همچنین ترانزیستورهای دارلینگتون پاسخ زمانی کندتری برای روشن و خاموش شدن دارند، بطوری که زمان بیشتری طول می کشد تا ترانزیستور TR1 بتواند ترانزیستور اصلی TR2 را کاملا خاموش یا کاملا روشن نماید.

برای غلبه بر معایب پاسخ زمانی آهسته، افت ولتاژ بالا و تلفات حرارتی در ترانزیستورهای دارلینگتون، می توان ترانزیستورهای مکمل PNP و NPN را بصورت کاسکود (آبشاری) به یکدیگر متصل نمود که فرم دیگری از ترانزیستور دارلینگتون را ایجاد می نماید که فرم زیکلای (sziklai) نامیده می شود.

زوج زیکلای

زوج دارلینگتون زیکلای به دلیل نام مخترعش جورج زیکلای (George Sziklai)، این گونه نام گذاری شد؛ که در واقع نوعی از ترکیب دارلینگتون است که شامل ترانزیستورهای مکمل NPN و PNP مجزا می باشد که مانند شکل به یکدیگر متصل شده اند.

این ترکیب کاسکود (آبشاری) از ترانزیستورهای NPN و PNP این مزیت را دارد که زوج زیکلای (sziklai pair) همان عملکرد زوج دارلینگتون را دارد به جز اینکه برای روشن شدن فقط به 0.6 ولت نیاز دارد و مانند تنظیمات دارلینگتون استاندارد، بهره ی جریان در حالتی که ترانزیستورهای مشابه به یکدیگر متصل شده اند برابر با می باشد، در صورتی که ترانزیستورها یکسان نباشند بهره ی جریان از حاصل ضرب بهره های جریان هر کدام از ترانزیستورها بدست می آید.

آرایش ترانزیستور دارلینگتون زیکلای

همان طور که در شکل مشاهده می شود، می توان دید که افت ولتاژ بیس-امیتر ترانزیستور زیکلای برابر با افت ولتاژ دیود بیس-امیتر تنها یک ترانزیستور در مسیر است، اما تنظیمات زیکلای نمی تواند به زیر مقدار افت ولتاژ کامل یک دیود اشباع شود.(یعنی 0.7 ولت به جای 0.2 ولت معمول)

همچنین مانند زوج دارلینگتون، زوج زیکلای نیز پاسخ زمانی کندتری نسبت به یک ترانزیستور تنها دارد. ترانزیستورهای مکمل زوج زیکلای به طور معمول در تقویت کننده های صوتی کلاس A-B و یا تقویت کننده های Push-Pull استفاده می شود. هر دو ترانزیستور دارلینگتون و زیکلای در انواع PNP و NPN موجود هستند.

آی سی های ترانزیستور دارلینگتون

در بسیاری از کاربردهای الکترونیکی، مدارات کنترل کننده تنها کافی است که یک ولتاژ DC یا جریان روشن-خاموش را به طور مستقیم سوئیچ نمایند، زیرا قطعاتی که به خروجی آنها متصل هستند مانند LED ها و نمایشگرها برای کار کردن به چند میلی آمپر در ولتاژهای پایین DC نیاز دارند، بنابراین میتوانند مستقیما بوسیله ی خروجی گیت های منطقی استاندارد راه اندازی شوند.

به هر حال همان گونه که گفتیم، گاهی مواقع برای راه اندازی خروجی به توان بیشتری نیاز داریم، مانند زمانی که بخواهیم یک موتور DC را راه اندازی کنیم که می تواند توسط یک گیت منطقی عادی و یا میکرو کنترلر تغذیه شود.

اگر قطعات منطقی نتوانند جریان مورد نیاز را تامین کنند به مدارات اضافه تری برای راه اندازی خروجی مورد نظر نیاز خواهیم داشت.

یک چیپ (chip) پرکاربرد برای ترانزیستور دارلینگتون ULN2003 است، انواع آرایه های موجود برای خانواده ی دارلینگتون عبارتند از : ULN2002A ، ULN2033A و ULN2004A که همگی از نوع آرایه های ولتاژ بالا و جریان بالا هستند، و شامل 7 زوج دارلینگتون کلکتور باز در یک پکیج IC هستند.

هر کانال این IC ها در جریان نامی 500 میلی آمپر کار می کند و حداکثر جریان 600 میلی آمپری را می توانند تحمل نمایند، که این ویژگی آن را برای کنترل موتورهای کوچک و لامپ ها، همچنین بیس و یا گیت نیمه هادی های با توان بالا، ایده آل می سازد. همچنین دیودهای اضافی جهت محدود کردن جریان هنگام راه اندازی بارهای القایی به کار رفته است و برای ساده کردن اتصالات ورودی ها در خلاف جهت خروجی ها متصل شده اند.

آی سی ترانزیستور دارلینگتون ULN2003A

این آی سی یک آرایه از ترانزیستورهای دارلینگتون تک قطبی با قیمت مناسب است ، که راندمان بالا و توان مصرفی پایینی که دارد آن را جهت راه اندازی محدوده ی وسیعی از بارها از قبیل سلونوئیدها(سیم پیچ ها)، رله های موتورهای DC، نمایشگرهای LED و لامپ های فیلامانی، مناسب می سازد. ULN2033A شامل 7 زوج ترانزیستور دارلینگتون است که هر کدام از آنها دارای یک پایه ی ورودی سمت چپ و یک پایه ی خروجی مقابل آن در سمت راست می باشد.

درایور راه انداز دارلینگتون ULN2003A دارای امپدانس ورودی و بهره ی جریان بسیار بالایی است که می تواند مستقیما توسط یک گیت منطقی TTL و یا CMOS 5 ولت راه اندازی شود، برای منطق CMOS 15 ولت از ULN2004A استفاده کنید و برای سوئیچ کردن ولتاژهای بیش از 100 ولت از آرایه ی دارلینگتون SN75468 استفاده نمایید.

وقتی که یکی از پایه های ورودی (پایه های 1 تا 7) در حالت “high” قرار می گیرد، جریان خروجی نظیر آن به حالت “low” سوئیچ می شود. به همین ترتیب هنگامی که ورودی در حالت “low” قرار می گیرد خروجی متناظر با آن به حالت امپدانس بالا سوئیچ می شود. این امپدانس بالای حالت خاموش (OFF) جریان بار را قطع کرده و جریان نشتی را کاهش داده و باعث بهبود راندمان می شود.

پایه ی شماره ی 8 (GND) به زمین یا ولتاژ صفر وصل شده، در حالی که پایه ی شماره ی 9 (VCC) به منبع تغذیه متصل می شود. پس هر باری نیاز دارد که بین +VCC و یکی از پایه های خروجی (پایه های 10تا 16) قرار گیرد. برای بارهای القایی مانند رله ها، موتورها و سلونوئیدها و …پایه ی 9 همیشه باید به VCC متصل شود.

ULN2003A قابلیت سوئیچ حداکثر جریان 500 میلی آمپر (0.5 آمپر) را در هر کانال خود دارد، ولی اگر نیاز به سوئیچ جریان های بالاتر داشته باشیم، می توانیم ورودی ها و خروجی های دو زوج دارلینگتون را با یکدیگر موازی نمود تا جریان بالاتری را عبور دهد. به عنوان مثال پایه های ورودی 1 و 2 به یکدیگر وصل شده و پایه های خروجی 15 و 16 جهت سوئیچ بار به یکدیگر متصل می شوند.

خلاصه و جمع بندی ترانزیستور دارلینگتون

ترانزیستور دارلینگتون یک قطعه ی نیمه هادی توان بالا محسوب می شود که دارای ولتاژ و جریان نامی به مراتب بالاتر از ترانزیستورهای دوقطبی کوچک معمول است.

میزان بهره ی جریان DC در ترانزیستورهای استاندارد توان بالای PNP یا NPN نسبتا پایین است، در حدود 20 یا حتی پایین تر. که این بدین معناست که به جریان های بالایی در بیس نیاز داریم تا بتوانیم یک بار را سوئیچ کنیم.

ترکیب دارلینگتون از دو تراتزیستور پشت به پشت استفاده می کند، یکی از آنها ترانزیستور عبور دهنده ی جریان اصلی است، و دیگری ترانزیستور سوئیچ کننده ی بسیار کوچکتری است که جریان بیس ترانزیستور اصلی را جهت راه اندازی آن تامین می کند. در نتیجه با استفاده از یک جریان بیس کوچکتر می توان جریان باربسیار بزرگی را سوئیچ نمود بطوری که بهره های جریان DC دو ترانزیستور در یکدیگر ضرب می شود. پس ترکیب این دو ترانزیستور می تواند به صورت یک ترانزیستور واحد با بهره ی جریان (β) بالا و در نتیجه مقاومت ورودی بالا در نظر گرفته شود.

همانند زوج ترانزیستوهای دارلینگتون PNP و NPN استاندارد، ترانزیستورهای مکمل دارلینگتون زیکلای نیز وجود دارند که از ترانزیستورهای مکمل PNP و NPN جداگانه تشکیل شده اند که مانند زوج های دارلینگتون جهت بهبود و افزایش راندمان به یکدیگر متصل شده اند؛ همچنین آرایه های دارلینگتون مانند ULN2003A موجود هستند که دسترسی به توان بالاتر و راه اندازی بارهای القایی نظیر لامپ ها، سلونوئیدها و موتورها را ایجاد نموده و در کاربردهای مکاترونیک و رباتیک به راحتی توسط میکروپروسسورها و یا میکروکنترلرها راه اندازی می شوند.