ترانزیستور دو قطبی در مدار سوییچینگ

هنگامی که ترمینال بیس یک ترانزیستور NPN به زمین متصل می‌شود، هیچ جریانی از بیس عبور نمی‌کند، بنابراین Ib=0 و متعاقباً هیچ جریانی از کلکتور به امیتر نیز عبور نمی‌کند. بنابراین ترانزیستور NPN به حالت قطع می‌رود (خاموش می‌شود). حال اگر ترمینال بیس بایاس مستقیم شود و ولتاژ بیس ــ امیتر به ۰/۷+ برسد ترانزیستور شروع به هدایت می‌کند و جریان از کلکتور و امیتر عبور می‌کند، در این حالت ترانزیستور روشن می‌شود. اگر ما ترانزیستور را مدام در این دو ناحیه راه اندازی کنیم‌، از آن به عنوان یک سوییچ استفاده کرده‌ایم.

به هر حال برای بردن ترانزیستور به حالت اشباع و تولید جریان حداکثری در کلکتور نیاز به این داریم که میزان ولتاژ بیس ــ امیتر خیلی بیشتر از ۰/۷+ باشد مقادیر بالای VBE باعث افزایش جریان بیس می‌شود و افزایش جریان بیس نیز به نوبه خود افزایش جریان کلکتور را به دنبال خواهد داشت، اما ولتاژ بین کلکتور و امیتر (VCE) با جریان بیس و کلکتور رابطه‌ی معکوس دارد و با افزایش آن‌ها‌، کاهش پیدا می‌کند در چنین شرایطی به ازای جریان کمی که از بیس می‌گذرد جریان فوق‌العاده زیادی در کلکتور ایجاد می‌شود.

نسبت جریان کلکتور به جریان بیس (β) یا بهره جریان ترانزیستور نامیده می‌شود. در ترانزیستورهای استاندارد دو قطبی مقدار β بین ۵۰ تا ۲۰۰ تغییر می‌کند. گاهی اوقات بهره جریان یک ترانزیستور تنها کمتر از آن است که بتواند جریان مورد نیاز بار را تأمین کند و در چنین شرایطی برای افزایش بهره مدار از جفت‌های دارلینگتون استفاده می‌شود.

در پیکربندی ترانزیستور دارلینگتون که به مدار سوپر آلفا (Super Alpha Circuit) نیز معروف است، دو ترانزیستور NPN یا PNP  به صورتی به یکدیگر متصل شده‌اند که جریان امیتر ترانزیستور اول، جریان بیس ترانزیستور دوم باشد. سپس ترانزیستور اول به صورت امیتر فالور و ترانزیستور دوم به صورت تقویت‌کننده امیتر مشترک پیکربندی می‌شود که شکل آن در زیر نشان داده شده است.

همیشه به یاد داشته باشید در پیکربندی دارلینگتون جریان کلکتور ترانزیستور اول (ترانزیستور کنترل کننده) هم فاز با ترانزیستور دوم (ترانزیستور سوییچینگ) خواهد بود.     

مفاهیم پیکربندی ترانزیستور دارلینگتون

همان‌طور که در شکل می‌بینید، کلکتور دو ترانزیستور به یکدیگر متصل شده‌اند و امیتر ترانزیستور اول جریان بیس ترانزیستور دوم را تأمین می‌کند. در این حالت بهره جریان کل مدار برابر با حاصل ضرب β دو ترانزیستور در هم می‌باشد، چرا که جریان بیس Ib و جریان کلکتور β*Ib می‌باشد و معادلات زیر در مدار صدق می‌کند:

در ضمن جریان بیس ترانزیستور دوم IB2 برابر با امیتر ترانزیستور اول IE1 می‌باشد. چرا که امیتر ترانزیستور اول به بیس ترانزیستور دوم متصل شده بنابراین خواهیم داشت:

و با جایگذاری مقادیر به دست‌آمده، داخل معادله اول، بهره کل مدار دارلینگتون به صورت زیر می‌شود:

 β۱ و β۲  به ترتیب معرف گین جریان ترانزیستور اول و دوم هستند.

 از معادلات بالا می‌توان نتیجه گرفت که دو جفت BJT که برای ساخت مدار دارلینگتون به کار برده می‌شوند، می‌توانند مشابه یک ترانزیستور واحد در نظر گرفته شوند که دارای بهره جریان فوق‌العاده بالا و در نتیجه مقاومت ورودی بالایی هستند.

مثال (۱)

دو ترانزیستور NPN به صورت جفت دارلینگتون به یکدیگر متصل شده‌اند تا یک لامپ هالوژن 12 ولت ۷۵ وات را روشن و خاموش کنند. اگر بهره جریان ترانزیستور اول ۲۵ و بهره جریان ترانزیستور دوم ۸۰ باشد، با نادیده گرفتن افت ولتاژ در طول دو ترانزیستور مقدار مینیمم جریانی که برای روشن شدن لامپ مورد نیاز است را محاسبه کنید.

گام اول، میزان جریانی که از لامپ عبور می‌کند برابر با جریان کلکتور ترانزیستور دوم می‌باشد. بنابراین:

با توجه به مقادیر بالا مقدار جریان بیس به صورت زیر محاسبه خواهد شد:

سپس خواهیم دید که با اعمال جریانی به اندازه ۳۰mA که به‌راحتی توسط گیت منطقی دیجیتال (digital logic gate) یا پورت میکروکنترلر تأمین می‌شود، می‌توانیم یک لامپ ۷۵ وات را به راحتی خاموش یا روشن کنیم.

اگر دو ترانزیستور دو قطبی یکسان برای ساخت جفت دارلینگتون به کار برده شوند مقدار β۱ و β۲ برابر خواهد بود و بهره جریان کل مدار به صورت زیر محاسبه می‌شود:

به طور کلی مقدار β۲ فوق‌العاده بیشتر از ۲β می‌باشد، بنابراین به منظور ساده سازی از ۲β صرف نظر می‌شود. و به این ترتیب معادله نهایی برای محاسبه بهره کل جریان دو ترانزیستور یکسان که در حالت دارلینگتون پیکربندی شده‌اند به صورت زیر محاسبه می‌شود:

جفت دارلینگتون یکسان

مدارات دارلینگتون با بهره جریانی که از ۱۰۰۰ تجاوز می‌کند و می‌تواند جریان کلکتور را تا چندین آمپر بالا ببرد، به سهولت در دسترس هستند. به عنوان مثال: NPN TIP120 و معادل PNP آن به نام TIP125.

مزیت استفاده از چنین پیکربندی این است که ترانزیستور سوییچینگ به اعمال جریان‌های کوچک بیس حساس‌تر خواهد شد و قادر خواهد بود جریان‌های فوق‌العاده بزرگی را در خروجی تولید کند، چرا که بهره جریان از ۵۰ تا ۲۰۰ که متعلق به ترانزیستورهای معمولی است، به بالای ۱۰۰۰ در جفت‌های دارلینگتون افزایش خواهد یافت.

به عبارتی دیگر یک جفت دارلینگتون با بهره جریان ۱۰۰۰ می‌تواند جریان ورودی ۱ میلی آمپر را تبدیل به خروجی یک آمپری کنند.

این بهره جریان بالا، جفت‌های دارلینگتون را برای استفاده به عنوان رابط به منظور اتصال رله‌ها، لامپ‌ها و موتورها به مدارات توان پایین مانند میکروکنترلر‌ها، کامپیوتر‌ها و گیت‌های منطقی ایده‌آل می‌کند.

کاربردهای جفت دارلینگتون

 

بیس ترانزیستور دارلینگتون می‌تواند به کوچک‌ترین سیگنال‌های جریان واکنش نشان دهد. همچنین می‌توان آن را به صورت مستقیم به TTL یا گیت‌های منطقی 5CMOS متصل کرد. ماکزیمم جریان کلکتور IC(max) برای جفت‌های دارلینگتون همانند ترانزیستورهای معمولی محاسبه می‌شود و ترانزیستور دوم در جفت دارلینگتون می‌تواند موتورهای DC، سیم پیچ‌ها یا لامپ‌ها را راه اندازی کند.

یکی از نقاط ضعف ترانزیستورهای دارلینگتون، حداقل افت ولتاژ بین بیس و امیتر در حالت کاملاً اشباع است. بر خلاف ترانزیستورهای تکی که در حالت روشن افت ولتازي‌بین ۰/۳ تا ۰/۷ ولت دارند، افت ولتاژ در جفت دارلیگنتون به ۰/۶ الی ۱/۴ ولت می‌رسد چرا که افت ولتاژ کل، مجموع افت ولتاژ پیوند بیس ــ امیتر هر دو ترانزیستور می‌باشد، که بسته به مقدار جریانی که از ترانزیستور عبور می‌کند بین ۰/۶ تا ۱/۵ ولت متغیر خواهد بود.

افت ولتاژ امیتر پایه بالا به این معنی است که ترانزیستور دارلینگتون می تواند برای یک جریان بار معین گرمتر از یک ترانزیستور دوقطبی معمولی شود و نیازمند اتخاذ روش مناسبی برای کاهش دما در قطعه استفاده نمود.

در ضمن جفت دارلینگتون نسبت به ترانزیستورهای معمولی سرعت روشن و خاموش شدن پایین‌تری دارد چرا که کمی زمان لازم است تا تغییر شرایط در ترانزیستور اول منجر به تغییر وضعیت ترانزیستور دوم (که آن نیز زمان بر است) شود.

برای افزایش سرعت پاسخ‌دهی، جبران افت ولتاژ و تلفات دمایی می‌توان به جای جفت دارلینگتون، از مدار مکمل PNP و NPN استفاده نمود. که به این نوع پیکربندی، پیکربندی سیکلای (Sziklai Configuration) گفته می‌شود.

جفت ترانزیستور سیکلای

جورج سیکلای (George Sziklai) مخترع مجارستانی این پیکربندی می‌باشد. پیکربندی سیکلای به صورتی که در شکل نشان داده شده طراحی می‌شود.

در این پیکربندی یک ترانزیستور NPN و PNP به صورت سری به یکدیگر متصل شده‌اند که قادر هستند. جفت ترانزیستور سیکای همان عملکرد اصلی یک جفت دارلینگتون را انجام می‌دهد با این تفاوت که برای روشن کردن آن فقط به 0.6 ولت نیاز دارد و مانند پیکربندی استاندارد دارلینگتون، بهره جریان برای ترانزیستورهای همسان برابر است با β2  یا با حاصلضرب دو گین جریان برای ترانزیستورهای مجزا به دست می آید.

پیکربندی مکمل سیکلای

افت ولتاژ بیس ــ امیتر ترانزیستور سیکلای برابر با افت ولتاژ یک ترانزیستور تک می‌باشد. به هر حال پیکربندی سیکلای برای رفتن به حالت اشباع نیاز به ولتاژ بالاتری خواهد داشت.

علاوه بر این، مدار سیکلای همانند جفت دارلینگتون پاسخ کندی به تغییرات جریان ورودی دارد و از آن به عنوان تقویت‌کننده‌ی کلاس AB یا Push-Pull استفاده می‌شود.

ترانزیستورهای مدار مجتمع دارلینگتون

در برخی مواقع، می‌توان مدار کنترل کننده را مستقیماً به وسیله‌های که باید کنترل شود متصل کرد (مانند خاموش و روشن کردن LED به وسیله میکروکنترلر) چرا که LED نیاز به ولتاژ و جریان کمی برای خاموش و روشن شدن دارد که گیت‌های منطقی به سهولت قادر به تولید این جریان و ولتاژ‌ هستند.

اما در برخی مواقع به جریان و ولتاژ بیشتری برای راه اندازی المان کنترل شونده نیاز است ( همانند راه‌اندازی موتور DC). به عبارتی دیگر تأمین ولتاژ و جریان کافی برای روشن و خاموش کردن موتور از عهده میکروکنترلر با گیت منطقی خارج است. بنابراین المان دیگری باید به عنوان واسط جریان و ولتاژ مورد نیاز را تأمین کند. در این مواقع، مدار مجتمعی به نام ULN2003 مورد استفاده قرار می‌گیرد که از آرایه‌های دارلینگتونی می‌باشد ULN2002A ,ULN2003A و ULN2004A از خانواده آرایه‌های دارلینگتونی توان بالا هستند که هر کدام شامل ۷ مدار کلکتور باز دارلینگتون قرار گرفته در داخل یک پکیج قرار هستند.

این IC‌ها قابلیت تحمل جریان‌های بالای 600mA را دارا هستند که این ویژگی آن‌ها را برای کنترل موتور‌های کوچک، لامپ‌ها یا گیت‌ها و بیس‌های نیمه‌رساناهای توان بالا ایده‌آل می‌کند. در برخی IC‌ها، دیودهای هرزگرد به منظور جلوگیری از آسیب دیدن به قطعه در صورت استفاده از بار القایی تعبیه‌شده برای سهولت اتصالات، معمولاً پورت‌های ورودی IC مقابل پورت‌های خروجی آن قرار می‌گیرد .

آرایه‌های دارلینگتون ULN2003A

ULN2003A یک دارلینگتون ارزان‌قیمت تکی می‌باشد که بازده بالا و توان تلفاتی فوق‌العاده پایینی دارد. این ویژگی این قطعه را برای تغذیه بارهایی مانند رله‌های DC ،LEDها یا لامپ‌های رشته‌ای مناسب می‌کند. ULN2003A شامل ۷ ترانزیستور دارلینگتون است که پورت‌های ورودی هر کدام در چپ و پورت‌های خروجی در سمت راست قرار دارد و در شکل زیر پیکربندی آی سی ULN2003A نشان داده شده است.

درایور دارلینگتون ULN2003A دارای امپدانس ورودی و افزایش جریان بسیار بالایی است که می‌تواند مستقیماً از یک گیت منطقی TTL یا 5V CMOS هدایت شود. برای گیت‌های منطقی CMOS پانزده ولت از ULN2004A استفاده می‌شود و برای ولتاژ‌های سوییچینگ بالاتر تا حداکثر ۱۰۰ ولت بهتر است از آی‌سی SN75468 استفاده شود.

هنگامی که به پورت‌های ورودی (یک تا هفت) سطح ولتاژ بالا (HIGH) اعمال می‌شود، باعث نزولی شدن جریان و در نتیجه کم شدن خروجی مربوطه (LOW) می‌شود.به همین ترتیب، هنگامی که ورودی “LOW” اعمال می شود، خروجی مربوطه به حالت امپدانس بالا تغییر می‌کند. این حالت “خاموش” با امپدانس بالا، جریان بار را مسدود و با جلوگیری از جریان نشتی کارایی قطعه را افزایش می‌دهد.

پورت ۸، پورت اتصال به زمین می‌باشد که باید به زمین یا صفر ولت متصل شود.

پورت ۹ (Vcc) نیز پورت اتصال به منبع تغذیه می‌باشد، بنابراین هر‌بار باید بین +Vcc (پین‌های بیشتر از 9) و پین خروجی، به بیان دیگر پین‌های 10 تا 16 متصل شود.

برای بارهای القایی مانند موتورها، رله‌ها و سیم‌پیچ ها و … پورت ۹ باید همواره به VCC متصل شود.

هر کانال ULN2003A قابلیت تولید جریان تا 500mA را دارد اما اگر نیاز به جریان بالاتری باشد، می‌توان دو پورت خروجی و ورودی را با یکدیگر موازی نمود. به عنوان مثال پورت ۱و۲ به هم و پورت ۱۶ و ۱۵ به هم متصل می‌شوند تا یک بار توان بالا را خاموش یا روشن کنند.

خلاصه

  • ترانزیستورهای دارلینگتون از المان‌های نیمه‌رسانای توان بالا محسوب می‌شوند که بهره جریان و ولتاژ فوق‌العاده بالاتری نسبت به ترانزیستورهای معمولی دارند.
  • بهره جریان DC ترانزیستورهای معمولی تقریباً پایین است و این بدان معناست که جریان بیس زیادی برای خاموش یا روشن شدن یک بار که به کلکتور متصل شده نیاز است.
  • در جفت دارلینگتون، دو ترانزیستور به یکدیگر متصل هستند که یکی از آن‌ها ورودی و دیگری ترانزیستور خروجی یا سوییچینگ می‌باشد. ترانزیستور ورودی، جریان بیس ترانزیستور سوییچینگ را تأمین می‌کند در نتیجه جریان بیس کوچکی در ترانزیستور اول می‌تواند جریان کلکتور بسیار بزرگی را در ترانزیستور دوم به وجود بیاورد. چرا که بهره جریان دو ترانزیستور در یکدیگر ضرب می‌شوند و همانند یک ترانزیستور واحد با بهره جریان و مقاومت ورودی بالا عمل می‌کنند.
  • علاوه بر جفت دارلینگتون، پیکربندی سیکلای نیز در دسترس می‌باشد که از دو ترانزیستور مکمل NPN و PNP تشکیل شده این پیکربندی بازده بیشتری نسبت به جفت دارلینگتون دارد.
  • مدارات مجتمع دارلینگتونی مانند ULN2003A به راحتی در دسترس می‌باشند که به عنوان رابط در بین بارهای القایی یا توان بالا و پایه‌های میکروکنترلر یا میکروپروسسورها قرار می‌گیرند و استفاده از آن‌ها در مکاترونیک یا رباتیک بسیار مرسوم است.