달링턴 트랜지스터

일렉트로닉스에서 달링턴 트랜지스터(Darlington transistor, 흔히 달링턴 쌍이라고 불림)는 두 개의 접합형 트랜지스터로 구성된 회로로, 한 트랜지스터의 이미터가 다른 트랜지스터의 베이스에 연결되어 있어 첫 번째 트랜지스터에 의해 증폭된 전류가 두 번째 트랜지스터에 의해 추가로 증폭된다.^[1] 두 트랜지스터의 컬렉터는 함께 연결된다. 이 회로는 각 트랜지스터를 개별적으로 사용할 때보다 훨씬 높은 전류 이득을 가진다. 이는 단일 트랜지스터처럼 작동하며 종종 단일 트랜지스터로 패키징된다. 이 회로는 1953년에 시드니 달링턴에 의해 발명되었다.

달링턴 트랜지스터 (NPN형)

동작

MJ1000 칩의 모습

달링턴 쌍은 단일 트랜지스터처럼 동작하며, 이는 하나의 베이스, 컬렉터, 이미터를 가진다는 것을 의미한다. 일반적으로 높은 전류 이득을 생성한다 (대략 두 트랜지스터의 이득을 곱한 값으로, β 값이 서로 곱해지기 때문이다). 복합 전류 이득과 개별 이득 간의 일반적인 관계는 다음과 같다:

${\displaystyle \beta _{\mathrm {Darlington} }=\beta _{1}\cdot \beta _{2}+\beta _{1}+\beta _{2}}$

만약 β₁과 β₂가 충분히 높다면 (수백), 이 관계는 다음과 같이 근사할 수 있다:

${\displaystyle \beta _{\mathrm {Darlington} }\approx \beta _{1}\cdot \beta _{2}}$

TIP122 실리콘 다이

일반적인 달링턴 트랜지스터는 1000 이상의 전류 이득을 가지므로, 훨씬 더 높은 스위칭 전류를 켜기 위해 작은 베이스 전류만 필요하다.^[2] 또 다른 장점은 회로에 매우 높은 입력 임피던스를 제공하여 출력 임피던스의 동일한 감소로 이어진다는 것이다. 이 회로를 쉽게 만들 수 있다는 점도 장점이다. 두 개의 개별 NPN (또는 PNP) 트랜지스터로 간단히 만들 수 있으며, 다양한 단일 패키지로도 제공된다.

한 가지 단점은 베이스-이미터 전압이 약 두 배로 증가한다는 것이다. 달링턴 트랜지스터의 베이스와 이미터 사이에 두 개의 접합이 있기 때문에 등가 베이스-이미터 전압은 두 베이스-이미터 전압의 합이다:

${\displaystyle V_{BE}=V_{BE1}+V_{BE2}\approx 2V_{BE1}\!}$

실리콘 기반 기술의 경우, 소자가 활성 또는 포화 영역에서 작동할 때 각 V_BEi가 약 0.65V이므로, 이 쌍에 필요한 베이스-이미터 전압은 1.3V이다.

달링턴 쌍의 또 다른 단점은 "포화" 전압이 증가한다는 것이다. 출력 트랜지스터는 포화될 수 없다 (즉, 베이스-컬렉터 접합은 역 바이어스 상태를 유지해야 한다). 왜냐하면 첫 번째 트랜지스터가 포화되면 두 번째 트랜지스터의 컬렉터와 베이스 사이에 완전한 (100%) 병렬 음성 되먹임을 설정하기 때문이다.^[3] 컬렉터-이미터 전압은 자체 베이스-이미터 전압과 첫 번째 트랜지스터의 컬렉터-이미터 전압의 합과 같으며, 둘 다 정상 작동 시 양수이므로 항상 베이스-이미터 전압을 초과한다. (기호로 ${\displaystyle \mathrm {V_{CE2}=V_{CE1}+V_{BE2}>V_{BE2}} \Rightarrow \mathrm {V_{C2}>V_{B2}} }$ 항상.) 따라서 달링턴 트랜지스터의 "포화" 전압은 단일 트랜지스터의 포화 전압 (실리콘에서 일반적으로 0.1 - 0.2V)보다 하나의 V_BE (실리콘에서 약 0.65V) 더 높다. 동일한 컬렉터 전류에 대해 이 단점은 단일 트랜지스터에 비해 달링턴 트랜지스터의 소모 전력 증가로 이어진다. 증가된 낮은 출력 레벨은 TTL 논리 회로를 구동할 때 문제를 일으킬 수 있다.

또 다른 문제는 스위칭 속도 또는 응답 시간이 감소한다는 것이다. 첫 번째 트랜지스터가 두 번째 트랜지스터의 베이스 전류를 적극적으로 억제할 수 없기 때문에 소자가 꺼지는 데 느리다. 이를 완화하기 위해 두 번째 트랜지스터의 베이스와 이미터 단자 사이에 수백 옴의 저항이 연결되는 경우가 많다.^[1] 이 저항은 베이스-이미터 접합에 축적된 전하에 대한 낮은 임피던스 방전 경로를 제공하여 트랜지스터를 더 빠르게 끌 수 있도록 한다.

달링턴 쌍은 단일 트랜지스터보다 고주파에서 더 많은 위상 편이를 가지므로 음성 되먹임으로 더 쉽게 불안정해질 수 있다 (즉, 이 구성을 사용하는 시스템은 추가 트랜지스터 지연으로 인해 성능이 저하될 수 있다).

패키징

달링턴 쌍은 통합 패키지로 제공되거나 두 개의 개별 트랜지스터로 만들 수 있다. 도면에서 왼쪽 트랜지스터인 Q₁은 저전력 유형일 수 있지만, 일반적으로 오른쪽의 Q₂는 고전력이 필요하다. 이 쌍의 최대 컬렉터 전류 I_C(max)는 Q₂의 그것이다. 일반적인 통합 전력 소자는 2N6282로, 스위치 오프 저항을 포함하고 I_C=10A에서 2400의 전류 이득을 가진다.

통합 소자는 공유 컬렉터를 사용할 수 있기 때문에 두 개의 개별 트랜지스터보다 적은 공간을 차지할 수 있다. 통합 달링턴 쌍은 트랜지스터와 유사한 패키지에 단일로 패키징되거나 집적 회로에 장치 배열 (보통 8개)로 제공된다.

달링턴 삼중자

세 번째 트랜지스터를 달링턴 쌍에 추가하여 훨씬 더 높은 전류 이득을 제공할 수 있으며, 이를 달링턴 삼중자라고 한다. 쌍의 두 번째 트랜지스터의 이미터는 세 번째 트랜지스터의 베이스에 연결되며, 첫 번째 트랜지스터의 이미터가 두 번째 트랜지스터의 베이스에 연결되는 방식과 동일하게 작동하고, 세 트랜지스터의 컬렉터는 함께 연결된다. 이는 세 트랜지스터의 이득을 곱한 값과 거의 동일한 전류 이득을 제공한다. 그러나 증가된 전류 이득은 종종 민감도 및 포화 전류 문제를 정당화하지 못하므로 이 회로는 거의 사용되지 않는다.

응용 분야

달링턴 쌍은 대부분의 음향 시스템을 구동하는 전력 오디오 증폭기의 푸시-풀 출력 단에서 자주 사용된다. 완전히 대칭 푸시-풀 회로에서 두 개의 달링턴 쌍은 이미터 폴로어로 연결되어 양극 및 음극 공급 장치에서 출력을 구동한다. 즉, 양극 레일에 연결된 NPN 달링턴 쌍은 출력의 양의 변동에 전류를 제공하고, 음극 레일에 연결된 PNP 달링턴 쌍은 음의 변동에 전류를 제공한다.

품질 좋은 PNP 전력 트랜지스터를 사용할 수 없었던 시기에는 준대칭 푸시-풀 회로가 사용되었는데, 이 회로에서는 양극 공급 레일에 연결된 두 트랜지스터만 NPN 달링턴 쌍이었고, 음극 레일의 쌍은 공통 이미터 증폭기로 연결된 두 개의 NPN 트랜지스터였다.

달링턴 쌍은 안전 전압 범위 내에서도 피부 접촉으로 인한 전류에 반응할 만큼 충분히 민감할 수 있다. 따라서 터치 센서 스위치의 새로운 입력 단계를 형성할 수 있다.

달링턴 트랜지스터는 LM1084 전압 조정기와 같은 고전류 회로에 사용될 수 있다.^[4] 다른 고전류 응용 분야에는 컴퓨터 출력 라인의 안전한 낮은 수준에서 연결된 장치에 필요한 양까지 전류가 증폭되는 모터 또는 전자계전기의 컴퓨터 제어가 포함될 수 있다.

같이 보기

• 절연 게이트 양극성 트랜지스터
• ULN2003A
• 치클라이 쌍, 때로는 "상보적 달링턴"이라고 불리며, 유사한 구성이지만 반대 유형의 트랜지스터 (하나의 NPN과 하나의 PNP)를 사용한다.
• 집적 주입 논리 (I2L)