ทรานซิสเตอร์แบบดาร์ลิงตันคืออะไร?

ทรานซิสเตอร์ดาร์ลิงตัน ซึ่งตั้งชื่อตามผู้คิดค้นคือ ซิดนีย์ ดาร์ลิงตัน เป็นการจัดเรียงพิเศษของทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์จังก์ชัน (BJT) มาตรฐานชนิด NPN หรือ PNP สองตัวที่เชื่อมต่อกันในลักษณะที่ให้กำลังขยายและการขยายกระแสสูงกว่าทรานซิสเตอร์ BJT เพียงตัวเดียว

เราทราบว่าทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์จังก์ชัน ไม่ว่าจะเป็น NPN หรือ PNP ล้วนเป็นอุปกรณ์ที่ควบคุมด้วยกระแสไฟฟ้า ซึ่งหมายความว่ากระแสไฟฟ้าที่ฐานเพียงเล็กน้อยสามารถควบคุมกระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่ที่ไหลจากอีมิเตอร์ไปยังคอลเลคเตอร์ได้

ดังนั้น หลักการเบื้องหลังวงจรดาร์ลิงตันจึงค่อนข้างง่าย หากทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ตัวเดียวสามารถขยายสัญญาณอินพุตขนาดเล็กได้ ทรานซิสเตอร์แบบเดียวกันสองตัวขึ้นไปที่เชื่อมต่อกันก็จะสามารถเพิ่มการขยายสัญญาณได้มากยิ่งขึ้น

ดังนั้น วงจรทรานซิสเตอร์แบบดาร์ลิงตันจึงประกอบด้วยทรานซิสเตอร์สองตัวที่เชื่อมต่อกันในลักษณะเฉพาะ เพื่อให้อัตราขยายกระแสของทรานซิสเตอร์ตัวหนึ่งขับฐานของทรานซิสเตอร์อีกตัวหนึ่ง ทำให้เกิดการจัดเรียงทรานซิสเตอร์ที่มีความไวสูงขึ้นสำหรับการใช้งานในการขยายสัญญาณหรือการสวิตช์โหลด

ทรานซิสเตอร์แบบดาร์ลิงตันเป็นอุปกรณ์โซลิดสเตตแบบสามขาที่สร้างขึ้นจากทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์สองตัวที่เชื่อมต่อกัน สำหรับทรานซิสเตอร์แบบ NPN จะเชื่อมต่อขั้วคอลเลคเตอร์ของทรานซิสเตอร์ทั้งสองเข้าด้วยกัน และเชื่อมต่อขั้วอีมิเตอร์ของทรานซิสเตอร์ตัวแรกเข้ากับขั้วเบสของทรานซิสเตอร์ตัวที่สอง

โปรดทราบว่าทรานซิสเตอร์แบบดาร์ลิงตันมีจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ในรูปแบบอุปกรณ์ชิ้นเดียวภายในแพ็กเกจเดียว โดยมีขั้วต่อมาตรฐาน ได้แก่ เบส อีมิเตอร์ และคอลเลคเตอร์ และมีรูปแบบตัวถังและพิกัดแรงดันและกระแสที่หลากหลาย ทั้งในเวอร์ชัน NPN และ PNP ตัวอย่างเช่น NPN TIP120 หรือ PNP TIP125

การใช้ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์เป็นสวิตช์

ดังที่เราได้เห็นในบทเรียนเรื่องทรานซิสเตอร์ในฐานะสวิตช์แล้ว นอกจากจะใช้เป็นตัวขยายสัญญาณแล้ว ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์จังก์ชัน (BJT) ยังสามารถใช้งานเป็นสวิตช์เปิด-ปิดได้ดังที่แสดงไว้ในภาพ

สวิตช์ทรานซิสเตอร์แบบอีมิเตอร์ร่วม

เมื่อขั้วฐานของทรานซิสเตอร์ NPN ต่อลงกราวด์ (0 โวลต์) รอยต่อเบส-อีมิเตอร์จะไม่ได้รับไบแอสไปข้างหน้า ดังนั้นจึงไม่มีกระแสไหลเข้าสู่ฐาน เนื่องจากขั้วฐานต่อลงกราวด์ ทรานซิสเตอร์จึงอยู่ในช่วงตัดกระแส และไม่มีกระแสไหลผ่านคอลเลคเตอร์

ในสภาวะนี้ ทรานซิสเตอร์ BJT ทำหน้าที่เหมือนสวิตช์เปิด ดังนั้น Vout = Vcc และกระแสทั้ง IB และ IC จะเป็นศูนย์ เพื่อให้ทรานซิสเตอร์ BJT ทำหน้าที่เหมือนสวิตช์เปิด สิ่งที่เราต้องทำคือลดแรงดันระหว่างเบสและอีมิเตอร์ให้ต่ำกว่า 0.7 โวลต์ เพื่อไม่ให้เกิดการไบแอสไปข้างหน้า

การเปิดและปิดทรานซิสเตอร์

หากเราให้ไบแอสไปข้างหน้ากับขั้วเบสเมื่อเทียบกับขั้วอีมิเตอร์ โดยใช้แหล่งจ่ายแรงดันที่มากกว่า 0.7 โวลต์ ในขณะที่รอยต่อระหว่างคอลเลคเตอร์และเบสยังคงได้รับไบแอสย้อนกลับ ทรานซิสเตอร์ก็จะเริ่มทำงาน

การทำงานของทรานซิสเตอร์ทำให้กระแสไฟฟ้าขาเข้าเพียงเล็กน้อยสามารถควบคุมให้มีกระแสไฟฟ้าขาออกที่มากกว่ามากไหลผ่านทรานซิสเตอร์ ในขณะนี้ทรานซิสเตอร์จึงถูกเรียกว่า "เปิด" (นำกระแส) และทำหน้าที่เหมือนสวิตช์ปิด

ดังนั้น หากเราใช้งานทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ระหว่างสถานะตัดการทำงานและสถานะอิ่มตัว ทรานซิสเตอร์นั้นก็จะสามารถทำงานเป็นสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์แบบไบนารี (เปิด/ปิด) ได้

อย่างไรก็ตาม ขั้วฐานของทรานซิสเตอร์จะต้องทำงานในช่วงแรงดันตั้งแต่ศูนย์ไปจนถึงค่าบวกที่สูงกว่า 0.7 โวลต์ เพื่อให้ทรานซิสเตอร์นำกระแสได้อย่างสมบูรณ์ ดังนั้นแรงดันที่สูงขึ้นจะทำให้กระแสฐาน (IB) ไหลเข้าสู่อุปกรณ์มากขึ้น ส่งผลให้กระแสคอลเลคเตอร์ (IC) มีค่ามากขึ้น ขณะที่แรงดันตกคร่อมระหว่างขั้วคอลเลคเตอร์และอีมิเตอร์ (VCE) มีค่าน้อยลง

จากนั้นเราจะเห็นได้ว่ากระแสไฟฟ้าที่ไหลเข้าสู่ขั้วฐานเพียงเล็กน้อย สามารถทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าที่ไหลระหว่างขั้วคอลเลคเตอร์และอีมิเตอร์ได้มากกว่ามาก

อัตราส่วนของกระแสคอลเลคเตอร์ต่อกระแสเบสเรียกว่าอัตราขยายกระแส (Current Gain) ของทรานซิสเตอร์ ค่าเบต้า (β) ทั่วไปสำหรับทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์มาตรฐานอาจอยู่ในช่วง 50 ถึง 200 และอาจแตกต่างกันไปแม้แต่ในทรานซิสเตอร์ที่มีหมายเลขชิ้นส่วนเดียวกัน

ในบางกรณีที่อัตราขยายกระแสของทรานซิสเตอร์ตัวเดียวต่ำเกินไปที่จะขับโหลดได้โดยตรง วิธีหนึ่งในการเพิ่มอัตราขยายคือการใช้คู่ทรานซิสเตอร์แบบดาร์ลิงตัน

คู่ดาร์ลิงตัน

วงจรทรานซิสเตอร์แบบดาร์ลิงตัน หรือที่รู้จักกันในชื่อ "คู่ดาร์ลิงตัน" หรือ "วงจรซูเปอร์อัลฟา" ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์ NPN หรือ PNP สองตัวที่เชื่อมต่อกัน โดยกระแสที่ขาอีมิเตอร์ของทรานซิสเตอร์ตัวแรก TR1 จะกลายเป็นกระแสที่ขาเบสของทรานซิสเตอร์ตัวที่สอง TR2 ดังนั้นทรานซิสเตอร์ TR1 จึงทำหน้าที่เป็นตัวตามอีมิเตอร์ และ TR2 ทำหน้าที่เป็นตัวขยายสัญญาณแบบอีมิเตอร์ร่วม ดังแสดงในภาพด้านล่าง

โปรดทราบด้วยว่าในการจัดเรียงแบบดาร์ลิงตันนี้ กระแสคอลเลคเตอร์ของทรานซิสเตอร์ตัวรองหรือทรานซิสเตอร์ควบคุม TR1 จะ "อยู่ในเฟสเดียวกัน" กับกระแสของทรานซิสเตอร์สวิตช์หลัก TR2

การกำหนดค่าทรานซิสเตอร์ดาร์ลิงตันขั้นพื้นฐาน

ยกตัวอย่างเช่น วงจร NPN Darlington pair ที่ต่อขั้วคอลเลคเตอร์ของทรานซิสเตอร์สองตัวเข้าด้วยกัน โดยขั้วอีมิเตอร์ของ TR1 จะขับขั้วเบสของ TR2 การจัดเรียงแบบนี้ทำให้เกิดการคูณของอัตราขยาย β เพราะสำหรับกระแสฐาน IB กระแสคอลเลคเตอร์จะเป็น βIB โดยที่อัตราขยายกระแสมากกว่าหนึ่ง ซึ่งนิยามได้ดังนี้:

อัตราขยายกระแสของทรานซิสเตอร์ดาร์ลิงตัน

แต่กระแสเบส IB2 เท่ากับกระแสอีมิเตอร์ของทรานซิสเตอร์ TR1 หรือ IE1 เนื่องจากอีมิเตอร์ของ TR1 ต่ออยู่กับเบสของ TR2 ดังนั้น:

จากนั้นแทนค่าลงในสมการแรก:

โดยที่ β1 และ β2 คืออัตราขยายกระแสของทรานซิสเตอร์แต่ละตัว

นั่นหมายความว่า อัตราขยายกระแสโดยรวม β จะได้จากอัตราขยายของทรานซิสเตอร์ตัวแรกคูณด้วยอัตราขยายของทรานซิสเตอร์ตัวที่สอง เนื่องจากอัตราขยายกระแสของทรานซิสเตอร์ทั้งสองตัวคูณกัน

กล่าวอีกนัยหนึ่ง ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์สองตัวที่รวมกันเป็นทรานซิสเตอร์แบบดาร์ลิงตันหนึ่งคู่ สามารถมองได้ว่าเป็นทรานซิสเตอร์ตัวเดียวที่มีค่า β สูงมาก และส่งผลให้มีความต้านทานอินพุตสูงด้วย

ตัวอย่างการทำงานของทรานซิสเตอร์ดาร์ลิงตัน หมายเลข 1

ทรานซิสเตอร์ NPN สองตัวต่อกันเป็นวงจรคู่ดาร์ลิงตันเพื่อสวิตช์หลอดฮาโลเจน 12V 75W ถ้าอัตราขยายกระแสตรง (beta) ของทรานซิสเตอร์ตัวแรกคือ 25 และอัตราขยายกระแสตรง (beta) ของทรานซิสเตอร์ตัวที่สองคือ 80

โดยไม่คำนึงถึงแรงดันตกคร่อมทรานซิสเตอร์ทั้งสองตัว จงคำนวณกระแสเบสสูงสุดที่จำเป็นในการเปิดหลอดไฟให้สว่างเต็มที่

ประการแรก กระแสไฟฟ้าที่หลอดไฟดึงไปจะเท่ากับกระแสที่ขาคอลเลคเตอร์ของทรานซิสเตอร์ตัวที่สอง จากนั้น:

เมื่อใช้สมการข้างต้น กระแสเบสจะมีค่าดังนี้:

จากนั้นเราจะเห็นได้ว่ากระแสเบสที่น้อยมากเพียง 3 มิลลิแอมป์ เช่น กระแสที่จ่ายโดยเกตตรรกะดิจิทัลหรือพอร์ตเอาต์พุตของไมโครคอนโทรลเลอร์ สามารถใช้ในการเปิดและปิดหลอดไฟ 75 วัตต์ได้

ถ้าใช้ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ที่เหมือนกันสองตัวมาประกอบกันเป็นอุปกรณ์ดาร์ลิงตันหนึ่งตัว ค่า β1 จะเท่ากับ β2 และอัตราขยายกระแสโดยรวมจะเป็นดังนี้:

โดยทั่วไปค่า β² จะมากกว่า 2β มาก ซึ่งในกรณีนี้เราสามารถละเลยค่า 2β ได้เพื่อลดความซับซ้อนของการคำนวณ จากนั้นสมการสุดท้ายสำหรับทรานซิสเตอร์สองตัวที่เหมือนกันซึ่งต่อกันเป็นคู่ดาร์ลิงตันสามารถเขียนได้ดังนี้:

กระแสคอลเลคเตอร์สำหรับทรานซิสเตอร์ดาร์ลิงตันที่เหมือนกัน

จากนั้นเราจะเห็นว่าสำหรับทรานซิสเตอร์ที่เหมือนกันสองตัว จะใช้ β² แทน β ซึ่งทำหน้าที่เหมือนทรานซิสเตอร์ขนาดใหญ่ตัวเดียวที่มีอัตราขยายมหาศาล ทรานซิสเตอร์แบบดาร์ลิงตันที่มีอัตราขยายกระแสมากกว่าหนึ่งพันเท่าและมีกระแสคอลเลคเตอร์สูงสุดหลายแอมแปร์นั้นหาได้ง่าย ตัวอย่างเช่น NPN TIP120 และทรานซิสเตอร์ PNP ที่เทียบเท่ากันคือ TIP125

ข้อดีของการใช้การจัดเรียงแบบนี้คือ ทรานซิสเตอร์สวิตช์มีความไวสูงกว่ามาก เนื่องจากใช้กระแสเบสเพียงเล็กน้อยในการสวิตช์กระแสโหลดที่มากกว่ามาก เพราะโดยทั่วไปแล้วอัตราขยายของวงจรดาร์ลิงตันอาจสูงกว่า 1,000 ในขณะที่วงจรทรานซิสเตอร์เดี่ยวโดยทั่วไปจะมีอัตราขยายประมาณ 50 ถึง 200

ดังนั้นเราจะเห็นได้ว่าทรานซิสเตอร์แบบดาร์ลิงตันที่มีอัตราขยาย 1,000:1 สามารถสวิตช์กระแสเอาต์พุต 1 แอมแปร์ในวงจรคอลเลคเตอร์-อีมิเตอร์ได้ด้วยกระแสอินพุตที่ฐานเพียง 1 มิลลิแอมป์เท่านั้น นี่จึงทำให้ทรานซิสเตอร์แบบดาร์ลิงตันเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเชื่อมต่อรีเลย์ หลอดไฟ และมอเตอร์เข้ากับไมโครคอนโทรลเลอร์ คอมพิวเตอร์ หรือตัวควบคุมลอจิกกำลังต่ำ ดังที่แสดงไว้

การใช้งานทรานซิสเตอร์ดาร์ลิงตัน

ฐานของทรานซิสเตอร์ดาร์ลิงตันมีความไวเพียงพอที่จะตอบสนองต่อกระแสอินพุตขนาดเล็กจากสวิตช์หรือโดยตรงจากเกตตรรกะ TTL หรือ CMOS 5V กระแสคอลเลคเตอร์สูงสุด IC(max) สำหรับคู่ดาร์ลิงตันใดๆ จะถูกจำกัดโดยพิกัดกระแสของทรานซิสเตอร์สวิตช์หลัก TR2 ดังนั้นจึงสามารถใช้ในการขับรีเลย์ มอเตอร์ DC โซลินอยด์ และหลอดไฟ เป็นต้น

ข้อเสียของทรานซิสเตอร์แบบดาร์ลิงตัน

ข้อเสียเปรียบหลักอย่างหนึ่งของทรานซิสเตอร์แบบดาร์ลิงตันคู่หนึ่งคือ แรงดันตกคร่อมระหว่างคอลเลคเตอร์และอีมิเตอร์ในสภาวะอิ่มตัว (VCE(sat)) สูงกว่าทรานซิสเตอร์เดี่ยว โดยทรานซิสเตอร์เดี่ยวมักมีแรงดัน VCE(sat) ประมาณ 0.2 ถึง 0.3 โวลต์เมื่อเปิดเต็มที่

อุปกรณ์แบบดาร์ลิงตันมีแรงดันตกคร่อมระหว่างเบสและอีมิเตอร์รวมกันประมาณสองเท่า (ประมาณ 1.2 โวลต์แทนที่จะเป็น 0.6 โวลต์) เนื่องจากแรงดันตกคร่อมระหว่างเบสและอีมิเตอร์เป็นผลรวมของแรงดันตกคร่อมที่รอยต่อเบส-อีมิเตอร์ของทรานซิสเตอร์แต่ละตัว ซึ่งอาจมีค่าอยู่ระหว่างประมาณ 0.6 ถึง 1.5 โวลต์ ขึ้นอยู่กับกระแสที่ไหลผ่านทรานซิสเตอร์

แรงดันตกคร่อมที่สูงนี้หมายความว่าทรานซิสเตอร์แบบดาร์ลิงตันอาจร้อนกว่าทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ทั่วไปสำหรับกระแสโหลดที่กำหนด และดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการระบายความร้อนที่ดี

นอกจากนี้ ทรานซิสเตอร์แบบดาร์ลิงตันยังมีเวลาตอบสนองการเปิด-ปิดที่ช้ากว่า เนื่องจากต้องใช้เวลานานกว่าที่ทรานซิสเตอร์ตัวรอง TR1 จะเปลี่ยนสถานะของทรานซิสเตอร์ตัวหลัก TR2 ให้เปิดหรือปิดอย่างสมบูรณ์

เพื่อเอาชนะข้อเสียของทรานซิสเตอร์แบบดาร์ลิงตันมาตรฐาน เช่น การตอบสนองที่ช้า แรงดันตกคร่อมที่เพิ่มขึ้น และความร้อนสูง สามารถใช้ทรานซิสเตอร์แบบ NPN และ PNP ที่เป็นคู่เสริมกันในวงจรที่เชื่อมต่อร่วมกันเพื่อสร้างทรานซิสเตอร์แบบดาร์ลิงตันอีกประเภทหนึ่งที่เรียกว่า Sziklai configuration

Sziklai Pair

วงจร Sziklai Darlington Pair ซึ่งตั้งชื่อตาม George Sziklai ผู้ประดิษฐ์ชาวฮังการี เป็นวงจรดาร์ลิงตันแบบคู่เสริมหรือแบบผสม ที่ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์ NPN และ PNP แบบเสริมกันที่แยกจากกันและเชื่อมต่อเข้าด้วยกันดังแสดงในภาพด้านล่าง

การเชื่อมต่อทรานซิสเตอร์ NPN และ PNP แบบนี้มีข้อดีคือ คู่ทรานซิสเตอร์แบบ Sziklai ทำหน้าที่พื้นฐานเหมือนกับคู่ทรานซิสเตอร์แบบ Darlington เพียงแต่ต้องการแรงดันประมาณ 0.6 โวลต์ในการเปิดทำงาน

นอกจากนี้ เช่นเดียวกับวงจร Darlington แบบ NPN หรือ PNP มาตรฐาน อัตราขยายกระแสจะเท่ากับ β² สำหรับทรานซิสเตอร์ที่มีอัตราขยายเท่ากัน หรือได้มาจากผลคูณของอัตราขยายกระแสของทรานซิสเตอร์แต่ละตัวสำหรับทรานซิสเตอร์ที่มีอัตราขยายแตกต่างกัน

การกำหนดค่าทรานซิสเตอร์ดาร์ลิงตัน Sziklai

เราจะเห็นได้ว่าแรงดันตกคร่อมระหว่างเบสและอีมิเตอร์ที่อินพุตของอุปกรณ์ Sziklai นั้นเท่ากับแรงดันตกคร่อมที่รอยต่อเบส-อีมิเตอร์ของทรานซิสเตอร์เพียงตัวเดียวในเส้นทางสัญญาณ อย่างไรก็ตาม การกำหนดค่า Sziklai ไม่สามารถทำให้แรงดัน VCE(sat) ต่ำกว่าประมาณ 0.7 โวลต์ได้ เมื่อเทียบกับประมาณ 0.2 โวลต์สำหรับทรานซิสเตอร์เดี่ยวทั่วไป

นอกจากนี้ เช่นเดียวกับคู่ดาร์ลิงตัน คู่ซิกไลก็มีเวลาตอบสนองช้ากว่าทรานซิสเตอร์ตัวเดียว คู่ซิกไลมักใช้ในวงจรขยายเสียงแบบพุชพูลและคลาส AB ซึ่งอนุญาตให้ใช้ทรานซิสเตอร์เอาต์พุตเพียงขั้วเดียวเท่านั้น ทั้งคู่ดาร์ลิงตันและคู่ซิกไลมีให้เลือกทั้งแบบ NPN และ PNP

ไอซีทรานซิสเตอร์ดาร์ลิงตัน

ในการใช้งานด้านอิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ วงจรควบคุมเพียงแค่สลับแรงดันหรือกระแส DC ขาออก "เปิด" หรือ "ปิด" โดยตรงก็เพียงพอแล้ว เนื่องจากอุปกรณ์เอาต์พุตบางชนิด เช่น LED หรือจอแสดงผล ต้องการกระแสเพียงไม่กี่มิลลิแอมป์ในการทำงานที่แรงดัน DC ต่ำ และสามารถขับโดยตรงจากเอาต์พุตของเกตตรรกะมาตรฐาน

อย่างไรก็ตาม ดังที่เราได้เห็นข้างต้น บางครั้งอุปกรณ์เอาต์พุต เช่น มอเตอร์กระแสตรง อาจต้องการพลังงานมากกว่าที่วงจรลอจิกหรือไมโครคอนโทรลเลอร์ทั่วไปสามารถจ่ายได้ หากอุปกรณ์ลอจิกดิจิทัลไม่สามารถจ่ายกระแสไฟฟ้าได้เพียงพอ ก็จะต้องมีวงจรเพิ่มเติมเพื่อขับอุปกรณ์นั้น

หนึ่งในไอซีทรานซิสเตอร์ดาร์ลิงตันที่ใช้กันทั่วไปคืออาร์เรย์ ULN2003 ตระกูลอาร์เรย์ดาร์ลิงตันประกอบด้วย ULN2002A, ULN2003A และ ULN2004A ซึ่งทั้งหมดเป็นอาร์เรย์ดาร์ลิงตันแรงดันสูง กระแสสูง โดยแต่ละรุ่นประกอบด้วยคู่ทรานซิสเตอร์ดาร์ลิงตันแบบโอเพนคอลเลคเตอร์เจ็ดคู่ภายในแพ็กเกจไอซีเดียว

แต่ละช่องของอาร์เรย์มีพิกัดกระแส 500 mA และสามารถทนกระแสสูงสุดได้ถึง 600 mA ทำให้เหมาะสำหรับการควบคุมมอเตอร์ขนาดเล็กหรือหลอดไฟ หรือใช้ขับเกตและเบสของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูง มีไดโอดป้องกันเพิ่มเติมสำหรับการขับโหลดแบบเหนี่ยวนำ และขาอินพุตอยู่ตรงข้ามกับขาเอาต์พุตเพื่อลดความซับซ้อนของการเชื่อมต่อและการจัดวางบนแผงวงจร

อาร์เรย์ทรานซิสเตอร์ดาร์ลิงตัน ULN2003A

ULN2003A เป็นอาร์เรย์ทรานซิสเตอร์ดาร์ลิงตันแบบ 7 ช่องที่มีประสิทธิภาพสูงและใช้พลังงานต่ำ ทำให้มีประโยชน์สำหรับการขับโหลดหลากหลายประเภท รวมถึงโซลินอยด์ รีเลย์ มอเตอร์กระแสตรง และจอแสดงผล LED หรือหลอดไฟไส้

ULN2003A ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์แบบดาร์ลิงตันเจ็ดคู่ โดยแต่ละคู่มีขาอินพุตอยู่ทางด้านซ้ายและขาเอาต์พุตอยู่ตรงข้ามทางด้านขวา ดังแสดงในภาพ

อาร์เรย์ทรานซิสเตอร์ดาร์ลิงตัน ULN2003A

ตัวขับดาร์ลิงตัน ULN2003A มีอิมพีแดนซ์อินพุตและอัตราขยายกระแสสูงมาก ซึ่งสามารถขับได้โดยตรงจากลอจิกเกต TTL หรือ CMOS +5V สำหรับลอจิก CMOS +15V ให้ใช้ ULN2004A และสำหรับการสวิตช์แรงดันที่สูงขึ้นถึง 100V สามารถใช้ตัวขับดาร์ลิงตันแบบอาร์เรย์ SN75468 ได้

เมื่ออินพุต (ขา 1 ถึง 7) ถูกขับเป็น "สูง" เอาต์พุตที่เกี่ยวข้องจะเปลี่ยนเป็น "ต่ำ" เพื่อดึงกระแส ในทำนองเดียวกัน เมื่ออินพุตถูกขับเป็น "ต่ำ" เอาต์พุตที่เกี่ยวข้องจะเปลี่ยนเป็นสถานะอิมพีแดนซ์สูง สถานะ "ปิด" ที่มีอิมพีแดนซ์สูงนี้จะบล็อกกระแสโหลดและลดกระแสรั่วไหลผ่านอุปกรณ์

ขา 8 (GND) ต่อกับกราวด์ของวงจร ในขณะที่ขา 9 (COM) เป็นขาร่วมสำหรับไดโอดป้องกัน และควรต่อกับแหล่งจ่ายแรงดันของโหลดเมื่อขับโหลดแบบเหนี่ยวนำ จากนั้นโหลดจะต้องเชื่อมต่อระหว่าง +V ของแหล่งจ่ายและขาเอาต์พุต ขา 10 ถึง 16 สำหรับโหลดแบบเหนี่ยวนำ เช่น มอเตอร์ รีเลย์ และโซลินอยด์ เป็นต้น

ULN2003A สามารถสวิตช์กระแสได้ 500 mA (0.5 A) ต่อช่อง แต่หากต้องการความสามารถในการสวิตช์กระแสที่สูงกว่านี้ สามารถต่อขนานอินพุตและเอาต์พุตของช่องดาร์ลิงตันหลายช่องเข้าด้วยกันเพื่อเพิ่มความสามารถในการสวิตช์กระแสได้

ตัวอย่างเช่น ต่อขาอินพุต 1 และ 2 เข้าด้วยกัน และต่อขาเอาต์พุต 16 และ 15 เข้าด้วยกันเพื่อสวิตช์โหลด

สรุปทรานซิสเตอร์ดาร์ลิงตัน

ทรานซิสเตอร์ดาร์ลิงตันเป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์แบบโซลิดสเตตสามขา โดยสามารถให้การขยายกระแสสูงกว่าทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์แบบสัญญาณขนาดเล็กทั่วไปอย่างมาก

ค่าอัตราขยายกระแสตรงของทรานซิสเตอร์ NPN หรือ PNP กำลังสูงมาตรฐานนั้นค่อนข้างต่ำ โดยอาจต่ำถึง 20 หรือต่ำกว่านั้น เมื่อเทียบกับทรานซิสเตอร์สวิตช์สัญญาณขนาดเล็ก ซึ่งหมายความว่าต้องใช้กระแสเบสขนาดใหญ่ในการสวิตช์โหลดที่กำหนด

วงจรดาร์ลิงตันใช้ทรานซิสเตอร์สองตัวต่อกัน โดยตัวหนึ่งเป็นทรานซิสเตอร์หลักที่นำกระแส ส่วนอีกตัวเป็นทรานซิสเตอร์ "สวิตช์" ขนาดเล็กกว่า ทำหน้าที่จ่ายกระแสที่ฐานเพื่อขับทรานซิสเตอร์หลัก

ด้วยเหตุนี้ จึงสามารถใช้กระแสฐานที่น้อยลงในการสวิตช์กระแสโหลดที่มากขึ้นได้ เนื่องจากอัตราขยายกระแสตรงของทรานซิสเตอร์ทั้งสองตัวจะถูกคูณเข้าด้วยกัน จากนั้น ทรานซิสเตอร์สองตัวที่รวมกันจึงสามารถมองได้ว่าเป็นทรานซิสเตอร์ตัวเดียวที่มีค่า β สูงมาก และส่งผลให้มีความต้านทานอินพุตสูงด้วย

นอกจากทรานซิสเตอร์ดาร์ลิงตันแบบ PNP และ NPN มาตรฐานแล้ว ยังมีทรานซิสเตอร์ดาร์ลิงตันแบบ Sziklai ที่เป็นคู่เสริมกัน ซึ่งประกอบด้วยทรานซิสเตอร์ NPN และ PNP ที่เชื่อมต่อเข้าด้วยกันภายในคู่ Sziklai เพื่อให้ได้คุณสมบัติการทำงานที่ใกล้เคียงกับวงจรดาร์ลิงตัน

นอกจากนี้ ยังมีวงจร Darlington array เช่น ULN2003A ซึ่งช่วยให้สามารถขับโหลดกำลังสูงหรือโหลดเหนี่ยวนำ เช่น หลอดไฟ โซลินอยด์ หรือมอเตอร์ ได้ด้วยอุปกรณ์ไมโครโปรเซสเซอร์และไมโครคอนโทรลเลอร์กำลังต่ำ ซึ่งเหมาะสำหรับการใช้งานประเภทหุ่นยนต์และเมคาทรอนิกส์