زوج دارلینگتون چیست؟ زوج دارلینگتون (Darlington Pair) آرایشی از دو ترانزیستور BJT است که در آن خروجی ترانزیستور اول، ترانزیستور دوم را درایو می‌کند. نتیجه این اتصال، دستیابی به بهره جریان بسیار بیشتر نسبت به یک ترانزیستور معمولی است.
دارلینگتون زمانی مفید است که یک سیگنال با جریان کم باید بار پرجریان‌تری مانند رله، لامپ یا بعضی عملگرها را کنترل کند. اما این مزیت رایگان نیست؛ ولتاژ روشن‌شدن بیشتر، VCE(sat) بالاتر و سرعت سوئیچینگ پایین‌تر از مهم‌ترین محدودیت‌های آن هستند.
در زوج دارلینگتون، امیتر ترانزیستور اول به بیس ترانزیستور دوم متصل می‌شود و کلکتورها معمولاً مشترک‌اند. جریان تقویت‌شده Q1 وارد بیس Q2 می‌شود؛ بنابراین بهره جریان کلی می‌تواند بسیار بیشتر از بهره هر ترانزیستور به‌تنهایی باشد.
زوج دارلینگتون چگونه ساخته می‌شود؟
برخلاف یک تصور اشتباه، دو ترانزیستور در مدار دارلینگتون به‌صورت موازی به یکدیگر متصل نمی‌شوند. در نوع NPN کلاسیک:
- بیس Q1 ورودی مدار است.
- امیتر Q1 به بیس Q2 متصل می‌شود.
- کلکتور Q1 و Q2 معمولاً به یک نقطه مشترک متصل هستند.
- امیتر Q2 خروجی نهایی این ساختار را تشکیل می‌دهد.
به این ترتیب جریانی که Q1 تقویت می‌کند، به جریان بیس Q2 تبدیل می‌شود و بار دیگر تقویت خواهد شد.
تصویر شماتیک قبلی با توضیح «دو NPN متصل به‌صورت موازی» تولید شده است. برای این بخش بهتر است یک شماتیک واقعی با Q1، Q2، Base، Collector و Emitter طراحی شود تا ساختار دارلینگتون اشتباه آموزش داده نشود.
برای مرور ساختار پایه BJTها می‌توانید مقاله کاربرد و انواع ترانزیستور را نیز مطالعه کنید.
زوج دارلینگتون چگونه کار می‌کند؟
فرض کنید جریان کوچکی وارد بیس Q1 شود. Q1 این جریان را تقویت می‌کند و جریان امیتر آن به بیس Q2 می‌رسد. Q2 نیز همین جریان را دوباره تقویت می‌کند.
در نتیجه، یک جریان ورودی نسبتاً کوچک می‌تواند جریان کلکتور بسیار بزرگ‌تری را کنترل کند؛ البته تا زمانی که محدودیت‌های ولتاژ، جریان، توان و دمای هر دو ترانزیستور رعایت شوند.
زوج دارلینگتون می‌تواند از دو ترانزیستور مجزا ساخته شود یا هر دو ترانزیستور داخل یک پکیج واحد قرار گرفته باشند. قطعاتی مانند TIP120 نمونه‌ای از ترانزیستورهای دارلینگتون یکپارچه هستند.
فرمول بهره جریان زوج دارلینگتون
اگر بهره جریان ترانزیستور اول را β1 و ترانزیستور دوم را β2 در نظر بگیریم، بهره جریان کلی تقریباً برابر است با:
اگر β1 و β2 نسبتاً بزرگ باشند، می‌توان برای درک ساده‌تر نوشت:
یک مثال ساده
فرض کنید دو ترانزیستور در نقطه کاری موردنظر هرکدام بهره جریانی تقریباً 100 داشته باشند. در مدل ساده:
این مثال نشان می‌دهد چرا دارلینگتون می‌تواند با جریان بیس کمی جریان بزرگ‌تری را کنترل کند. اما در طراحی واقعی نباید فرض کنید β همیشه مقدار ثابتی دارد؛ بهره BJT با جریان، دما و شرایط کاری تغییر می‌کند. برای طراحی سوئیچ اشباع نیز بهتر است از شرایط تست دیتاشیت استفاده شود.
اگر با جدول‌های Min، Typ و Max یا شرایط آزمون آشنا نیستید، مقاله آموزش خواندن دیتاشیت قطعات الکترونیکی را بخوانید.
ولتاژ VBE و VCE(sat) در زوج دارلینگتون
ولتاژ Base-Emitter بیشتر
در یک BJT سیلیکونی معمولی، برای هدایت جریان معمولاً با یک پیوند Base-Emitter روبرو هستیم؛ اما در دارلینگتون دو پیوند Base-Emitter در مسیر وجود دارد. بنابراین ولتاژ ورودی لازم معمولاً از یک BJT منفرد بیشتر است.
به‌صورت مفهومی می‌توان نوشت:
عدد دقیق را باید از دیتاشیت همان قطعه و در جریان کاری موردنظر بخوانید.
VCE(sat) بالاتر؛ نقطه ضعف مهم در سوئیچینگ
یکی از معایب مهم ترانزیستورهای دارلینگتون قدرت، افت ولتاژ نسبتاً زیاد در حالت روشن است. این موضوع مخصوصاً در مدارهای کم‌ولتاژ و پرجریان اهمیت دارد.
توان تقریبی تلف‌شده روی ترانزیستور در حالت روشن را می‌توان از رابطه زیر تخمین زد:
برای مثال اگر VCE(sat) در شرایط کاری 1.5V و جریان بار 2A باشد:
سه وات تلفات برای یک ترانزیستور عدد کوچکی نیست و می‌تواند به هیت‌سینک و طراحی حرارتی مناسب نیاز داشته باشد.
مزایا و معایب زوج دارلینگتون
| ویژگی | اثر در طراحی |
|---|---|
| بهره جریان بسیار زیاد | امکان کنترل جریان بیشتر با جریان ورودی کمتر |
| ورودی کم‌جریان | مناسب برای درایو بار از مدارهای کنترلی در شرایط مناسب |
| VBE بالاتر | ولتاژ فرمان بیشتری نسبت به BJT منفرد لازم است |
| VCE(sat) نسبتاً زیاد | اتلاف توان و گرم‌شدن بیشتر، مخصوصاً در جریان بالا |
| ذخیره بار بیشتر | سوئیچ‌کردن می‌تواند از برخی گزینه‌های دیگر کندتر باشد |
| ساختار ساده | برای بسیاری از مدارهای درایور ساده و آموزشی مناسب است |
بهره جریان بالا را با سرعت بالا اشتباه نگیرید. در بسیاری از کاربردهای فرکانس بالا یا PWM سریع، MOSFET می‌تواند انتخاب مناسب‌تری باشد. سرعت واقعی را از دیتاشیت قطعه و نیاز مدار تعیین کنید.
کاربردهای واقعی زوج دارلینگتون
۱. راه‌اندازی رله
یک خروجی میکروکنترلر همیشه نمی‌تواند جریان بوبین رله را مستقیماً تأمین کند. یک دارلینگتون NPN می‌تواند به‌صورت Low-Side Driver بین رله و زمین قرار بگیرد و جریان بوبین را کنترل کند.
اگر بار القایی است، باید مسیر مناسبی برای انرژی ذخیره‌شده در سلف هنگام خاموش‌شدن فراهم شود؛ در مدارهای DC معمولاً از Flyback Diode استفاده می‌شود.
۲. کنترل سلونوئید و شیر برقی
سلونوئیدها نیز بارهای القایی هستند و جریانشان می‌تواند از توان مستقیم خروجی کنترلر بیشتر باشد. زوج دارلینگتون یا آرایه‌های دارلینگتون در بعضی طراحی‌ها برای این نوع بار مناسب هستند.
۳. درایو لامپ و LED
در سیستم‌های قدیمی‌تر یا مدارهای ساده، دارلینگتون برای درایو لامپ یا گروهی از LEDها استفاده شده است. برای LED باید محدودسازی جریان مناسب نیز انجام شود.
۴. بافر و تقویت جریان
در مدارهای آنالوگ می‌توان از ساختار دارلینگتون برای دستیابی به بهره جریان بالا و کاهش بارگذاری مرحله قبلی استفاده کرد.
۵. کنترل موتورهای DC کوچک
برای روشن و خاموش‌کردن یک موتور DC می‌توان از دارلینگتون استفاده کرد، اما جریان راه‌اندازی موتور، VCE(sat)، توان تلفاتی و حفاظت در برابر ولتاژ القایی باید بررسی شوند. برای PWM سریع یا راندمان بالاتر، MOSFET اغلب گزینه بهتری برای بررسی است.
برای آشنایی با مفهوم سوئیچینگ و انتخاب قطعه مناسب می‌توانید مقاله مدار سوئیچینگ چیست؟ را نیز مطالعه کنید.
مثال: درایو یک رله با زوج دارلینگتون
مدار ساده شامل این اجزا است:
- خروجی میکروکنترلر
- مقاومت بیس
- ترانزیستور دارلینگتون NPN
- بوبین رله
- دیود Flyback روی بوبین
مقاومت بیس را نباید صرفاً با یک عدد hFE فرضی انتخاب کرد. ابتدا جریان بار را مشخص کنید و سپس در دیتاشیت ترانزیستور شرایط VCE(sat)، جریان کلکتور و جریان بیس تست‌شده را بررسی کنید.
فرمول پایه برای محاسبه مقاومت ورودی این است:
اما مقدار IB باید با دیتاشیت قطعه، توانایی خروجی میکروکنترلر و شرایط موردنیاز برای اشباع تطبیق داده شود.
اگر رله، موتور یا سلونوئید را درایو می‌کنید، ولتاژ القایی لحظه خاموش‌شدن را نادیده نگیرید. دیود Clamp یا مدار حفاظتی باید متناسب با نوع بار و سرعت خاموش‌شدن طراحی شود.
TIP120 چیست و چرا مثال خوبی برای دارلینگتون است؟
TIP120 یک ترانزیستور قدرت NPN از نوع Darlington است که برای تقویت‌کننده‌های عمومی و سوئیچینگ با سرعت پایین طراحی شده است.
این خانواده شامل TIP120، TIP121 و TIP122 است که تفاوت اصلی آن‌ها در محدوده ولتاژ قابل‌تحمل است. همچنین نسخه‌های PNP مکمل این خانواده نیز وجود دارند.
نکته مهم هنگام استفاده از TIP120 این است که نباید فقط به جریان نامی آن نگاه کنید. VCE(sat)، جریان بیس، توان تلفاتی، دمای اتصال، پکیج و شرایط خنک‌کاری نیز باید از دیتاشیت بررسی شوند.
ULN2003 چیست؟ هفت زوج دارلینگتون در یک آی‌سی
اگر بخواهیم چند رله، لامپ، سلونوئید یا بار مشابه را کنترل کنیم، استفاده از چند ترانزیستور مجزا می‌تواند تعداد قطعات را افزایش دهد. اینجاست که آی‌سی‌هایی مانند ULN2003A کاربردی می‌شوند.
ULN2003A شامل هفت زوج دارلینگتون NPN است و برای درایو بارهایی مانند رله طراحی شده است. در این تراشه، دیودهای Clamp نیز برای بارهای القایی در نظر گرفته شده‌اند.
| ویژگی ULN2003A | مقدار/توضیح |
|---|---|
| تعداد کانال | ۷ زوج دارلینگتون |
| حداکثر ولتاژ خروجی اعلام‌شده | ۵۰ ولت |
| جریان نامی یک خروجی | تا ۵۰۰ میلی‌آمپر طبق مشخصات سازنده |
| حفاظت بار القایی | دیود Clamp داخلی با کاتد مشترک |
تفاوت BJT معمولی، دارلینگتون و MOSFET
| ویژگی | BJT معمولی | دارلینگتون | MOSFET |
|---|---|---|---|
| نوع کنترل | جریان بیس | جریان بیس با بهره بسیار بالا | ولتاژ گیت |
| جریان Drive در حالت DC | بیشتر | معمولاً کمتر | گیت در حالت ماندگار تقریباً جریان DC ناچیزی می‌خواهد |
| افت حالت روشن | معمولاً کمتر از دارلینگتون | نسبتاً زیاد | وابسته به RDS(on) و جریان |
| سرعت سوئیچینگ | وابسته به مدل | معمولاً محدودتر | در بسیاری از کاربردهای قدرت سریع‌تر |
| کاربرد نمونه | تقویت، سوئیچینگ ساده | رله، سلونوئید، بافر جریان | SMPS، PWM، موتور و سوئیچینگ راندمان بالا |
این جدول حکم انتخاب قطعی ندارد. ولتاژ، جریان، فرکانس، سطح فرمان، اتلاف توان و قیمت باید برای پروژه واقعی بررسی شوند.
هنگام انتخاب ترانزیستور دارلینگتون چه پارامترهایی مهم است؟
- VCEO: حداکثر ولتاژ Collector-Emitter که قطعه می‌تواند در شرایط تعیین‌شده تحمل کند.
- IC: جریان کلکتور؛ عدد پیک را با جریان دائمی اشتباه نگیرید.
- hFE: بهره جریان در شرایط مشخص دیتاشیت.
- VBE(on): ولتاژ ورودی لازم در جریان موردنظر.
- VCE(sat): افت ولتاژ در حالت اشباع و یکی از عوامل مهم اتلاف.
- Power Dissipation: توان تلفاتی مجاز فقط همراه با شرایط دمایی و خنک‌کاری معنی دارد.
- Switching Times: اگر مدار PWM یا فرکانس نسبتاً بالا دارد، زمان‌های روشن و خاموش‌شدن را بررسی کنید.
- Package: پکیج روی دفع حرارت و نحوه نصب اثر دارد.
قبل از خرید فقط به جریان نوشته‌شده در عنوان محصول نگاه نکنید. ولتاژ، جریان، بهره، پکیج و توان تلفاتی را از دیتاشیت با مدار خود تطبیق دهید.
اشتباهات رایج در استفاده از زوج دارلینگتون
| اشتباه | روش صحیح |
|---|---|
| فرض اینکه دو ترانزیستور موازی‌اند | ساختار emitter-to-base دارلینگتون را بررسی کنید. |
| استفاده از β ثابت در همه شرایط | شرایط جریان و دمای دیتاشیت را بررسی کنید. |
| نادیده‌گرفتن VCE(sat) | تلفات P ≈ VCE(sat) × IC را تخمین بزنید. |
| اتصال رله بدون Flyback Diode | برای بار القایی مدار حفاظت مناسب قرار دهید. |
| فرض اینکه دارلینگتون همیشه از MOSFET بهتر است | راندمان، سرعت، سطح Drive و هزینه را مقایسه کنید. |
| نادیده‌گرفتن خنک‌کاری | توان تلفاتی، مقاومت حرارتی و دمای اتصال را محاسبه کنید. |
سؤالات متداول درباره زوج دارلینگتون
چرا بهره جریان زوج دارلینگتون زیاد است؟
چون جریان تقویت‌شده ترانزیستور اول وارد بیس ترانزیستور دوم می‌شود و دوباره تقویت می‌شود. به همین دلیل در تقریب ساده، بهره کلی تقریباً حاصل‌ضرب بهره دو ترانزیستور است.
آیا دارلینگتون برای PWM مناسب است؟
به فرکانس، جریان و نوع قطعه بستگی دارد. دارلینگتون می‌تواند در بعضی کاربردهای سوئیچینگ استفاده شود، اما به دلیل VCE(sat) نسبتاً بالا و محدودیت سرعت، برای PWM سریع و راندمان بالا معمولاً باید آن را با گزینه‌هایی مثل MOSFET مقایسه کرد.
TIP120 بهتر است یا MOSFET؟
پاسخ به مدار بستگی دارد. TIP120 در مدارهای ساده و Low-Speed Switching می‌تواند کاربردی باشد، اما برای بسیاری از مدارهای قدرت کم‌ولتاژ و PWM، MOSFET با RDS(on) پایین می‌تواند تلفات کمتری داشته باشد. انتخاب نهایی باید با دیتاشیت و شرایط پروژه انجام شود.
جمع‌بندی؛ چه زمانی از زوج دارلینگتون استفاده کنیم؟
در پاسخ به سؤال «زوج دارلینگتون چیست؟» می‌توان گفت این ساختار از دو BJT تشکیل می‌شود که به شکلی متوالی از نظر تقویت جریان به یکدیگر متصل‌اند و بهره جریان بسیار زیادی ایجاد می‌کنند.
مزیت اصلی دارلینگتون نیاز به جریان Drive کمتر در مقایسه با یک BJT منفرد برای کنترل جریان مشخص است؛ اما در مقابل VBE بالاتر، VCE(sat) بیشتر، اتلاف حرارتی و سرعت سوئیچینگ محدودتر را باید در طراحی در نظر گرفت.
برای درایو رله، سلونوئید، بعضی لامپ‌ها و مدارهای بافر جریان، دارلینگتون هنوز یک گزینه کاربردی است. اگر هدف PWM سریع، راندمان بالا یا جریان زیاد در ولتاژ پایین باشد، قبل از انتخاب حتماً آن را با MOSFET مقایسه کنید.
ترانزیستور را بر اساس مدار انتخاب کنید، نه فقط عدد جریان
برای انتخاب BJT مناسب، ولتاژ، جریان، بهره، افت ولتاژ، پکیج و شرایط حرارتی را بررسی کنید و سپس مدل مناسب پروژه را انتخاب کنید.
