ทรานซิสเตอร์ดาร์ลิงตัน

ผังวงจรของการจับคู่ดาร์ลิงตัน

ทรานซิสเตอร์ดาร์ลิงตัน (อังกฤษ: Darlington transistor) เป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำที่รวมเอาทรานซิสเตอร์แบบไบโพล 2 ตัวแบบเดียวกัน มาเชื่อมต่อแบบ tandem (มักจะเรียกว่า คู่ดาร์ลิงตัน; darlington pair) ให้เป็นอุปกรณ์ตัวเดียว โดยมีการขยายกระแสผ่านทรานซิสเตอร์ตัวแรก จากนั้นก็ขยายโดยทรานซิสเตอร์ตัวที่สองอีกทอดหนึ่ง ด้วยเหตุนี้จึงทำให้มีอัตราขยาย (gain) ที่สูงมาก (เขียน &beta หรือ h_FE) และกินเนื้อที่น้อยกว่าการใช้ทรานซิสเตอร์ 2 ตัวแยกกัน แม้จะเชื่อมต่อแบบเดียวกันก็ตาม แต่การใช้ทรานซิสเตอร์แยกกันสองตัวในวงจรจริงยังพบได้ทั่วไป แม้ว่าจะมีอุปกรณ์รวมในชิ้นเดียวกันแบบนี้แล้วก็ตาม

การจัดทรานซิสเตอร์แบบนี้ เป็นผลงานการคิดค้นของซิดนีย์ ดาร์ลิงตัน (Sidney Darlington) แนวคิดในการเชื่อมต่อทรานซิสเตอร์ 2 หรือ 3 ตัวมาเป็นชิปตัวเดียวกันนั้น เขาได้จดสิทธิบัตรเอาไว้แล้ว แต่ทั้งนี้ไม่รวมถึงแนวคิดการจับรวมทรานซิสเตอร์จำนวนใดๆ มาไว้บนชิปเดียวกัน ซึ่งในกรณีนั้น ถือว่าครอบคลุมหลักการไอซีสมัยใหม่ทั้งหมด

สำหรับการจัดวงจรทรานซิสเตอร์ที่คล้ายกันนี้ โดยมีการใช้ทรานซิสเตอร์ 2 ตัว ที่มีชนิดต่างกัน (คือ NPN กับ PNP) จะเรียกว่าคู่ Sziklai pair หรือบางครั้งก็เรียกว่าคู่ดาร์ลิงตันพิเศษ (Darlington pair)

คุณสมบัติ

ทรานซิสเตอร์แบบคู่ดาร์ลิงตันนั้นทำงานเหมือนทรานซิสเตอร์ตัวเดียว ที่มีอัตราขยายกระแสสูงมาก อัตราขยายรวมของทรานซิสเตอร์แบบดาร์ลิงตันนั้น เท่ากับผลคูณของอัตราขยายของทรานซิสเตอร์แต่ละตัว ดังนี้

$\beta _{\mathrm {Darlington} }=\beta _{1}\times \beta _{2}$

ในปัจจุบัน อุปกรณ์สมัยใหม่โดยทั่วไปจะมีอัตราขยายสูงถึง 1,000 หรือมากกว่านี้ ดังนั้นจึงต้องการกระแสเบสที่น้อยมาก เพื่อสวิตช์ให้คู่ดาร์ลิงตันนี้ทำงาน ในอุปกรณ์รวมนั้นจะมี 3 ขา (B, C และ E) เทียบเท่ากับขาของทรานซิสเตอร์มาตรฐานโดยทั่วไป

สำหรับแรงดันเบส-อีมิตเตอร์นั้นก็สูงกว่า โดยมีค่ารวมเท่ากับผลรวมของแรงดันเบส-อีมิตเตอร์ทั้ง 2 ดังนี้

$V_{\mathrm {BE} }=V_{\mathrm {BE1} }+V_{\mathrm {BE2} }$

การเปิดให้ทำงานนั้นจะต้องมีแรงดันประมาณ 0.6 โวลต์คร่อมรอบต่อเบส-อีมิตเตอรั้งสอง 2 ซึ่งเชื่อมต่อแบบอนุกรมภายในคู่ดาร์ลิงตันนี้ ดังนั้นมันจึงต้องการแรงดันมากกว่า 1.2 โวลต์เพื่อจะเปิดการทำงาน และเมื่อคู่ดาร์ลิงตันมีสภาพการนำไฟฟ้าเต็ม ก็จะมีแรงดันไฟฟ้าอิ่มตัวเท่ากับ 0.6 โวลต์ ในการจัดวงจรแบบนี้ทำให้เกิดการสูญเสียกำลังเป็นความร้อนมากทีเดียว

ข้อเสียอีกอย่างหนึ่งของทรานซิสเตอร์แบบคู่ดาร์ลิงตัน ก็คือ ความเร็วในการสวิตช์จะช้า เนื่องมาจาก ทรานซิสเตอร์ตัวแรกไม่สามารถจ่ายกระแสได้อย่างรวดเร็วไปยังขาเบสของทรานซิสเตอร์ตัวที่สอง ทำให้คู่ดาร์ลิงตันนี้สวิตช์ปิดช้าด้วย การแก้ปัญหาดังกล่าว มักจะใช้ตัวต้านทานค่าราว 200 โอห์ม เชื่อมต่อระหว่างขาเบาและอีมิตเตอร์ของทรานซิสเตอร์ตัวที่สอง และใช้ทรานซิสเตอร์ดาร์ลิงตันแบบรวม จึงมักจะมีตัวต้านทานแบบนี้รวมอยู่ด้วย

นอกจากนี้แล้ว มันยังมีการเปลี่ยนเฟสที่มากกว่าทรานซิสเตอร์เดี่ยวๆ และด้วยเหตุนี้จึงไม่มีเสถียรภาพกับแรงดันป้อนกลับแบบลบเป็นอย่างมาก

ทรานซิสเตอร์แบบคู่ดาร์ลิงตันนั้นมักจะจำหน่ายเป็นชุดสมบูรณ์ แต่เราอาจสร้างคู่ดาร์ลิงตันขึ้นเองก็ได้ โดยใช้ทรานซิสเตอร์ 2 ตัว ให้ Q₁ (เป็นทรานซิสเตอร์ตัวซ้ายในรูป) อาจเป็นทรานซิสเตอร์กำลังต่ำ แต่โดยปกติแล้ว Q₂ (ทรานซิสเตอร์ตัวขวามือในรูป) จะต้องเป็นแบบกำลังสูง กระแสคอลเลกเตอร์สูงสุด หรือ I_C(max) สำหรับคู่ดาร์ลิงตันนี้จะเท่ากับ I_C(max) ของ Q₂

ทรานซิสเตอร์ดาร์ลิงตันที่มีจำหน่ายโดยทั่วไป คือเบอร์ 2N6282 ซึ่งมีอัตราขยายกระแส 2,400 ที่กระแสคอลเลกเตอร์ 10 แอมแปร์ และมีรีซิสเตอร์สำหรับปิดสวิตช์ด้วย

คู่ดาร์ลิงตันนี้มีความไวสูงพอสมควร ในการตอบสนองกระแสที่ต่ำมาก ที่ผ่านจากผิวหนังของมนุษย์ ทำให้สามารถนำไปประยุกต์ใช้เป็นสวิตช์สัมผัสได้

แหล่งข้อมูลอื่น

• การใช้คู่ดาร์ลิงตันในการออกแบบวงจรทรานซิสเตอร์