ساختار زوج دارلینگتون

ترانزیستور دارلینگتون یا زوج دارلینگتون (Darlington Pair) یکی از آرایش‌های خاص ترانزیستوری است که برای افزایش قابل‌توجه بهره جریان مورداستفاده قرار می‌گیرد. این آرایش نخستین بار توسط سیدنی دارلینگتون (Sidney Darlington) در شرکت Bell Labs معرفی شد. هدف از طراحی آن، ساختن یک تقویت‌کننده با بهره بالا تنها با استفاده از دو ترانزیستور بود.

زوج دارلینگتون از اتصال پشت‌سرهم دو ترانزیستور دوقطبی تشکیل شده است. معمولاً هر دو ترانزیستور از نوع NPN یا PNP هستند. در این اتصال، امیتر ترانزیستور اول به بیس ترانزیستور دوم متصل شده و خروجی کل مدار از امیتر ترانزیستور دوم گرفته می‌شود. کلکتور هر دو ترانزیستور نیز به هم متصل است و به‌عنوان کلکتور مدار در نظر گرفته می‌شود. به‌این‌ترتیب، جریان بیس بسیار کوچکی که به ترانزیستور اول وارد می‌شود، تقویت شده و به‌عنوان جریان بیس برای ترانزیستور دوم عمل می‌کند. نتیجه نهایی، بهره جریان کلی بسیار بزرگ‌تری نسبت به هر یک از ترانزیستورها به‌صورت مجزا خواهد بود.

فرمول بهره جریان در زوج دارلینگتون

اگر بهره جریان (β) ترانزیستور اول را β₁ و بهره جریان ترانزیستور دوم را β₂ در نظر بگیریم، بهره جریان کل زوج دارلینگتون به‌صورت زیر خواهد بود:

β_total = β₁ × β₂

به‌عنوان‌مثال، اگر هر یک از ترانزیستورها بهره جریانی در حدود ۱۰۰ داشته باشند، بهره کل برابر با:

β_total = 100 × 100 = 10,000

خواهد بود. چنین بهره بزرگی باعث می‌شود که بتوان تنها با یک جریان بسیار ضعیف در بیس ترانزیستور اول، جریان بسیار بزرگی در خروجی مدار (امیتر ترانزیستور دوم) ایجاد کرد. این خاصیت زوج دارلینگتون را برای کاربردهای تقویت جریان، درایور موتورها، کنترل رله‌ها و سوئیچینگ توان بالا ایده‌آل می‌سازد.

عملکرد سوئیچینگ در زوج دارلینگتون

در حالت سوئیچینگ، ترانزیستور دارلینگتون نیز مانند یک ترانزیستور معمولی دو حالت دارد:

حالت قطع (OFF): زمانی که ولتاژ بیس به اندازه کافی مثبت نباشد (برای NPN کمتر از ~1.4 ولت) هیچ جریانی از بیس عبور نکرده و ترانزیستور خاموش است. در این حالت، مدار؛ مانند یک کلید باز عمل می‌کند.

حالت اشباع (ON): زمانی که بیس به اندازه کافی بایاس مستقیم شود، ترانزیستور روشن شده و جریان قابل‌توجهی بین کلکتور و امیتر جاری می‌شود. در این حالت، مانند یک کلید بسته عمل می‌کند.

یکی از نکات مهم در استفاده از زوج دارلینگتون این است که به دلیل وجود دو پیوند بیس-امیتر پشت سرهم، افت ولتاژ بین بیس و امیتر (V_BE) حدود ۱.۲ تا ۱.۴ ولت است؛ درحالی‌که در یک ترانزیستور معمولی این افت حدود ۰.۶ تا ۰.۷ ولت است؛ بنابراین، مدارهای کنترلی باید ولتاژ کافی برای راه‌اندازی این آرایش فراهم کنند.

ساخت زوج دارلینگتون

زوج دارلینگتون را می‌توان به دو صورت ساخت:

با استفاده از دو ترانزیستور مجزا: این روش بیشتر در مدارات آموزشی یا نمونه‌سازی کاربرد دارد. کافی است ترانزیستورها را طبق اصول گفته‌شده به یکدیگر متصل کنید.

استفاده از آی‌سی یا ترانزیستور دارلینگتون مجتمع: شرکت‌های مختلفی مانند STMicroelectronics ،ON Semiconductor و Texas Instruments ترانزیستورهای دارلینگتون را به‌صورت مجتمع و در یک پکیج ارائه می‌دهند. این قطعات معمولاً با پیشوندهایی مانند TIP120 (NPN) یا TIP125 (PNP) شناخته می‌شوند.

مزایای زوج دارلینگتون

بهره جریان بالا: مهم‌ترین مزیت این ساختار، افزایش قابل‌توجه بهره جریان است که موجب صرفه‌جویی در مصرف جریان کنترلی می‌شود.

درایو بارهای سنگین با جریان کم: به دلیل بهره بالا، می‌توان با جریان‌های بسیار ضعیف، بارهایی مانند موتور، لامپ، یا رله را فعال کرد.

سادگی طراحی: پیاده‌سازی آن ساده است و به‌راحتی قابل افزودن به مدارات تقویت یا سوئیچینگ می‌باشد.

دسترس‌پذیری: ترانزیستورهای دارلینگتون در انواع و اندازه‌های مختلف به‌راحتی در بازار یافت می‌شوند.

معایب زوج دارلینگتون

افت ولتاژ بیس-امیتر بیشتر: به دلیل وجود دو پیوند P-N پشت‌سرهم، ولتاژ راه‌اندازی بیشتری نسبت به ترانزیستور معمولی نیاز دارد.

پاسخ‌دهی کندتر: زمان خاموش‌شدن در زوج دارلینگتون کمی بیشتر است که در کاربردهای فرکانس بالا مشکل‌ساز می‌شود.

افزایش توان تلف‌شده: چون افت ولتاژ بیشتر است، توان تلف‌شده نیز به تناسب افزایش می‌یابد.

عدم کنترل مستقل دو ترانزیستور: در مدار مجتمع، نمی‌توان به‌صورت مجزا به هر ترانزیستور دسترسی داشت.

کاربردهای زوج دارلینگتون

زوج دارلینگتون به طور گسترده در کاربردهایی استفاده می‌شود که به جریان بالا یا تقویت قوی نیاز است:

• درایور موتورهای DC
• کنترل رله‌ها و سلونوئیدها
• منابع تغذیه سوئیچینگ
• آمپلی‌فایرهای صوتی
• سیستم‌های دیجیتال و منطقی برای درایو بارهای سنگین
• مدارات صنعتی اتوماسیون و کنترل

مثال عملی: راه‌اندازی رله با زوج دارلینگتون

فرض کنید می‌خواهید یک رله ۱۲ ولت را با استفاده از خروجی یک میکروکنترلر راه‌اندازی کنید. چون جریان خروجی میکروکنترلر بسیار پایین (مثلاً ۲۰ میلی‌آمپر) است، نمی‌تواند مستقیماً رله را فعال کند. در اینجا یک ترانزیستور دارلینگتون مانند TIP120 بهترین گزینه است.

در این مدار:

• بیس TIP120 با یک مقاومت (مثلاً ۱ کیلو اهم) به پین خروجی میکروکنترلر متصل می‌شود.
• امیتر به زمین و کلکتور به یک سمت رله متصل شده و سمت دیگر رله به Vcc متصل است.
• یک دیود نیز به‌صورت معکوس با رله موازی می‌شود تا از ولتاژ القایی هنگام خاموش‌شدن رله جلوگیری کند.