ترانزستور دارلنغتون: عمله وتطبيقاته

يتكوّن ترانزستور دارلنغتون من ترانزستورين ثنائيّي الوصلة بحيث يوفّر ربح تيار أعلى.
تشكيلة دارلنغتون بنوعيه PNP وNPN
تشكيلة دارلنغتون بنوعيه PNP وNPN (مصدر الصورة: موقع electronics-tutorials)

سُمِّي ترانزستور دارلنغتون بهذا الاسم نسبةً إلى مخترعِهِ سيدني دارلنغتون Sidney Darlington، وهو عبارة عن ترتيب خاصّ لترانزستورين ثنائيي الوصلة Bipolar Junction Transistors (BJT) موصولين مع بعضهما البعض إمّا نوع NPN أو نوع PNP، حيثُ يتّصل باعث الترانزستور الأوّل مع قاعدة التّرانزستور الثّاني لينتجَ ترانزستوراً ذا حساسيّة عالية مع ربح تيّار عالٍ جداً ، ممّا يفيد في التّطبيقات التي تتطلّب تضخيم التيّار أو للعمل كمفتاح الكتروني.

يمكن صنع أزواج ترانزستور دارلنغتون إمّا بوصل ترانزستورين ثنائيّي الوصلة أو كقطعة واحدة مصنَّعة تجاريّاً في غلاف واحد مع أطراف التّوصيل التالية: الباعث، القاعدة، والمجمع ، بالإضافة لتشكيلة واسعة متاحة من الأنماط والجهود والتيّارات المتعلّقة بكِلا النّوعين NPNوPNP، فكما رأينا  قد يعمل الترانزستور كمفتاحِ switch أوكمكبّر صوت، حيث يعمل كمفتاح ON-OFF كما هو موضّح في الشّكل أدناه.

عمل ترانزستور BJT كمفتاح تشغيل.
عمل ترانزستور BJT كمفتاح تشغيل. (مصدر الصورة: موقع electronics-tutorials)

يتدفَّق التيار Ib عندما تؤرَّض قاعدة الترانزستور NPN (حيث لا جهد ولا تيّار)، وأيضاً لا يمرّ تيّار من المجمّع إلى الباعث ، وبالتالي يكون الترانزستور بحالة “OFF”، أمّا إذا أصبحت القاعدة منحازة بشكل أماميّ بجهد أكبرَ من 0.7V فهذا سيؤدي لمرور تيّار الباعث إلى المجمِّع ويُقال عندها عن الترانزستور أنّه يعمل بحالة “ON”، وهذا يعني أن الترانزستور يعمل كمفتاح انتقاله بين الوضعين “ON-OFF”.

تكمن المشكلة هنا مع هذا النمط في أنّه يجب تطبيقُ جهد على قاعدة الترانزستور بين الصفر وقيمة أكبر من 0.7  ليكون مُشبعاً، وهذا يعني أنّ جهداً أعلى يُسبّب تيّار قاعدة أعلى، فيتدفّق التيّار Ib مسبّباً  مرور تيّار كبير في المجمِّع بينما يكون الجهد Vce صغيراً، وبالتّالي نلاحظ أنّ كمية صغيرة من التيّار المارّ في القاعدة يتحكّم بكميّات تدفّق أكبرَ تمرُّ بين الباعث والمجمِّع، وتُعرَف نسبة تيّار المجمّع إلى تيّار القاعدة بربح تيّار الترانزستور (β) ؛ حيث تتراوح القيمة النّموذجيّة للربح في ترانزستور BJT بين 50 و200 ، وتختلف هذه القيمة بين الترانزستورات ضمن هذا المجال، وفي بعض الحالات الّتي يكون فيها ربح التيّار منخفضاً جدّاً لترانزستور مفرد لا يمكنه أن يقود الحمل مباشرةً فأحد الطّرق لزيادة الرّبح هو الاعتماد على زوج دارلنغتون.

تتكوّن تشكيلة دارلنغتون المعروفة أيضاً باسم زوج دارلنغتون “Darlington Pair” أو دارة ألفا الفائقة “super-alpha circuit” من ترانزستورَي NPN أو PNP موصولَين مع بعضهما البعض حيث يصبح تيّارُ الباعث للترانزستور الأوّل TR1 هو تيّار القاعدة للترانزستور الثاني TR2،كما يعمل  TR2 كمضخّم بوصلة باعث مشترك كما هو موضّح أدناه، ونلاحظ أيضاً في تشكيلة دارلنغتون أنَّ تيّار المجمّع الخاصّ بالترانزستور الثانوي TR1 يكون بنفس الطّور مع الترانزستور الأساسيّ TR2.

تشكيلة دارلنغتون الأساسيّة
تشكيلة دارلنغتون الأساسيّة (مصدر الصورة: موقع electronics-tutorials)

نلاحظ الآن وباستخدام زوج دارلنغتون بنوع NPN كمثال أنّ مجمِّعات الترانزستورين ترتبط مع بعضها البعض، ويقود باعث الترانزستور الأوّل قاعدة الترانزستور الثّاني، وبالتالي يحقّق هذا الترتيب زيادة في الربح β تصل إلى الضِّعف وذلك لأنّ تيّار القاعدة هو Ib وتيّار المجمّع هو Ib*β ويكون ربح التيّار أكبر من الواحد ويُعرَّف بالعلاقة التالية:

Ic =Ic1+Ic2

Ic =IB X β1+IB22

 

لكنّ تيّار القاعدة IB2 يساوي تيّار الباعث للترانزستورالأول (IE1)، حيث أنّ باعث الترانزستور الأوّل متّصل مع قاعدة الترانزستور الثاني، وبالتالي:

IB2=IE1=IC1+IB1 x IB+IB= (β1+1)x IB

الآن وبالتعويض في المعادلة الأولى نجد:

IC1 x IB2 1 +1) IB

IC=β x IB2 x β1 x IB2 x I

IC=(β1+(β2 x β1)+β2) IB

حيث: β2, β1 عبارة عن ربحي الترانزستورين الأول والثاني بالترتيب.

وهذا يعني أنّ الربح الكليّ للتيّار β هو عبارة عن ربح الترانزستور الأوّل مضروباً بربح الترانزستور الثاني وبالتالي تتضاعف قيمة الربح، وبعبارة أُخرى يمكن دمج زوج من الترانزستورات الثنائيّة الوصلة الـBJT للحصول على زوج دارلنغتون واعتباره ترانزستوراً واحد اً مع قيمة عالية جداً للربح وبالتالي مقاومة دخل عالية.

مثال عددي عن ترانزستور دارلنغتون:

شُكِّلَ زوج دارلنغتون من ترانزستورين NPN متّصلين مع بعضهما البعض وذلك لتشغيل مصباح هالوجين 12V 75W. فإذا كان ربح التيّار الأماميّ للترانزستور الأوّل 25 وربح التيّار الأماميّ (Beta) للترانزستور الثّاني يساوي 80 مع تجاهل الجهد العابر بين الترانزستورين. احسب تيّار القاعدة الأعظمي اللازم لتشغيل المصباح وتبديله ليصبح بحالة ON.

أولاً، إنّ التيّار المارّ في المصباح يساوي تيّار المجمّع للترانزستور الثاني وبالتالي:

IC=ILamp

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

يُعطى تيّار القاعدة وباستخدام المعادلة السّابقة بالعلاقة التالية:

IC = (β1+ (β2 x β1)+β2) IB

حيث:

IB= IC / (β1+(β2  x β1 )+β2)= 6.25/2105=3mA

إذاً نلاحظ أنّه بإمكاننا استخدام تيّار القاعدة بقيمته الصّغيرة والبالغة فقط 3mA وهو يماثل التيّار الذي تُزوَّد به البوابات المنطقيّة الرَّقمية وأيضاً كالتيّار في طرف متحكّم صغريّ، ويمكن استخدامه كمفتاح ON-OFF لمصباح ذي 75 Watt.

الآن إذا استُخدِم ترانزستورين ثُنائيّي الوصلة متطابقَين (أي نفس النمط إمّا NPN أو PNP) لتشكيل زوج دارلنغتون عندئذٍ يكون β12 وربح التيّار الكليّ يُعطى كما يلي:

إذا β21

فإنّ:     I C = (β1+ (βx β1)+β2) IB

 

حيث:            IC= (β2+2β) IB

بشكل عام تكون قيمة β2 أكبر بكثير من 2β وبالتالي يمكننا تجاهلها  وتُبسَّط المعادلة الرياضيّة وتُكتَب بشكلها النّهائي كما يلي:

IC= β2*IB

وهذه هي معادلة ترانزستور دارلنغتون مكوّن من ترانزستورين متطابقَين، كما تُستخدم 2β بدلاً من β . بالنتيجة هذه التشكيلة تكافِئ ترانزستوراً واحد اًمع كمية كبيرة من الربح وتيّار قاعدة أعظميّ، وأصبحت هذه الترانزستورات متاحة بشكل كبير ، فعلى سبيل المثال تتوفّر الأنواع التالية NPN TIP120 والـ PNP المكافئة لـ TIP125.

تتمثّل الفائدة من استخدام تشكيلة دارلنغتون بالحصول على حساسيّة عالية لكمية قليلة من تيّار القاعدة المطلوب لتشغيل الحمل عبر الربح الكبير الذي يوفره ترانزستور دارلنغتون الذي تتجاوز قيمته 1000، بينما تنتج عادةً الترانزستورات وحيدة المرحلة ربحاً بحوالي من 50 إلى 200، ويمكننا أيضاً أن نرى زوج دارلنغتون مع ربح بالشّكل التّالي 1000:1؛ والّذي يعني أنّه يمكن تبديل تيّار خرج بقيمة 1A في دارة باعث-مجمِّع مع تيّار قاعدة بقيمة 1mA فقط ممّا يجعل ترانزستورات دارلنغتون مثالية لتعمل مع الرّيليات والمصابيح والمحرّكات وحتى المُتحكّمات الصّغرية ذات الطّاقة المنخفضة والحواسيب والمتحكِّمات المنطقية كما هو موضَّح في الفقرة التالية.

تطبيقات ترانزستور دارلنغتون:

تطبيق دارلنغتون مع أحمال مختلفة (محرّك، مصباح، مسخِّن)
تطبيق دارلنغتون مع أحمال مختلفة (محرّك، مصباح، مسخِّن) (مصدر الصورة: موقع electronics-tutorials)

تتميز القاعدة في دارلنغتون بالحساسيّة العالية والكافية للاستجابة لأيّ تيّار دخل مهما كان صغيراً وذلك إن كان من مفتاح أو مباشرةً من البوابات المنطقية TTL أو البوابة 5V CMOS، كما أنّ تيّار المجمِّع الأعظميّ IC(MAX) لأي زوج دارلنغتون هو نفسه لترانزستور  TR2 لذلك يمكن استخدامه لتشغيل الريليات ومحرّكات الـDC  والمصابيح ..الخ، لكنّ العيب الأساسيّ لهذا الترانزستور هو هبوط الجهد بين القاعدة والباعث عندما يكون في حالة إشباع كليّ حيث يكون هبوط الجهد وفي الحالة المُشبعة لترانزستور واحد متراوحاً بين القيمتين 0.3V و0.7V وعندها يكون ON، بينما يملك زوج دارلنغتون هبوطاً مضاعفاً للجهد لكلٍّ من القاعدة والباعث (يكون هبوط الجهد 1.2V بدلاً من 0.6V) بحيث يكون عبارة عن مجموع هبوطَي الجهد على الباعث والقاعدة لكلّ ترانزستور على حده والّذي يمكن أن يكون من 0.6V وحتى 1.5V وذلك تبعاً للتيّار المارّ خلال الترانزستور، مسبّباً بذلك ارتفاع درجة حرارة دارلنغتون بشكل واضح أكثر من الترانزستور العادي لتيّار الحمل المُعطى ممّا يتطلّب مشتت حرارة جيداً، كما تعاني ترانزستورات دارلنغتون من استجابة بطيئة للتبديل ON-OFF وذلك بسبب الوقت اللّازم الّذي يستغرقه الترانزستور الثّانوي TR1 لينقل الاستجابة إلى الترانزستور الأساسيّ TR2 إمّا بحالة ON أو بحالة OFF.

تُستخدم ترانزستورات NPN و PNP المُتمَمة بنفس الترتيب المتسلسل وذلك للتّغلُّب على الاستجابة البطيئة ورفع الجهد والتّقليل من عيوب انبعاث الحرارة لترانزستورات دارلنغتون، حيث نحصل بالنتيجة على ترانزستور دارلنغتون يُسمّى بتشكيلة Sziklai.

زوج ترانزستور Sziklai:

سُمّي هذا النوع من الترانزستورات Sziklai Darlington Pair نسبةً لمخترعه الهنغاري George Sziklai وهو عبارة عن جهاز دارلنغتون المُتمَّم أو المركَّب والّذي يتكوّن من ترانزستورين أحدهما نوع NPN والآخر PNP متّصلة مع بعضها كما سنرى في الشّكل أدناه ، حيث يمتلك هذا التّرتيب المترابط من ترانزستورات NPN وPNP ميزة رئيسة والّتي تجعل ترانزستور Sziklai يقوم بنفس وظيفة دارلنغتون لكن بهبوط جهد 0.6V فقط والتي تكون كافية لتشغيله ، بالإضافة إلى أنّ ربح التيّار هو β2 للترانزستورات المتطابقة أو يُحصل عليه من خلال ربح التيّار لكلّ ترانزستور على حده كما هو الحال في دارلنغتون القياسيّ.

ترانزستور دارلنغتون نوع Sziklai
ترانزستور دارلنغتون نوع Sziklai ترانزستور دارلنغتون نوع Sziklai

يمكننا أن نلاحظ أنّ هبوط الجهد على القاعدة-الباعث لجهاز Sziklai مساوٍ لجهد انحياز الديود لترانزستور واحد في مسار الإشارة، ومع ذلك فإنّ تشكيلة Sziklai لا تُشبَع بجهد أقل من 0.7V وهو الجهد الكلّي للديود الواحد وذلك بدلاً من 0.2V، كما تعاني هذه الترانزستورات من تأخير في الاستجابة كما هو الحال في زوج دارلنغتون القياسيّ، وتُستخدم بشكل شائع في تطبيقات push-pull وفي مراحل خَرْج مكبّرات الصّوت AB ممّا يسمح بقطبية واحدة فقط لخرج الترانزستور ، ومن الجدير ذكره أنّه تتوفر الأنماط NPN وPNP في تشكيلات كلٍّ من دارلنغتون العادي وSziklai.

الدارات المتكاملة (IC) الخاصّة بترانزستور دارلنغتون:

تقوم الدارة المتكاملة في معظم التّطبيقات الإلكترونيّة بتبديل خرجها بين حالتي  ON أو OFF للتحكم ببعض الأجهزة كاللّدات أو الشّاشات والّتي تتطلّب تياراً من رتبة الميلي أمبير، لتعمل وبجهد مستمرّ منخفض ، وأيضاً يمكن أن تُقاد مباشرةً عبر بوابة منطقيّة أساسية، ولكن في بعض الأحيان تحتاج الأجهزة مزيداً من الطّاقة حتى تعمل ومثال على ذلك محرِّك DC الذي يمكن توفيره باستخدام بوابة منطقية أو من خلال متحكّم صِغري، أمّا في حال لم تستطع البوابة الرّقميّة توفير التيّار اللّازم ستكون هنالك حاجة إلى استخدام دارات إضافيّة لتشغيل الجهاز. أحد هذه الرّقاقات المعروفة والمستخدمة في ترانزستور دارلنغتون هي مصفوفة ULN2003 (ULN2003 Array) حيث تحتوي عائلة مصفوفات دارلنغتون على ULN2002A, ULN2003A, ULN2004A، وجميعها تملك جهد اًعالياً وتيّاراً عالياً وتتضمّن هذه المصفوفات في كلّ منها سبعة أزواج دارلنغتون بحيث يتّصل كلّ زوج مع جامع Collector وكُلُّهم موجودون ضمن حزمة IC واحدة، تتحمل كلّ قناة من المصفوفة بـ 500mA ويمكن أن تصل إلى 600mA كحدّ أقصى، ممّا يجعلها مناسبة جداً للتّحكّم بالمحركات والمصابيح والبوابات وبقواعد أنصاف النواقل عالية الاستطاعة، كما تُضمّن ديودات كابحة للتّحكُّم بالأحمال الحثّية وتُثبَّت المداخل مقابل المخارج لتبسيط التوصيل.

مصفوفة ترانزستور دارلنغتون ULN2003A:

تُعرّف الـULN2003A  بأنّها عبارة عن مجموعة ترانزستورات دارلنغتون أحادية القطب غير مكلفة وذات كفاءة عالية واستهلاك منخفض للطّاقة، ممّا يجعلها مفيدة في قيادة مجموعة كبيرة من الأحمال بما في ذلك الرّيليات ومحركات DC وشاشات الإظهار. تحتوي مصفوفة ULN2003A على سبعة أزواج من ترانزستورات دارلنغتون كلّ منها مع طرف دخل على الجهة اليُسرى وطرف خرج على الجهة اليمين كما مبيّن في الشكل .

مصفوفة ترانزستور دارلنغتون ULN2003A.
مصفوفة ترانزستور دارلنغتون ULN2003A. (مصدر الصورة: موقع electronics-tutorials)

تتميّز دارة  دارلنغتون ULN2003A بمقاومة دخل عالية جداً وبربح تيّار عالٍ أيضاً ، والتي يمكن قيادتها مباشرةً إمّا من بوابة TTL أو بوابة 5V CMOS المنطقيّة، ففي حالة البوابة المنطقيّة CMOS بمنطق 15V يُفضّل استخدام ULN2004A أمّا عند الجهود الأعلى من 100V فتستخدم مصفوفة دارلنغتون من نوع SN75468، فعندما تكون المداخل (الأطراف من 1 وحتى 7) في حالة “HIGH” فإنّ المخارج المقابلة لها ستحوَّل إلى حالة “LOW”، وبخلاف ذلك عندما تُزوَّد المداخل بمنطق “LOW” ستُبدَّل المخارج إلى حالة “HIGH” أي حالة المقاومة العالية، حيث تمانع حالة المقاومة العالية هذه (“Off”) تيّار الحمل وتقلّل تيّار التّسريب عبر الجهاز وذلك لتحسين الكفاءة.

يوصل الطّرف رقم 8 (الأرضي GND) مع أرضي الحمل، بينما يوصل الطّرف 9 (التغذية Vcc) إلى تغذية الحمل ، ثمّ بعد ذلك وفي حال احتجنا لتوصيل أحمال إضافية بين التغذية +Vcc وطرف الخرج فإنّنا نقوم بتوصيلها إلى الأطراف من رقم 10 وحتى 16، ولكن عندما تكون الأحمال تحريضيّة أو محرّكات أو ريليات أو حتى أنصاف نواقل فيجب توصيل الطرف 9 دائماً إلى التّغذية Vcc.

يملك ULN2003A القدرة على التشغيل بـ 500mA (0.5A) للقناة الواحدة لكن عند الحاجة إلى مزيد من التيّار تتّصل مداخل دارلنغتون على التوازي معاً ومع المخارج المقابلة لها وذلك للحصول على قدرة تيّار عالية، فعلى سبيل المثال تتّصل أطراف الدخل ذات الأرقام 1 و2 مع بعضها كما تتّصل أطراف الخرج 15&16 مع بعضها أيضاً لتشغيل الحمل.

ملخّص ترانزستور دارلنغتون:

  • إنّ ترانزستور دارلنغتون هو عبارة عن عنصر نصف ناقل باستطاعة عالية مع نسبة تيّار وجهد مميزَين وأعلى بكثير من الترانزستورات التّقليديّة الصّغيرة.
  • إنّ قِيَم ربح التيّار المستمرّ لترانزستورات PNP وNPN ذات الاستطاعة العالية القياسيّة هي منخفضة نسبيّاً، حيث تصل إلى 20 أو حتى أقلّ مقارنةً مع إشارة عمل الترانزستور الصّغيرة ممّا يتطلّب تيارات قاعدة كبيرة تعطى للحمل حتى يعمل.
  • تستخدِم تشكيلة دارلنغتون ترانزستورين بترتيب معيّن (موصولين مع بعضهما البعض)، أحدهما يوفّر التيّار الأساسيّ للترانزستور بينما يعمل الآخر كمفتاح، ويبدو أصغر بكثير ويزوَّد بتيّار القاعدة لقيادة الترانزستور الأساسيّ، وبالنتيجة يمكن لتيّار القاعدة الصغير أن يشغّل حملاً كبيراً حيث يتضاعف ربح التيّار المستمرّ للترانزستورين معاً، أي يمكن اعتبار الترانزستورين كترانزستور واحد وبربح عالٍ جداً β مع مقاومة دخل عالية أيضاً.
  • تتوفر ترانزستورات دارلنغتون نوع Sziklai المركّبة إضافةً لترانزستورات دارلنغتون التقليديّة والتي تتكوّن من ترانزستورين أحدهما PNP والآخر NPN موصولة مع بعضها لتحسين الكفاءة.
  • تتوفّر أيضاً مصفوفات دارلنغتون ومنها مصفوفة ULN2003A والتي تسمح بقيادة الأحمال عالية الاستطاعة والأحمال الحثيّة التّحريضيّة كالمصابيح والمحرّكات بشكل آمن من خلال المتحكّمات الصغيرة والمستخدمة بالعديد من التطبيقات كتطبيقات الروبوت والميكاترونيك.

المصدر: هنا

ترجمة: سارة خضر, مراجعة: علي العلي, تدقيق لغوي: رنيم العلي, تصميم: علي العلي, تحرير: قحطان غانم.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *