زوج دارلینگتون و زوج زیکلای + کاربردها 

زوج دارلینگتون

آرایش ترانزیستوری دارلینگتون از دو ترانزیستور دوقطبی برای افزایش جریان سوئیچینگ به ازای جریان بیس پایین استفاده می‌کند.

ترانزیستور دارلینگتون به نام مخترعش یعنی سیدنی دارلینگتون Sidney Darlington می‌باشد که آرایش خاصی از دو ترانزیستور NPN و PNP است. به این ترتیب که امیتر یکی از ترانزیستورها به بیس ترانزیستور دیگر متصل شده تا ترانزیستور حساس‌تری با بهره جریان بیشتر به وجود آید که برای کاربردهای تقویت جریان یا سوئیچینگ مناسب می‌باشد. جفت ترانزیستوری دارلینگتون می‌تواند به صورت دو ترانزیستور دو قطبی منفرد یا به صورت یک عنصر واحد که به صورت تجاری روی یک تراشه مجتمع شده‌اند باشد. از ترانزیستور به عنوان کلید هم یاد می شود؛ زوج دارلینگتون هم مانند ترانزیستورهای دو قطبی bjt می‌تواند هم به عنوان تقویت کننده و هم به عنوان کلید خاموش و روشن مورد استفاده قرار بگیرد. (خرید ترانزیستور bjt)

کلید زنی ترانزیستور دو قطبی

هنگامی که بیس ترانزیستور NPN به زمین متصل است (Vbase = 0) و هیچ جریانی در بیس Ib وجود ندارد، جریانی از امیتر به سمت کلکتور وجود نخواهد داشت و در نتیجه ترانزیستور خاموش است. اگر بیس به صورت مستقیم بایاس شده و ولتاژی بیشتری از ۰٫۷ ولت به آن اعمال شود، جریان از امیتر به سمت کلکتور جاری شده و در این حالت به اصطلاح می‌گوییم که ترانزیستور روشن یا ON است. هنگامی که ترانزیستور در این دو وضعیت کار کند، اصطلاحاً ترانزیستور به عنوان یک سوئیچ رفتار می‌کند.

مشکل اینجاست که ولتاژ بیس ترانزیستور باید بین مقدار صفر و مقدار مثبت نسبتا زیادی تغییر کند تا ترانزیستور به ناحیه اشباع برود و مقدار جریان بیس افزایش یافته و به پیوند جریان تزریق شود و در پی آن جریان کلکتور Ic شروع به شکل گرفتن کند. می‌توان دریافت که جریان کوچک بیس می‌تواند جریان زیاد کلکتور را کنترل نماید. نسبت جریان کلکتور به جریان بیس (β.I_B) را به عنوان بهره جریان می‌شناسیم که معمولا این مقدار به ازای یک ترانزیستور دوقطبی استاندارد مقداری بین ۵۰ تا ۲۰۰ می‌باشد. حتی بین ترانزیستورهایی از یک خانواده و یک شماره قطعه یکسان این مقدار می‌تواند متفاوت و متغیر باشد. در مواردی که بهره جریان یک ترانزیستور واحد برای راه‌اندازی یک بار،‌ بسیار کوچک است یکی از راه‌های افزایش بهره جریان استفاده از آرایش جفت دارلینگتون است.

مدار زوج دارلینگتون

آرایش مدار زوج دارلینگتون که به آن جفت دارلینگتون یا مدار سوپر آلفا نیز می گویند، شامل دو ترانزیستور NPN یا PNP است که به گونه‌ای به هم متصل شده‌اند که جریان امیتر ترانزیستور اول TR1 به بیس ترانزیستور دوم TR2 وارد می‌شود. بنابراین ترانزیستور TR1 به عنوان دنبال کننده امیتر و ترانزیستور TR2 به صورت تقویت کننده امیتر مشترک همانطور که در شکل زیر نمایش داده شده است می‌باشد. همچنین توجه داشته باشید که در آرایش جفت دارلینگتون، جریان کلکتور ترانزیستور اول یا ترانزیستور کنترل (TR1) با ترانزیستور TR2 هم فاز است.

با توجه به شکل فوق و استفاده از جفت دارلینگتونی که از دو ترانزیستور NPN ساخته شده است، دو کلکتور ترانزیستورها به هم متصل شده و امیتر TR1 به بیس TR2 متصل شده است. این آرایش از β بیشتری برخوردار است و به ازای جربان بیس I_b، جریان کلکتور I_c2 + I_c1 خواهد بود که بهره جریان در این حالت از بهره جریان حالت تک ترانزیستوری بیشتر خواهد.

I_C = β_۱*I_C1 + β_۲*I_C2

اما جریان بیس I_B2 برابر جریان امیتر ترانزیستور دوم I_C2 است و از آنجایی که امیتر ترانزیستور اول به بیس ترانزیستور TR2 متصل است بنابراین خواهیم داشت:

I_B2 = I_E1 = I_C1 + I_B = β_۱.I_B + I_B = (β_۱+β_۲) . I_B

و با جایگذاری در فرمول اول خواهیم داشت:

I_C =  β_۱.I_B + β_۲ . (β_۱+۱) . I_B

 I_C = β_۱.I_B + β_۱ . β_۲ . I_B + β_۲ . I_B

 I_C  =( β_۱ + ( β_۱ . β_۲ ) + β_۲ ) . I_B

که β_۱ و β_۲ بهره‌های ترانزیستورهای TR1 و TR2 هستند.

این موضوع بدین معنی است که بهره کلی جریان زوج دارلینگتون برابر  β_۱ + ( β_۱ . β_۲ ) + β_۲ می‌باشد. به عبارت دیگر با در نظر گرفتن یک جفت ترانزیستور دارلینگتون به عنوان یک ترانزیستور واحد بهره جریان بسیار بیشتر و در نتیجه آن مقاومت ورودی بیشتر خواهد شد.

یک نمونه تجاری زوج دارلینگتون

به عنوان مثال فرض کنید که می‌خواهیم به کمک ترانزیستور دارلینگتون یک لامپ هالوژن ۷۵ واتی با ولتاژ ۱۲ ولت را خاموش و روشن کنیم. با فرض اینکه بهره جریان ترانزیستور اول ۲۵ و بهره جریان ترانزیستور دوم ۸۰ باشد می‌خواهیم جریان بیس لازم برای راه‌اندازی این مدار را محاسبه کنیم. از افت ولتاژ روی هر یک از ترانزیستورها هم صرف‌نظر می‌کنیم. طبق رابطه توان، جریان عبوری از لامپ برابر ۶٫۲۵ امپر است که از رابطه زیر بدست می‌آید.

I_LAMP = P/V = 75/12 = 6.25 Amps

با استفاده از فرمول بهره دارلینگتون جریان بیس مقداری به اندازه تنها ۳ میلی‌آمپر کافیست تا این مدار راه اندازی شود.

  β_۱ = ۲۵ , β_۲ = ۸۰

I_C  =( β_۱ + ( β_۱ . β_۲ ) + β_۲ ) . I_B

I_B  = I_C /  ( β_۱ + ( β_۱ . β_۲ ) + β_۲ ) = ۶٫۲۵/۲۱۰۵ = ۳٫۰ mA

می‌توان دید که جریان بسیار کم ۳ میلی‌آمپری که حتی می‌تواند از خروجی گیت‌های منطقی و میکروکنترلرها تامین شود برای خاموش و روشن کردن مصرف‌کننده بزرگی در حد ۷۵ وات استفاده شود.

اگر بهره جریان دو ترانزیستور برابر باشد رابطه بهره جریان زوج دارلینگتون به صورت زیر در خواهد آمد.

β_۱ =  β_۲

I_C  =( β_۱ + ( β_۱ . β_۲ ) + β_۲ ) . I_B

I_C  = β^۲ + ۲β  . I_B

زوج دارلینگتون ایده آل

معمولا مقدار β^۲ بسیار بیشتر از ۲β است، از این رو می‌توان از مقدار ۲β در رابطه فوق صرف‌نظر کرد و رابطه بهره جریان در یک زوج دارلینگتون با دو ترانزیستور یکسان به صورت زیر خواهد آمد.

I_C  = β^۲ . I_B

همانطور که در رابطه مشخص است به ازای دو ترانزیستور ایده آل، β^۲ در رابطه بهره جریان استفاده میشود. این امر بیانگر این است که در آرایش دارلینگتون دو ترانزیستور معادل یک ترانزیستور با بهره جریان بسیار بالا رفتار میکند.

جفت دارلینگتون با بهره جریان بیشتر از ۱۰۰۰ و همچنین امکان کنترل جریان کلکتور در حدود چند آمپر در دسترس می باشد. به عنوان مثال قطعات TIP120 و TIP125 دو نمونه از ترانزیستورهای دارلینگتون می باشند که به ترتیب NPN و PNP هستند.

مزیت اصلی دارلینگتون حساس بودن آن است به طوری که با یک جریان کوچک در بیس می تواند جریان بالایی در کلکتور را کنترل نماید. دارلینگتون با بهره جریان در حدود ۱۰۰۰ در بسیاری از کاربردها مورد استفاده قرار میگیرد. این در حالی است که ترانزیستورهای معمولی دارای بهره جریانی در حدود ۵۰ تا ۲۰۰ هستند.

افزایش بهره جریان به کمک آرایش دارلینگتون تا مقدار β^۲ می‌تواند در بسیاری از کاربردها مانند راه‌اندازی انواع رله، لامپ‌ها و موتورها و کلیه عناصر با توان مصرفب بالا مورد استفاده قرار گیرد. حتی در این موارد می‌توان به کمک میکرو‌کنترلر و مدارات منطقی که معمولا جریان پایین را می‌توانند ارائه دهند جهت راه‌اندازی بارهای سنگین استفاده کرد.

زوج زیکلای

به منظور حل مشکل پاسخ کند، افت ولتاژ زیاد و تولید حرارت زیاد این نوع آرایش می‌توان به جای استفاده از یک نوع ترانزیستور NPN و PNP به صورت ترکیبی در کنار هم استفاده کرد. در این حالت یکی از ترانزیستورها از نوع NPN و دیگری PNP می‌باشد. این آرایش خاص زوج دارلینگتون توسط جرج زیکلای George Sziklai ارائه شد و به احترام این مخترع این نوع آرایش را به نام او و با زوج زیکلای نام‌گذاری کرده‌اند. در ادامه به بررسی این نوع آرایش نیز خواهیم پرداخت.

همانطور که اشاره شد زوج زیکلای به احترام مخترع مجارستانی این آرایش یعنی جرج زیکلای نام‌گذاری شده است. در این آرایش از دو نوع ترانزیستور NPN و PNP به جای استفاده از یک نوع بهره گرفته شده است که یک عنصر مکمل یا Complementary از زوج دارلینگتون می‌باشد که در شکل زیر هم نحوه اتصال این دو ترانزیستور مشخص است.

این ترکیب به صورت پشت سر هم از دو نوع ترانزیستور NPN و PNP است که دارای مزیتی است که علاوه بر این که رفتاری مشابه رفتار دارلینگتون دارد در عین حال نیاز به ۰٫۶ ولت برای روشن شدن کل آرایش کافیست. مشابه زوج دارلینگتون بهره جریان آرایش زیکلای برابر ۰۰ به ازای دو ترانزیستور یکسان و همچنین اگر دو ترانزیستور با بهره‌ جریان مختلف در این آرایش استفاده شود بهره کلی زوج زیکلای از ضرب دو بهره ترانزیستورهای مورد استفاده بدست می‌آید.

آی سی‌ های دارلینگتون

در اکثر کاربردهای الکترونیک خروجی مدار و عناصر کنترلی مانند میکروکنترلر ها و گیت‌های منطقی برای کنترل و خاموش کردن جریان‌های DC در حد چند میلی آمپر کافیست. در مواردی که توان مصرفی و جریان سوئیچ بالاست مانند موتوهای DC رله‌های کنترلی و . . . دیگر امکان کنترل آنها به صورت مستقیم با گیت‌های منطقی امکان پذیر نیست. اگر گیت‌های منطقی نتوانند جریان کافی برای راه‌اندازی خروجی را داشته باشند از مدارات اضافی برای این کار استفاده می‌کنیم.

یکی از این مدارات، تراشه‌های زوج دارلینگتون که کاربرد فراوانی در این گونه سیستم‌ها دارد تراشه ULN2003 است. خانواده آرایه‌های دارلینگتون شامل ULN2002A، ULN2003A، ULN2004A  هستند که ولتاژ و جریان بالایی دارند. این تراشه‌ها شامل ۷ کانال هستند که به صورت مجتمع روی یک تراشه تعیبه شده اند.

هر یک از این کانالها می‌توانند در حدود ۵۰۰ میلی‌آمپر یا ۰٫۵ آمپر را کنترل کرده و حتی می‌توانند تا ۶۰۰ میلی آمپر را نیز تحمل کنند که برای راه‌اندازی موتورهای کوچک، انواع رله‌ها مناسب می‌باشند. دیود خنثی ساز اضافی برای راه‌اندازی بار سلفی در این تراشه‌ها استفاده شده است. آرایش پایه‌های این تراشه به گونه‌ای است که یک سمت آی سی پایه‌های ورودی و پایه متناظر آنها در سمت دیگر خروجی است.

آرایه دارلینگتون ULN2003A امپدانس ورودی و بهره جریان بالایی دارند که می‌توانند به طور مستقیم توسط گیت‌های منطقی TTL و مدارات CMOS با ولتاژ کاری ۵ ولت راه‌اندازی شوند. برای راه‌اندازی مدارات با ولتاژ بیشتر از تراشه ULN2004A استفاده می‌شود که می‌تواند ولتاژ های بیشتری را کنترل کند. برای ولتاژهای بیشتر در حدود ۱۰۰ ولت بهتر از آرایه دارلینگتون SN75468 استفاده شود.

تراشه ULN2003A

این تراشه زمانی که ولتاژ ورودی HIGH و یا روشن باشد خروجی مقدار صفر خواهد داشت و جریان را در مسیر مصرف کننده جاری خواهد کرد. به همین ترتیب هنگامی که ورودی LOW باشد خروجی مربوطه تبدیل به امپدانس بالا یا بی‌نهایت می‌شود و از این رو جریان در مصرف کننده قطع می‌شود.

پین ۸ این تراشه همانطور که در شکل مشخص است پایه زمین (GND) بوده و به مقدار صفر متصل می‌شود. در حالی که پین شماره ۹  (VCC) به منبع تغذیه متصل می‌شود. بنابراین تمامی مصرف کننده باید بین پین VCC و پین خروجی متصل شوند. به ازای مصرف‌کننده القایی مانند موتور، رله و سولوئید پین شماره ۹ نیز به VCC متصل می‌شود.

تراشه ULN2003A قابلیت کنترل جریان ۰٫۵ آمپری در هر کانال داراست ولی اگر جریان بیشتری لازم باشد می‌توان ۲ یا چند کانال را با هم به صورت موازی استفاده کرد. بدین منظور ورودی‌های متناظر نیز باید به یکدیگر متصل شوند.

ترانزیستور دارلینگتون NPN

 ترانزیستور دارلینگتون یک عنصر توان بالای نیمه‌هادی به شمار می‌آید که نرخ ولتاژ و جریان بیشتری نسبت به ترانزیستورهای معمولی دارد. بهره جریان DC در ترانزیستورهای PNP  و NPN نسبتا پایین است و تا حدود ۲۰ و حتی کمتر در مقایسه با بهره سیگنال کوچک می‌باشد، به این معنی که جریان بیس بالا برای کنترل بار لازم است.

آرایش دارلینگتون از دو ترانزیستور استفاده می‌کند که یکی از آنها جریان اصلی در خروجی را کنترل کرده و دیگری تنها جریان بیس و یا جریان کنترل را تامین می‌کند. به این ترتیب جریان بیس کوچک می‌تواند برای راه‌اندازی جریان‌های به مراتب بزرگتر مورد استفاده قرار گیرد. به طوری که بهره کلی آرایش دارلینگتون از ضرب بهره‌های دو ترانزیستور به کار رفته در آرایش حاصل می‌شود و مقدار نسبتا بالای دارد. بنابراین با در نظر گرفتن دو ترانزیستور به عنوان یک ترانزیستور بهره جریان بالا و در پی آن مقاومت ورودی بالایی خواهیم داشت.

آرایش دیگری از زوج دارلینگتون وجود دارد که به جای استفاده از یک نوع ترانزیستور (NPN , PNP) از هر دوی آنها به صورت ترکیبی استفاده می‌کند. این آرایش به زوج زیکلای معروف است. استفاده از دو نوع ترانزیستور به جای تنها یک نوع ترانزیستور عملکرد زوج دارلینگتون را بهبود می‌بخشد. همچنین آرایه‌های دارلینگتون متشکل از چندین کانال دارلینگتون به صورت مجمتع شده روی یک تراشه واحد وجود دارد. UNL2003 یکی از این آرایه‌های دارلینگتونی است که می‌تواند برای راه‌اندازی موتور، رله،‌ لامپ، سولوئید و . . . استفاده شود.