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1. 달링턴 회로란?
달링턴(Darlington) 트랜지스터는 두 개의 양극성 접합 트랜지스터(BJT)를 특별한 방식으로 연결하여 전류 이득을 크게 증폭시키는 특수한 구성입니다.
이 구성은 1953년에 Sidney Darlington에 의해 발명되었습니다.
달링턴 회로는 저 베이스 전류에서도 매우 높은 전류 이득을 제공하기 때문에 주로 사용됩니다.
이는 전류 증폭이나 스위칭 응용 분야에서 특히 유용합니다.
이 특성은 하나의 트랜지스터의 에미터가 다른 트랜지스터의 베이스에 연결되어 있어 두 트랜지스터가 서로 협력하여 전체적으로 더 높은 전류 이득을 얻을 수 있게 합니다.
현재 시장에서는 다양한 달링턴 트랜지스터가 다양한 극성, 콜렉터 전류, 소비 전력, 패키지 유형, 최대 CE 전압 등으로 제공됩니다.
이들은 전원 조절기, 모터 컨트롤러, 오디오 증폭기 등 다양한 응용 분야에서 사용됩니다.
달링턴 회로는 단일 패키지에 두 개의 트랜지스터가 포함된 형태로 상업적으로 제공됩니다.
이는 회로 구성을 단순화하고 공간을 절약할 수 있도록 합니다.
트랜지스터를 스위치로 사용하는 경우, 달링턴 회로는 ON-OFF 스위치로 작동할 수 있습니다.
이는 증폭기로 사용될 때와 마찬가지로 두 트랜지스터가 협력하여 전체적인 성능을 향상시키는 특징이 있습니다.
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2. 달링턴 회로를 사용하는 이유?
트랜지스터는 전자 장치 중 하나로, 작은 입력 신호를 받아서 큰 출력을 생성하거나 제어하는 데 사용됩니다.
일반적으로 작은 베이스 전류가 가해지면 트랜지스터 내의 전류가 제어되어 출력을 생성하거나 조절합니다.
그러나 이 작은 베이스 전류는 종종 출력 부하를 구동하는 데 충분하지 않을 수 있습니다.
이는 특히 고전류 부하가 있는 경우에 더욱 심각한 문제가 됩니다.
일반적인 트랜지스터의 경우, 입력 전류와 출력 전류 간의 비율을 나타내는 것을 전류 이득 또는 베타(β)라고 합니다.
- 트랜지스터 이득 또는 전류 이득(β) = 부하 또는 콜렉터 전류 / 입력 또는 베이스 전류
- 부하 전류 = 전류 이득(β) × 베이스 전류
- 일반적인 트랜지스터의 β 값은 100입니다.
- 위의 관계식에 따르면 부하를 구동할 수 있는 전류는 트랜지스터의 입력 전류의 100배입니다.
그러나 이러한 전류 이득이 부족할 때, 트랜지스터의 전류 증폭 기능이 충분하지 않을 수 있습니다.
이러한 문제를 해결하기 위해 달링턴 회로가 개발되었습니다.
달링턴 트랜지스터는 일반적인 트랜지스터를 사용하여 더 큰 전류 이득을 얻기 위해 두 개의 트랜지스터를 특별한 방식으로 연결한 것입니다.
이것은 일종의 트랜지스터 쌍으로 간주될 수 있습니다.
달링턴 회로의 기본 개념은 두 개의 트랜지스터를 연속해서 연결하여 전류 증폭을 증가시키는 것입니다.
하나의 트랜지스터의 출력이 다른 트랜지스터의 입력으로 연결됩니다.
따라서 두 개의 트랜지스터가 순차적으로 작동하여 더 높은 전류 이득을 제공합니다.
이러한 달링턴 트랜지스터는 전자 회로에서 널리 사용되며, 특히 고전류 부하를 구동하는 데 유용합니다.
모터 제어, 전원 공급 장치, 오디오 증폭기 등 다양한 응용 분야에서 찾아볼 수 있습니다.
달링턴 트랜지스터는 또한 옵토-아이솔레이터 회로와 같은 고전류 출력 스테이지에서 사용되어 안정적인 작동을 보장합니다.
요약하자면, 달링턴 회로는 작은 입력 신호로부터 큰 출력을 얻기 위해 설계된 고성능 트랜지스터로, 고전류 부하를 구동하는 데 매우 유용합니다.
이러한 트랜지스터는 전자 회로에서 전력 관리 및 제어에 중요한 역할을 합니다.
3. 달링턴 회로 구성
달링턴 회로는 두 개의 양극성 접합 트랜지스터(BJT)를 특별한 방식으로 연결하여 높은 전류 이득을 얻는 장치입니다. 이러한 구성은 일반적으로 NPN 또는 PNP 타입의 BJT를 사용하여 구성됩니다.
각각의 경우에 따라 전류의 흐름 방향이 달라지며, 이를 이해하기 위해 NPN과 PNP 달링턴 트랜지스터의 구성을 자세히 살펴보겠습니다.
3-1) NPN 달링턴 트랜지스터 구성
- 첫 번째 BJT(Base Transistor): NPN 타입의 트랜지스터로, 발진자는 입력 신호를 받습니다.
- 두 번째 BJT(Output Transistor): 또 다른 NPN 타입의 트랜지스터로, 발진자는 첫 번째 BJT의 컬렉터와 연결되고, 컬렉터는 출력 부하에 연결됩니다.
- 입력 신호가 첫 번째 BJT의 발진자에 인가되면, 첫 번째 BJT는 충분한 기저 전류를 생성하여 두 번째 BJT의 컬렉터와 기저를 제어합니다.
따라서 두 번째 BJT는 입력 신호에 비해 훨씬 더 큰 전류를 출력 부하로 전달할 수 있습니다.
이것이 NPN 달링턴 회로의 동작 원리입니다.
예를 들어 NPN Darlington 쌍을 사용하면 두 트랜지스터의 수집기가 함께 연결되고 TR1의 에미터가 TR2의 기본을 구동합니다.
기본 전류 ib의 경우 수집기 전류가 βib이고 전류 이득이 1 또는 유니티보다 크므로 이 구성은 βib이며 다음과 같이 정의됩니다
그러나 기본 전류인 IB2는 TR1의 에미터가 TR2의 기본에 연결되기 때문에 트랜지스터 TR1 에미터 전류, IE1과 동일합니다:
여기서 β1 및 β2는 개별 트랜지스터의 이득입니다.
즉, 전체 전류 이득인 β는 두 트랜지스터의 전류 이득이 곱해질 때 첫 번째 트랜지스터의 이득에 두 번째 트랜지스터의 이득을 곱한 값으로 주어집니다.
즉, 한 쌍의 바이폴라 트랜지스터를 결합하여 하나의 달링턴 트랜지스터 쌍을 만드는 것은 β의 값이 매우 높고 결과적으로 입력 저항이 높은 단일 트랜지스터로 간주할 수 있습니다.
3-2) PNP 달링턴 트랜지스터 구성
- 첫 번째 BJT(Base Transistor): PNP 타입의 트랜지스터로, 발진자는 입력 신호를 받습니다.
- 두 번째 BJT(Output Transistor): 또 다른 PNP 타입의 트랜지스터로, 발진자는 첫 번째 BJT의 컬렉터와 연결되고, 컬렉터는 출력 부하에 연결됩니다.
NPN 달링턴 트랜지스터와 마찬가지로, 입력 신호가 첫 번째 BJT의 발진자에 인가되면, 첫 번째 BJT는 충분한 기저 전류를 생성하여 두 번째 BJT의 컬렉터와 기저를 제어합니다.
이로써 두 번째 BJT는 입력 신호에 비해 훨씬 더 큰 전류를 출력 부하로 전달할 수 있습니다.
달링턴 회로는 전류 이득이 매우 높기 때문에 작은 입력 신호로도 큰 출력을 얻을 수 있습니다.
이러한 특성은 전원 공급 장치, 모터 제어, 조명 시스템 등과 같은 다양한 응용 분야에서 유용하게 활용됩니다.
4. 달링턴 회로 예제풀이
Darlington pair를 사용하여 12V와 80W의 정격 부하를 전환하는 다음 회로를 생각해 보십시오.
첫 번째와 두 번째 트랜지스터의 전류 이득은 각각 50과 60으로 주어집니다. 따라서 램프를 완전히 켜는 데 필요한 기본 전류를 계산해 보겠습니다.
먼저, 전구를 완전히 켜기 위해 필요한 최대 베이스 전류를 계산하려면 달링턴 페어의 두 트랜지스터의 전류 이득(β)을 고려해야 합니다.
- 주어진 값
첫 번째 트랜지스터(Q1)의 전류 이득(β) = 50
두 번째 트랜지스터(Q2)의 전류 이득(β) = 60
전구의 전압(V) = 12V
전구의 소비 전력(P) = 80W
우선 두 번째 트랜지스터(Q2)의 콜렉터 전류(IC2)를 전력 방정식을 사용하여 계산합니다.
IC=80/12=6.67A
달링턴 트랜지스터 출력 전류는 다음과 같이 계산됩니다.
IC=IB(β1+β2+β1×β2)
다음으로, 베이스 전류 (IB)를 계산합니다.
IB=IC / β1+β2+(β1×β2)
- 여기서
β1=50
β2=60
계산을 하면
IB=6.67 / 50+60+(60×50) = 6.67/3110 ≈ 0.0021447A
따라서, 전구를 완전히 켜기 위해 필요한 최대 베이스 전류는 약 약 2.1mA입니다.
위의 계산에서 작은 기본 전류로 더 큰 램프 부하를 전환할 수 있음이 분명합니다.
이 작은 기본 입력 전압은 마이크로컨트롤러 출력 또는 디지털 논리 회로에서 적용할 수 있습니다.
5. 달링턴 트랜지스터 응용
달링턴 트랜지스터는 매우 높은 직류 전류 이득을 제공하는 스위칭 및 증폭 응용 분야에서 주로 사용됩니다.
주요 응용 분야 중 일부는 고/저 사이드 스위치, 센서 증폭기 및 오디오 증폭기입니다.
빛에 민감한 응용 분야에서는 포토 달링턴이 사용됩니다.
5-1) NPN Darlington Transistor 스위치
NPN 달링턴 트랜지스터를 스위치로 사용하는 경우, 전압이나 전류 신호를 제어하여 연결된 부하(예: 전등, 모터 등)의 ON/OFF 상태를 조절합니다.
이러한 동작은 트랜지스터의 기본 전류에 따라 결정됩니다.
아래는 Darlington 트랜지스터를 사용하여 LED를 제어하는 회로입니다.
- 회로 구성
Darlington 페어는 두 개의 NPN 트랜지스터로 구성됩니다.
스위치는 트랜지스터의 기저(B) 단자와 함께 사용되어 LED를 켜고 끌 수 있습니다.
100k 옴 저항은 Darlington 페어를 보호하고 안정성을 제공합니다. - LED의 켜짐
스위치가 닫히면 기저에 1.4V 이상의 전압이 인가됩니다.
이로 인해 Darlington 페어가 활성화되고 전류가 흐릅니다.
전류는 LED를 통해 흐르고 LED가 매우 밝게 켜집니다.
기저의 저항 변화에도 불구하고 Darlington 페어는 LED를 밝게 유지합니다. - LED의 꺼짐
스위치가 열리면 모든 전류 흐름이 차단됩니다.
양 극성 트랜지스터는 차단 모드에 있으므로 LED가 꺼집니다. - 인덕티브 부하 구동
Darlington 페어는 릴레이 코일 또는 DC 모터와 같은 중첩된 부하를 구동하는 데 사용될 수 있습니다.
중첩된 부하는 Darlington 페어를 통해 고전류를 소비할 수 있도록 합니다.
릴레이 코일을 구동할 때는 flywheel 다이오드가 필요합니다
이러한 방식으로 NPN 달링턴 트랜지스터는 작은 제어 신호로도 큰 전력을 효과적으로 제어할 수 있습니다.
이것은 모터 제어, 조명 제어, 스위칭 전원 공급 등과 같은 다양한 응용 분야에서 사용됩니다.
그리고 이러한 트랜지스터는 일반적으로 전력 소비를 줄이고 효율성을 높이는 데 도움이 됩니다.