Transistor Darlington dan Pasangan Transistor Sziklai
Konfigurasi Transistor Darlington dari dua transistor bipolar menawarkan peningkatan perpindahan arus untuk arus Base / dasar yang diberikan.
Transistor Darlington dinamai oleh penemunya, Sidney Darlington yaitu pengaturan khusus dari dua standar transistor NPN atau PNP dari transistor bipolar junction (BJT) yang terhubung bersama-sama. Emitter dari satu transistor terhubung ke Base yang lain untuk menghasilkan transistor yang lebih sensitif dengan gain arus jauh lebih besar yang berguna dalam aplikasi di mana arus amplifikasi atau switching diperlukan.
Pasangan Transistor Darlington bisa dibuat dari dua transistor bipolar yang terhubung bersama secara individual atau satu perangkat tunggal yang dibuat secara komersial dalam satu paket dengan standar: Base, Emitter, dan Collector penghubung yang akan menghubungkan dan tersedia dalam berbagai macam gaya rangkaian dan tegangan (dan arus) peringkat dalam versi Transistor NPN dan Transistor PNP.
Seperti yang kita lihat di tutorial Transistor sebagai Sakelar, dan juga digunakan sebagai Penguat (amplifier), bipolar junction transistor, (BJT) dapat dibuat beroperasi sebagai sakelar ON-OFF seperti yang ditunjukkan.
Ketika Base dari transistor NPN di-ground (0 volt) dan tidak ada arus Base, Ib mengalir, tidak ada arus yang mengalir dari Emitter ke Collector dan oleh karena itu transistor di-Sakelar “OFF”. Jika Base forward bias lebih dari 0.7 volt, arus akan mengalir dari Emitter ke Collector dan transistor dikatakan diaktifkan "ON". Ketika dioperasikan dalam dua mode ini, transistor beroperasi sebagai sakelar.
Masalahnya di sini adalah bahwa Base transistor perlu beralih antara nol dan beberapa besar, nilai positif untuk transistor menjadi jenuh di mana titik arus Base meningkat, Ib mengalir ke perangkat yang mengakibatkan arus Collector Ic menjadi besar sementara Vce kecil. Kemudian kita dapat melihat bahwa arus kecil di Base dapat mengontrol arus yang jauh lebih besar yang mengalir di antara Collector dan Emitter.
Rasio arus Collector ke arus Base ( β ) dikenal sebagai gain arus dari transistor. Nilai ideal β untuk transistor bipolar standar mungkin berkisar antara 50 hingga 200 dan bervariasi bahkan antara transistor dengan nomor bagian yang sama. Dalam beberapa kasus di mana gain arus dari satu transistor terlalu rendah untuk secara langsung menggerakkan beban, salah satu cara untuk meningkatkan gain adalah dengan menggunakan pasangan Darlington.
Sebuah konfigurasi Transistor Darlington, juga dikenal sebagai “pasangan Darlington” atau “rangkaian super-alpha”, terdiri dari dua transistor NPN atau PNP terhubung bersama-sama sehingga arus Emitter dari transistor pertama TR1 menjadi arus Base dari transistor kedua TR2. Kemudian transistor TR1 terhubung sebagai pengikut Emitter dan TR2 sebagai penguat Common-Emitter seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
Juga perhatikan bahwa dalam konfigurasi pasangan Darlington ini, arus Collector dari slave atau transistor kontrol, TR1 adalah “in-phase” dengan transistor master Switching TR2.
Dengan menggunakan pasangan transistor NPN Darlington sebagai contoh, Collector dua transistor dihubungkan bersama, dan Emitter TR1 menggerakkan Base TR2. Konfigurasi ini mencapai perkalian β karena untuk arus Base ib, arus Collector adalah β*ib di mana gain arus lebih dari satu, atau kesatuan dan ini didefinisikan sebagai:
IC = IC1 + IC2
Tetapi arus Base, IB2 sama dengan transistor TR1 arus Emitter, IE1 sebagai Emitter TR1 terhubung ke Base TR2. Karena itu:
Kemudian menggantikan dalam persamaan pertama:
IC = β1 . IC + β2 (β1 . 1) . IB
Di mana β1 dan β2 adalah gain dari masing-masing transistor.
Ini berarti bahwa gain arus keseluruhan, β diberikan oleh gain dari transistor pertama dikalikan dengan gain dari transistor kedua sebagai gain arus dari dua transistor berlipat ganda. Dengan kata lain, sepasang transistor bipolar digabungkan bersama untuk membuat pasangan transistor Darlington tunggal dapat dianggap sebagai transistor tunggal dengan nilai β yang sangat tinggi dan akibatnya resistansi input yang tinggi.
Pertama, arus yang ditarik oleh lampu akan sama dengan arus Collector dari transistor kedua, kemudian:
Menggunakan persamaan di atas, arus Base diberikan sebagai:
Kemudian kita dapat melihat bahwa arus Base yang sangat kecil hanya 3.0mA, seperti yang disupply oleh gerbang logika digital atau port output mikro-controller, dapat digunakan untuk mengganti lampu 75 Watt "ON" dan "OFF".
Jika dua transistor bipolar identik digunakan untuk membuat perangkat Darlington tunggal maka β1 sama dengan β2 dan gain arus keseluruhan akan diberikan sebagai:
Umumnya nilai β2 jauh lebih besar dari 2β, dalam hal ini dapat diabaikan untuk menyederhanakan matematika sedikit. Kemudian persamaan terakhir untuk dua transistor identik yang dikonfigurasi sebagai pasangan Darlington dapat ditulis sebagai:
Kemudian kita dapat melihat bahwa untuk dua transistor identik, β2 digunakan sebagai ganti β yang bertindak seperti satu transistor besar dengan jumlah gain yang besar. Transistor Darlington berpasangan dengan gain arus lebih dari seribu dengan arus Collector maksimum beberapa ampere mudah tersedia. Misalnya: NPN TIP120 dan PNP-nya setara dengan TIP125.
Keuntungan menggunakan pengaturan seperti ini, adalah bahwa Sakelaring transistor jauh lebih sensitif karena hanya arus Base kecil yang diperlukan untuk mengganti arus beban yang jauh lebih besar karena keuntungan ideal dari konfigurasi Darlington bisa lebih dari 1.000 sedangkan biasanya satu tahap transistor menghasilkan gain sekitar 50 hingga 200.
Kemudian kita dapat melihat bahwa sepasang darlington dengan gain 1.000:1, dapat mengubah arus output 1 ampere di rangkaian Collector-Collector dengan arus Base input hanya 1mA. Ini kemudian menjadikan transistor darlington ideal untuk berinteraksi dengan relai, lampu, dan motor ke mikrokontroler berdaya rendah, pengontrol komputer atau logika seperti yang ditunjukkan.
Transistor Darlington dinamai oleh penemunya, Sidney Darlington yaitu pengaturan khusus dari dua standar transistor NPN atau PNP dari transistor bipolar junction (BJT) yang terhubung bersama-sama. Emitter dari satu transistor terhubung ke Base yang lain untuk menghasilkan transistor yang lebih sensitif dengan gain arus jauh lebih besar yang berguna dalam aplikasi di mana arus amplifikasi atau switching diperlukan.
Pasangan Transistor Darlington bisa dibuat dari dua transistor bipolar yang terhubung bersama secara individual atau satu perangkat tunggal yang dibuat secara komersial dalam satu paket dengan standar: Base, Emitter, dan Collector penghubung yang akan menghubungkan dan tersedia dalam berbagai macam gaya rangkaian dan tegangan (dan arus) peringkat dalam versi Transistor NPN dan Transistor PNP.
Seperti yang kita lihat di tutorial Transistor sebagai Sakelar, dan juga digunakan sebagai Penguat (amplifier), bipolar junction transistor, (BJT) dapat dibuat beroperasi sebagai sakelar ON-OFF seperti yang ditunjukkan.
Transistor Bipolar sebagai Sakelar
Ketika Base dari transistor NPN di-ground (0 volt) dan tidak ada arus Base, Ib mengalir, tidak ada arus yang mengalir dari Emitter ke Collector dan oleh karena itu transistor di-Sakelar “OFF”. Jika Base forward bias lebih dari 0.7 volt, arus akan mengalir dari Emitter ke Collector dan transistor dikatakan diaktifkan "ON". Ketika dioperasikan dalam dua mode ini, transistor beroperasi sebagai sakelar.
Masalahnya di sini adalah bahwa Base transistor perlu beralih antara nol dan beberapa besar, nilai positif untuk transistor menjadi jenuh di mana titik arus Base meningkat, Ib mengalir ke perangkat yang mengakibatkan arus Collector Ic menjadi besar sementara Vce kecil. Kemudian kita dapat melihat bahwa arus kecil di Base dapat mengontrol arus yang jauh lebih besar yang mengalir di antara Collector dan Emitter.
Rasio arus Collector ke arus Base ( β ) dikenal sebagai gain arus dari transistor. Nilai ideal β untuk transistor bipolar standar mungkin berkisar antara 50 hingga 200 dan bervariasi bahkan antara transistor dengan nomor bagian yang sama. Dalam beberapa kasus di mana gain arus dari satu transistor terlalu rendah untuk secara langsung menggerakkan beban, salah satu cara untuk meningkatkan gain adalah dengan menggunakan pasangan Darlington.
Sebuah konfigurasi Transistor Darlington, juga dikenal sebagai “pasangan Darlington” atau “rangkaian super-alpha”, terdiri dari dua transistor NPN atau PNP terhubung bersama-sama sehingga arus Emitter dari transistor pertama TR1 menjadi arus Base dari transistor kedua TR2. Kemudian transistor TR1 terhubung sebagai pengikut Emitter dan TR2 sebagai penguat Common-Emitter seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
Juga perhatikan bahwa dalam konfigurasi pasangan Darlington ini, arus Collector dari slave atau transistor kontrol, TR1 adalah “in-phase” dengan transistor master Switching TR2.
Konfigurasi Dasar Transistor Darlington
Dengan menggunakan pasangan transistor NPN Darlington sebagai contoh, Collector dua transistor dihubungkan bersama, dan Emitter TR1 menggerakkan Base TR2. Konfigurasi ini mencapai perkalian β karena untuk arus Base ib, arus Collector adalah β*ib di mana gain arus lebih dari satu, atau kesatuan dan ini didefinisikan sebagai:
IC = IC1 + IC2
IC = β1 . IB + β2 . IB2
IB2 = IE1 =IC1 + IB = β1 . IB + IB = (β1 + 1) . IB
Kemudian menggantikan dalam persamaan pertama:
IC = β1 . IC + β2 (β1 . 1) . IB
IC = β1 . IC + β2 . β1 . IB + β2 . IB
IC = (β1 + (β2 . β1) + β2) . IB
Di mana β1 dan β2 adalah gain dari masing-masing transistor.
Ini berarti bahwa gain arus keseluruhan, β diberikan oleh gain dari transistor pertama dikalikan dengan gain dari transistor kedua sebagai gain arus dari dua transistor berlipat ganda. Dengan kata lain, sepasang transistor bipolar digabungkan bersama untuk membuat pasangan transistor Darlington tunggal dapat dianggap sebagai transistor tunggal dengan nilai β yang sangat tinggi dan akibatnya resistansi input yang tinggi.
Contoh: Transistor Darlington No.1
Dua transistor NPN dihubungkan bersama dalam bentuk sepasang Darlington untuk mengganti lampu halogen 12V 75W. Jika kenaikan arus maju dari transistor pertama adalah 25 dan kenaikan arus maju (Beta) dari transistor kedua adalah 80. Mengabaikan tegangan yang turun di kedua transistor, hitung arus Base maksimum yang diperlukan untuk mengganti lampu sepenuhnya-ON.Pertama, arus yang ditarik oleh lampu akan sama dengan arus Collector dari transistor kedua, kemudian:
Menggunakan persamaan di atas, arus Base diberikan sebagai:
Kemudian kita dapat melihat bahwa arus Base yang sangat kecil hanya 3.0mA, seperti yang disupply oleh gerbang logika digital atau port output mikro-controller, dapat digunakan untuk mengganti lampu 75 Watt "ON" dan "OFF".
Jika dua transistor bipolar identik digunakan untuk membuat perangkat Darlington tunggal maka β1 sama dengan β2 dan gain arus keseluruhan akan diberikan sebagai:
Jika β1 = β2
IC = (β1 + (β2 . β1) + β2 ) . IB
∴ IC = (β2 + 2β) . IB
Umumnya nilai β2 jauh lebih besar dari 2β, dalam hal ini dapat diabaikan untuk menyederhanakan matematika sedikit. Kemudian persamaan terakhir untuk dua transistor identik yang dikonfigurasi sebagai pasangan Darlington dapat ditulis sebagai:
Transistor Darlington Identik
IC = (β2 x IB)
Keuntungan menggunakan pengaturan seperti ini, adalah bahwa Sakelaring transistor jauh lebih sensitif karena hanya arus Base kecil yang diperlukan untuk mengganti arus beban yang jauh lebih besar karena keuntungan ideal dari konfigurasi Darlington bisa lebih dari 1.000 sedangkan biasanya satu tahap transistor menghasilkan gain sekitar 50 hingga 200.
Kemudian kita dapat melihat bahwa sepasang darlington dengan gain 1.000:1, dapat mengubah arus output 1 ampere di rangkaian Collector-Collector dengan arus Base input hanya 1mA. Ini kemudian menjadikan transistor darlington ideal untuk berinteraksi dengan relai, lampu, dan motor ke mikrokontroler berdaya rendah, pengontrol komputer atau logika seperti yang ditunjukkan.
Aplikasi Transistor Darlington
Base transistor Darlington cukup sensitif untuk merespons arus input kecil dari sakelar atau langsung dari gerbang logika TTL atau 5V CMOS. Ic arus Collector maksimum (maks) untuk setiap pasangan Darlington sama dengan yang untuk Sakelaring transistor utama, TR2 sehingga dapat digunakan untuk mengoperasikan Relai, Motor DC, solenoida dan lampu, dll.
Salah satu kelemahan utama dari pasangan transistor Darlington adalah penurunan tegangan minimum antara Base dan Emitter ketika jenuh penuh. Tidak seperti transistor tunggal yang memiliki drop tegangan jenuh antara 0.3v dan 0.7v ketika sepenuhnya-ON, perangkat Darlington memiliki dua kali penurunan tegangan Base-Emitter (1.2V bukannya 0.6V) karena penurunan tegangan Base-Emitter adalah jumlah penurunan dioda Base-Emitter dari dua transistor individu yang dapat antara 0.6v sampai 1.5v tergantung pada arus melalui transistor.
Penurunan tegangan Base-Emitter yang tinggi ini berarti bahwa transistor Darlington bisa menjadi lebih panas daripada transistor bipolar normal untuk arus beban yang diberikan dan karenanya memerlukan pendinginan yang baik. Juga, transistor Darlington memiliki waktu respons ON-OFF yang lebih lambat karena dibutuhkan lebih lama untuk transistor slave TR1 untuk mengubah transistor master TR2 sepenuhnya-ON atau sepenuhnya-OFF.
Untuk mengatasi respons yang lambat, peningkatan penurunan tegangan dan kerugian panas dari perangkat Transistor Darlington standar, transistor NPN dan PNP komplementer dapat digunakan dalam pengaturan bertingkat yang sama untuk menghasilkan jenis lain dari transistor Darlington yang disebut Konfigurasi Sziklai.
Pasangan Transistor Sziklai
Pasangan Sziklai Darlington, dinamai oleh penemu Hungaria George Sziklai, adalah perangkat Darlington komplementer atau komponen yang terdiri dari transistor pelengkap NPN dan PNP terpisah yang dihubungkan bersama seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
Kombinasi bertingkat dari transistor NPN dan PNP ini memiliki keuntungan bahwa pasangan Sziklai melakukan fungsi dasar yang sama dari pasangan Darlington kecuali bahwa hanya membutuhkan 0.6v untuk mengaktifkan-ON dan seperti konfigurasi Darlington standar, kenaikan arus sama dengan β2 untuk transistor yang sama cocok atau diberikan oleh hasil dari dua gain arus untuk transistor individu yang tidak cocok.
Konfigurasi Transistor Sziklai Darlington
Kita dapat melihat bahwa penurunan tegangan Base-Emitter dari perangkat Sziklai sama dengan penurunan dioda dari satu transistor di jalur sinyal. Namun, konfigurasi Sziklai tidak dapat memenuhi hingga kurang dari satu penurunan Dioda utuh, yaitu 0.7v, bukan 0.2v yang biasa.
Juga, seperti halnya pasangan Darlington, pasangan Sziklai memiliki waktu respons yang lebih lambat daripada transistor tunggal. Transistor pasangan Sziklai pelengkap umumnya digunakan dalam tahap output Push-pull dan audio amplifier kelas AB yang memungkinkan untuk satu polaritas transistor output saja. Pasangan transistor Darlington dan Sziklai tersedia dalam konfigurasi transistor NPN dan PNP.
IC Transistor Darlington
Dalam sebagian besar aplikasi elektronik, cukup untuk mengendalikan rangkaian untuk mengalihkan arus atau tegangan output DC atau "ON" atau "OFF" secara langsung karena beberapa perangkat output seperti LED atau display hanya memerlukan beberapa miliamp untuk beroperasi pada tegangan DC rendah dan karenanya dapat didorong langsung oleh output dari gerbang logika standar.
Namun seperti yang telah kita lihat di atas, kadang-kadang lebih banyak daya diperlukan untuk mengoperasikan perangkat output seperti motor DC daripada yang dapat disediakan oleh gerbang logika biasa atau mikrocontroller. Jika perangkat logika digital tidak dapat memasok arus yang cukup maka diperlukan rangkaian tambahan untuk menggerakkan perangkat.
Salah satu chip transistor Darlington yang umum digunakan adalah array ULN2003. Keluarga susunan darlington terdiri dari ULN2002A, ULN2003A dan ULN2004A yang semuanya bertegangan tinggi, susunan darlington arus tinggi masing-masing berisi tujuh pasang darlington Collector terbuka dalam satu paket IC.
Setiap saluran atau channel dari susunan diberi nilai 500mA dan dapat menahan arus puncak hingga 600mA sehingga ideal untuk mengendalikan motor kecil atau lampu atau gerbang dan Base semikonduktor daya tinggi. Dioda penekan tambahan disertakan untuk penggerak beban induktif dan input disematkan berlawanan dengan output untuk menyederhanakan koneksi dan tata letak papan.
IC-ULN2003A Transistor Darlington
IC - ULN2003A adalah susunan Transistor Darlington unipolar murah dengan efisiensi tinggi dan konsumsi daya yang rendah sehingga berguna untuk penggerak berbagai beban termasuk Solenoida, Relay DC Motor dan menampilkan LED atau lampu filamen. IC - ULN2003A berisi tujuh pasang transistor darlington masing-masing dengan pin input di sebelah kiri dan pin output di sebelah kanan seperti yang ditunjukkan.
Susunan IC - ULN2003A Transistor Darlington
Penggerak Darlington ULN2003A memiliki impedansi input dan penguatan gain yang sangat tinggi yang dapat digerakkan langsung dari gerbang logika TTL atau +5V CMOS. Untuk +15V logika CMOS gunakan ULN2004A dan untuk tegangan Sakelaring yang lebih tinggi hingga 100V, lebih baik menggunakan susunan Darlington SN75468.
Ketika input (pin 1 hingga 7) digerakkan "TINGGI", output yang sesuai akan beralih "RENDAH" arus tenggelam/sinking. Demikian juga, ketika input digerakkan "RENDAH" output yang sesuai beralih ke keadaan impedansi tinggi. Status “OFF” impedansi tinggi ini memblokir arus beban dan mengurangi arus bocor melalui perangkat yang meningkatkan efisiensi.
Pin 8, (GND) terhubung ke ground pembebanan atau 0 volt, sedangkan pin 9 (Vcc) terhubung ke supply beban. Maka setiap beban perlu dihubungkan antara +Vcc dan pin output, pin 10 hingga 16. Untuk beban induktif seperti motor, relay dan solenoida, dll, pin 9 harus selalu terhubung ke Vcc.
IC - ULN2003A mampu beralih 500mA (0.5A) per saluran tetapi jika lebih banyak kemampuan arus Sakelaring diperlukan maka kedua pasang dan input Darlington dapat diparalelkan bersama untuk kemampuan arus yang lebih tinggi. Misalnya, pin input 1 dan 2 dihubungkan bersama dan pin output 16 dan 15 dihubungkan bersama untuk mengalihkan beban.
Ringkasan Transistor Darlington
Transistor Darlington adalah perangkat semikonduktor daya tinggi dengan arus dan tegangan individu peringkat berkali-kali lebih tinggi dari transistor junction sinyal kecil konvensional.
Nilai penguatan arus DC untuk transistor NPN atau PNP daya tinggi standar relatif rendah, serendah 20 atau bahkan kurang, dibandingkan dengan transistor pensakelaran sinyal kecil. Ini berarti bahwa arus Base besar diperlukan untuk mengganti beban yang diberikan.
Pengaturan Darlington menggunakan dua transistor back to back, salah satunya adalah transistor pembawa arus utama, sementara yang lain menjadi transistor "Sakelaring" yang jauh lebih kecil menyediakan arus Base untuk menggerakkan transistor utama. Sebagai hasilnya, arus Base yang lebih kecil dapat digunakan untuk mengganti arus beban yang jauh lebih besar karena gain arus DC dari dua transistor dikalikan bersama. Kemudian kombinasi dua transistor dapat dianggap sebagai satu transistor tunggal dengan nilai β yang sangat tinggi dan akibatnya resistansi input yang tinggi.
Selain pasangan transistor PNP dan NPN Darlington standar, transistor Sziklai Darlington komplementer juga tersedia yang terdiri dari transistor komplemen NPN dan PNP pencocokan yang terpisah yang dihubungkan bersama dalam pasangan Darlington yang sama untuk meningkatkan efisiensi.
Juga terdapat susunan/array Darlington seperti ULN2003A yang memungkinkan daya tinggi atau beban induktif seperti lampu, solenoida dan motor digerakkan dengan aman oleh mikroprosesor dan perangkat pengontrol mikro dalam aplikasi tipe robot dan mekatronika.