달링턴 트랜지스터

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달링턴 트랜지스터

2개의 바이폴라 트랜지스터로 구성된 달링턴 트랜지스터 구성은 주어진 기본 전류에 대해 증가된 전류 스위칭을 제공합니다.

발명가 Sidney Darlington의 이름을 딴 달링턴 트랜지스터는 서로 연결된 두 개의 표준 NPN 또는 PNP 양극 접합 트랜지스터(BJT)를 특수하게 배열한 것 입니다 . 한 트랜지스터의 이미터는 다른 트랜지스터의 베이스에 연결되어 전류 증폭 또는 스위칭이 필요한 응용 분야에 유용한 훨씬 더 큰 전류 이득을 갖춘 보다 민감한 트랜지스터를 생성합니다.

달링턴 트랜지스터 쌍은 개별적으로 연결된 두 개의 양극성 트랜지스터 또는 표준(베이스, 이미터 및 컬렉터 연결 리드)을 사용하여 단일 패키지로 상업적으로 제조된 하나의 단일 장치로 만들 수 있으며 다양한 케이스 스타일과 전압(및 전류)으로 제공됩니다. NPN 및 PNP 버전 모두에서 정격을 제공합니다.

스위치 튜토리얼 에서 본 것처럼 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)는 증폭기로 사용될 뿐만 아니라 ON-OFF 스위치로 작동하도록 만들 수 있습니다.

스위치로서의 양극성 트랜지스터

 

NPN 트랜지스터의 베이스 단자가 접지되면(0V) 베이스로 전류가 0(즉, Ib = 0)으로 흐릅니다. 베이스 단자가 접지되면 콜렉터에서 이미터 단자로 전류가 흐르지 않으므로 비전도성 NPN 트랜지스터 "OFF"(차단)로 전환됩니다. 이제 0.7V보다 큰 전압 소스를 사용하여 이미터에 대해 베이스 단자를 순방향 바이어스하면 트랜지스터 동작이 발생하여 콜렉터와 이미터 단자 사이의 트랜지스터를 통해 훨씬 더 큰 전류가 흐르게 됩니다. 이제 트랜지스터가 "ON"(전도 중)으로 전환되었다고 합니다. 이 두 가지 차단 모드와 전도 모드 사이에서 트랜지스터를 작동하면 트랜지스터가 전자 스위치로 작동하도록 만들 수 있습니다.

그러나 트랜지스터의 베이스 단자는 트랜지스터가 완전히 전도되도록 하기 위해 0과 0.7V보다 훨씬 큰 양의 값 사이에서 전환되어야 합니다. 전압이 높을수록 베이스 전류 Ib가 장치로 흘러들어 컬렉터 전류 Ic가 커지고 콜렉터 단자와 이미터 단자의 전압 강하 Vce 가 작아집니다. 그러면 베이스 단자에 흐르는 전류가 작아지면 컬렉터와 이미터 사이에 훨씬 더 큰 전류가 흐를 수 있음을 알 수 있습니다.

베이스 전류에 대한 콜렉터 전류의 비율( β )은 트랜지스터의 전류 이득 으로 알려져 있습니다 . 표준 바이폴라 트랜지스터의 일반적인 β 값 은 50~200 범위일 수 있으며 동일한 부품 번호의 트랜지스터 간에도 다릅니다. 단일 트랜지스터의 전류 이득이 너무 낮아 부하를 직접 구동할 수 없는 경우 이득을 높이는 한 가지 방법은 Darlington 쌍을 사용하는 것입니다.

"달링턴 쌍" 또는 "슈퍼 알파 회로"라고도 알려진 달링턴 트랜지스터 구성은 두 개의 NPN 또는 PNP 트랜지스터가 서로 연결되어 첫 번째 트랜지스터 TR1의 이미터 전류가 두 번째 트랜지스터 TR 의 베이스 전류가 되도록 구성됩니다. 2 . 그런 다음 트랜지스터 TR1은 아래 그림과 같이 이미터 팔로워로 연결되고 TR2는 공통 이미터 증폭기로 연결됩니다.

또한 이 달링턴 쌍 구성에서 슬레이브 또는 제어 트랜지스터 TR1 의 컬렉터 전류는 마스터 스위칭 트랜지스터 TR2 의 컬렉터 전류와 "동위상"입니다 .

기본 달링턴 트랜지스터 구성

NPN Darlington 쌍을 예로 사용하면 두 트랜지스터의 컬렉터가 함께 연결되고 TR 1 의 이미터가 TR 2 의 베이스를 구동합니다 . 이 구성은 베이스 전류 i b 의 경우 콜렉터 전류가 β*i b 이기 때문에 β 곱셈을 달성합니다. 여기서 전류 이득은 1보다 크고 이는 다음과 같이 정의됩니다.

그러나 베이스 전류 I B2 는 트랜지스터 TR1 이미터 전류 I E1 과 동일하며 TR1 의 이미터는 TR2 의 베이스에 연결됩니다 . 그러므로:

그런 다음 첫 번째 방정식을 다음과 같이 대체합니다.

 

여기서 β 1 과 β 2 는 개별 트랜지스터의 이득입니다.

이는 전체 전류 이득 β가 두 트랜지스터의 전류 이득이 곱해짐에 따라 첫 번째 트랜지스터의 이득에 두 번째 트랜지스터의 이득을 곱하여 주어진다는 것을 의미합니다. 즉, 바이폴라 트랜지스터 쌍을 결합하여 단일 달링턴 트랜지스터 쌍을 만드는 것은 β 값이 매우 높고 결과적으로 입력 저항도 높은 단일 트랜지스터로 간주할 수 있습니다.

달링턴 트랜지스터 예제 No1

두 개의 NPN 트랜지스터가 달링턴 쌍 형태로 함께 연결되어 12V 75W 할로겐 램프를 전환합니다. 첫 번째 트랜지스터의 순방향 전류 이득이 25이고 두 번째 트랜지스터의 순방향 전류 이득(베타)이 80인 경우 두 트랜지스터의 전압 강하를 무시하고 램프를 완전히 켜는 데 필요한 최대 베이스 전류를 계산합니다.

첫째, 램프에 의해 유입되는 전류는 두 번째 트랜지스터의 컬렉터 전류와 동일하며 다음과 같습니다.

위의 방정식을 사용하면 베이스 전류는 다음과 같이 주어진다.

그런 다음 디지털 논리 게이트 또는 마이크로 컨트롤러의 출력 포트에서 공급되는 것과 같은 3.0mA의 매우 작은 기본 전류를 사용하여 75W 램프를 "ON" 및 "OFF"로 전환할 수 있음을 알 수 있습니다. .

두 개의 동일한 바이폴라 트랜지스터를 사용하여 단일 Darlington 장치를 만드는 경우 β 1 은 β 2 와 같고 전체 전류 이득은 다음과 같이 주어집니다.

일반적으로 β 2 의 값은 2β 의 값보다 훨씬 크며 , 이 경우 수학을 약간 단순화하기 위해 무시할 수 있습니다. 그런 다음 Darlington 쌍으로 구성된 두 개의 동일한 트랜지스터에 대한 최종 방정식은 다음과 같이 작성할 수 있습니다.

동일한 달링턴 트랜지스터

그러면 우리는 두 개의 동일한 트랜지스터에 대해 엄청난 양의 이득을 갖는 하나의 큰 트랜지스터처럼 작동하는 β 대신 β 2 가 사용된다는 것을 알 수 있습니다 . 수 암페어의 최대 컬렉터 전류로 1,000개 이상의 전류 이득을 갖는 달링턴 트랜지스터 쌍을 쉽게 사용할 수 있습니다. 예를 들어 NPN TIP120 및 해당 PNP는 TIP125 와 동일합니다 .

이와 같은 배열을 사용하는 이점은 훨씬 더 큰 부하 전류를 전환하는 데 작은 베이스 전류만 필요하므로 스위칭 트랜지스터가 훨씬 더 민감하다는 것입니다. 일반적으로 달링턴 구성의 일반적인 이득은 1,000을 초과할 수 있지만 단일 트랜지스터 스테이지는 약 50~200의 이득을 생성합니다.

그런 다음 이득이 1,000:1인 달링턴 쌍이 단 1mA의 입력 베이스 전류로 컬렉터-이미터 회로에서 1암페어의 출력 전류를 전환할 수 있음을 알 수 있습니다. 그러면 그림과 같이 달링턴 트랜지스터가 릴레이, 램프 및 모터와 저전력 마이크로 컨트롤러, 컴퓨터 또는 로직 컨트롤러를 인터페이스하는 데 이상적입니다.

달링턴 트랜지스터 애플리케이션

달링턴 트랜지스터의 베이스는 스위치나 TTL 또는 5V CMOS 로직 게이트에서 직접 들어오는 작은 입력 전류에 반응할 만큼 충분히 민감합니다. 모든 달링턴 쌍의 최대 콜렉터 전류 Ic(max)는 메인 스위칭 트랜지스터 TR 2 의 전류와 동일하므로 릴레이, DC 모터, 솔레노이드 및 램프 등을 작동하는 데 사용할 수 있습니다.

달링턴 트랜지스터 쌍의 주요 단점 중 하나는 완전히 포화되었을 때 베이스와 이미터 사이의 최소 전압 강하입니다. 완전히 켜졌을 때 0.3v에서 0.7v 사이의 포화 전압 강하를 갖는 단일 트랜지스터와 달리 Darlington 장치는 베이스-이미터 전압 강하가 두 배(0.6V 대신 1.2V)입니다. 두 개의 개별 트랜지스터의 베이스-이미터 다이오드 강하의 합은 트랜지스터를 통과하는 전류에 따라 0.6v에서 1.5v 사이가 될 수 있습니다.

이러한 높은 베이스-이미터 전압 강하는 달링턴 트랜지스터가 주어진 부하 전류에 대해 일반 바이폴라 트랜지스터보다 더 뜨거워질 수 있으므로 우수한 방열판이 필요하다는 것을 의미합니다. 또한 달링턴 트랜지스터는 슬레이브 트랜지스터 TR 1 이 마스터 트랜지스터 TR 2 를 완전히 ON 또는 완전히 OFF로 전환하는 데 더 오랜 시간이 걸리기 때문에 ON-OFF 응답 시간이 더 느립니다 .

표준 달링턴 트랜지스터 장치의 느린 응답, 증가된 전압 강하 및 열적 단점을 극복하기 위해 보완적인 NPN 및 PNP 트랜지스터를 동일한 계단식 배열에 사용하여 Sziklai 구성 이라고 하는 또 다른 유형의 달링턴 트랜지스터를 생성할 수 있습니다 .

Sziklai 트랜지스터 쌍

헝가리 발명가 George Sziklai의 이름을 딴 Sziklai Darlington 쌍은 아래와 같이 함께 연결된 별도의 NPN 및 PNP 보완 트랜지스터로 구성된 보완 또는 복합 Darlington 장치 입니다 .

NPN 및 PNP 트랜지스터의 계단식 조합은 Sziklai 쌍이 켜기 위해 0.6v만 필요하고 표준 Darlington 구성과 마찬가지로 전류 이득이 다음과 같다는 점을 제외하고는 Darlington 쌍과 동일한 기본 기능을 수행한다는 장점이 있습니다. β 2 는 동일하게 정합된 트랜지스터에 대한 것이며, 또는 비정합 개별 트랜지스터에 대한 두 전류 이득의 곱으로 제공됩니다.

Sziklai 달링턴 트랜지스터 구성

Sziklai 장치의 베이스-이미터 전압 강하는 신호 경로에 있는 단일 트랜지스터의 다이오드 강하와 동일하다는 것을 알 수 있습니다. 그러나 Sziklai 구성은 하나의 전체 다이오드 드롭 미만, 즉 일반적인 0.2v 대신 0.7v로 포화될 수 없습니다.

또한 Darlington 쌍과 마찬가지로 Sziklai 쌍은 단일 트랜지스터보다 응답 시간이 느립니다. Sziklai 쌍 상보형 트랜지스터는 일반적으로 푸시풀 및 클래스 AB 오디오 증폭기 출력단에 사용되어 출력 트랜지스터의 한 극성만 허용합니다. Darlington 및 Sziklai 트랜지스터 쌍은 모두 NPN 및 PNP 구성으로 제공됩니다.

달링턴 트랜지스터 IC

대부분의 전자 애플리케이션에서는 제어 회로가 DC 출력 전압 또는 전류를 "ON" 또는 "OFF"로 직접 전환하는 것만으로도 충분합니다. LED나 디스플레이와 같은 일부 출력 장치는 낮은 DC 전압에서 작동하는 데 몇 밀리암페어만 필요하기 때문입니다. 표준 논리 게이트의 출력에 의해 직접 구동됩니다.

그러나 위에서 본 것처럼 DC 모터와 같은 출력 장치를 작동하려면 일반 논리 게이트나 마이크로 컨트롤러에서 공급할 수 있는 것보다 더 많은 전력이 필요한 경우가 있습니다. 디지털 논리 장치가 충분한 전류를 공급할 수 없는 경우 장치를 구동하려면 추가 회로가 필요합니다.

일반적으로 사용되는 달링턴 트랜지스터 칩 중 하나는 ULN2003 어레이입니다. 달링턴 어레이 제품군은 모두 단일 IC 패키지 내에 7개의 개방형 콜렉터 달링턴 쌍을 포함하는 고전압, 고전류 달링턴 어레이인 ULN2002A, ULN2003A 및 ULN2004A로 구성됩니다.

어레이의 각 채널 정격은 500mA이고 최대 600mA의 피크 전류를 견딜 수 있으므로 소형 모터나 램프 또는 고전력 반도체의 게이트와 베이스를 제어하는 ​​데 이상적입니다. 유도 부하 구동을 위해 추가 억제 다이오드가 포함되어 있으며 입력은 출력 반대편에 고정되어 연결 및 보드 레이아웃을 단순화합니다.

ULN2003A 달링턴 트랜지스터 어레이

ULN2003A 는 효율이 높고 전력 소비가 낮은 저렴한 단극 달링턴 트랜지스터 어레이로, 솔레노이드, DC 모터 릴레이, LED 디스플레이 또는 필라멘트 램프를 포함한 광범위한 부하를 구동하는 데 유용합니다. ULN2003A에는 그림과 같이 각각 왼쪽에 입력 핀이 있고 오른쪽에 출력 핀이 있는 7개의 달링턴 트랜지스터 쌍이 포함되어 있습니다.

ULN2003A 달링턴 트랜지스터 어레이

ULN2003A Darlington 드라이버는 TTL 또는 +5V CMOS 로직 게이트에서 직접 구동할 수 있는 매우 높은 입력 임피던스와 전류 이득을 제공합니다. +15V CMOS 로직의 경우 ULN2004A를 사용하고 최대 100V의 더 높은 스위칭 전압의 경우 SN75468 Darlington 어레이를 사용하는 것이 더 좋습니다.

입력(핀 1~7)이 "HIGH"로 구동되면 해당 출력이 "LOW" 싱킹 전류로 전환됩니다. 마찬가지로 입력이 "LOW"로 구동되면 해당 출력이 높은 임피던스 상태로 전환됩니다. 이 고임피던스 "OFF" 상태는 부하 전류를 차단하고 장치를 통한 누설 전류를 줄여 효율성을 향상시킵니다.

핀 8(GND)은 접지 부하 또는 0V에 연결되고, 핀 9(Vcc)는 부하 공급 장치에 연결됩니다. 그런 다음 +Vcc와 출력 핀(핀 10~16) 사이에 부하를 연결해야 합니다. 모터, 릴레이, 솔레노이드 등과 같은 유도 부하의 경우 핀 9를 항상 Vcc에 연결해야 합니다.

ULN2003A는 채널당 500mA(0.5A)를 스위칭할 수 있지만 더 많은 스위칭 전류 용량이 필요한 경우 더 높은 전류 용량을 위해 Darlington 쌍의 입력 및 출력을 함께 병렬로 연결할 수 있습니다. 예를 들어 입력 핀 1과 2는 함께 연결되고 출력 핀 16과 15는 함께 연결되어 부하를 전환합니다.

달링턴 트랜지스터 요약

달링턴 트랜지스터는 기존 소신호 접합 트랜지스터보다 몇 배 더 높은 개별 전류 및 전압 정격을 갖춘 고전력 반도체 장치입니다.

표준 고전력 NPN 또는 PNP 트랜지스터의 DC 전류 이득 값은 소신호 스위칭 트랜지스터에 비해 상대적으로 낮습니다(20 이하). 이는 주어진 부하를 전환하려면 큰 베이스 전류가 필요함을 의미합니다.

달링턴 배열은 두 개의 트랜지스터를 연속적으로 사용하는데, 그 중 하나는 주 전류를 전달하는 트랜지스터이고, 다른 하나는 훨씬 더 작은 "스위칭" 트랜지스터로 주 트랜지스터를 구동하기 위한 베이스 전류를 제공합니다. 결과적으로, 두 트랜지스터의 DC 전류 이득이 함께 곱해지기 때문에 더 작은 베이스 전류를 사용하여 훨씬 더 큰 부하 전류를 전환할 수 있습니다. 그러면 두 개의 트랜지스터 조합은 매우 높은 β 값 과 결과적으로 높은 입력 저항을 갖는 하나의 단일 트랜지스터로 간주될 수 있습니다.

표준 PNP 및 NPN 달링턴 트랜지스터 쌍뿐만 아니라 효율성을 향상시키기 위해 동일한 달링턴 쌍 내에서 서로 연결된 별도의 매칭 NPN 및 PNP 보완 트랜지스터로 구성된 보완 Sziklai 달링턴 트랜지스터도 사용할 수 있습니다.

또한 ULN2003A와 같은 Darlington 어레이를 사용하면 램프, 솔레노이드 및 모터와 같은 고전력 또는 유도 부하를 로봇 및 메카트로닉 유형 응용 분야에서 마이크로프로세서 및 마이크로 컨트롤러 장치로 안전하게 구동할 수 있습니다.