1. Warum dieses Bauteil Bestand hat

Der ULN2003A wurde entwickelt, damit Niederspannungslogik Relais, Lampen, Magnetspulen und kleine Schrittmotoren ansteuern kann. Das erreicht er mit sieben Darlington-Paaren, die jeweils für das Senken von bis zu 500 mA bei 50 V ausgelegt sind, plus einer Diode pro Kanal zum Klemmen induktiver Rückspannung.

An dieser Funktion hat sich nichts geändert. Mikrocontroller geben weiterhin 3.3 V aus, Relais benötigen weiterhin 12 V, und Entwickler wünschen sich weiterhin ein Bauteil, das sieben Lasten ohne externe Komponenten bewältigt. Deshalb erscheint dasselbe 16-polige Gehäuse auf Platinen, die Jahrzehnte auseinander entwickelt wurden.

Das Ergebnis ist ein Massenbauteil mit einem großen Markt für Zweitquellen und einer Handvoll Varianten, die identisch aussehen und sich unterschiedlich verhalten. Die meisten Substitutionsfehler gehen auf diese Varianten zurück.

2. Was das Bauteil tatsächlich tut

Jeder Kanal ist ein invertierendes Darlington-Paar mit Open-Collector-Ausgang. Ein logisches High am Eingang schaltet den Ausgangstransistor ein und zieht den Ausgangspin auf Masse. Die Last wird zwischen die positive Versorgung und den Ausgangspin geschaltet.

Diese Anordnung ist praktisch: Der Treiber nimmt Strom auf, sodass die Lastspannung höher sein kann als die Logikversorgung, bis zur Nennspannung von 50 V. Außerdem bedeutet es, dass der Ausgang keinen Strom liefern kann — ein Detail, das wichtig ist, wenn jemand versucht, eine LED vom Ausgang gegen Masse zu treiben.

Die interne Diode verbindet jeden Ausgang mit dem COM-Pin. Wenn eine induktive Last abgeschaltet wird, klemmt die Diode die Abschaltspannung an die COM-Schiene, statt sie den Transistor zerstören zu lassen. Der COM-Pin muss für diese Funktion mit der Lastversorgung verbunden werden.

Warum die Sättigungsspannung hoch ist

Ein Darlington-Paar besteht aus zwei in Reihe geschalteten Transistoren. Der erste treibt die Basis des zweiten an, daher kann der Ausgang nicht unter etwa zwei Basis-Emitter-Spannungsabfällen sättigen — etwa 1,0–1,2 V bei mittlerem Strom und mehr bei höherem Strom.

Das ist aus zwei Gründen wichtig. Elektrisch gesehen sieht die Last die Versorgung abzüglich dieser Spannung, sodass eine 12-V-Relaisspule tatsächlich etwa 10,8 V erhält. Thermisch wird der Spannungsabfall multipliziert mit dem Strom zu Wärme im Gehäuse: 200 mA bei 1,1 V sind 0,22 W pro Kanal.

Ein einzelner MOSFET hätte einen weitaus geringeren Spannungsabfall, würde aber auch eine Gate-Ansteuerung und eine Klemmdiode benötigen. Der Darlington tauscht Effizienz gegen Einfachheit, und dieser Kompromiss ist der Grund, warum dieses Bauteil überlebt.

3. Pinbelegung und Pin-Kompatibilität

Die umgekehrte Reihenfolge der Ausgänge ist eine klassische Fehlerquelle bei der Verdrahtung. Pin 10 ist Kanal 7 und Pin 16 ist Kanal 1, nicht umgekehrt.

4. Die Varianten, die identisch aussehen

Zwei davon sind echte pinkompatible Ersatztypen für den ULN2003A: die ULN2003-Varianten und der ULQ2003A. Der ULN2004A ist baulich kompatibel, hat aber einen deutlich größeren Eingangswiderstand, und der ULN2803A ist ein anderes Gehäuse mit einer anderen Pinbelegung.

Widerstandsberechnung für 1.8-V- und 3.3-V-Logik

Der Eingangsstrom beträgt ungefähr (Vin − 1.4 V) / R, wobei die 1.4 V die beiden Basis-Emitter-Spannungsabfälle des Darlington sind. Mit einem 2.7 kΩ-Widerstand ergeben 3.3 V etwa 0.7 mA; 5 V ergeben etwa 1.3 mA. Beide reichen aus, um die meisten Kanäle zu sättigen.

Bei 1.8 V liefert derselbe Widerstand nur 0.15 mA, was für die vollständige Sättigung unter Last grenzwertig ist. Ein Design, das mit 1.8-V-Logik arbeitet, sollte entweder einen Treiber mit einem kleineren Eingangswiderstand verwenden oder einen Vor-Treiber hinzufügen.

Der 10.5 kΩ-Widerstand des ULN2004A ist für 6–15-V-Logik ausgelegt, wobei die höhere Spannung den größeren Widerstand kompensiert. Ihn bei 3.3 V zu verwenden, ist das Gegenteil seines vorgesehenen Einsatzes.

5. Der Eingangswiderstand entscheidet über den Logikpegel

Der Eingang ist ein Widerstand in Reihe zur Darlington-Basis. Mit einem 2.7 kΩ-Widerstand treibt ein 3.3-V-Logik-High etwa 1 mA in die Basis, was ausreicht, um den Kanal bei Nennstrom zu sättigen. Mit einem 10.5 kΩ-Widerstand erzeugt dieselbe 3.3 V nur etwa 0.3 mA — genug, um den Ausgang einzuschalten, aber nicht immer genug, um ihn unter Last vollständig gesättigt zu halten.

Deshalb gibt es den ULN2004A: Er ist für Logik mit höherer Spannung vorgesehen, bei der der größere Widerstand den Strom begrenzt. Ihn mit 3.3-V-Logik zu verwenden, ist kein direkter Austausch, auch wenn er in den Sockel passt.

Der praktische Test ist einfach: die vorgesehene Last anschließen und die Ausgangs-Sättigungsspannung messen. Ein Kanal, der nicht vollständig gesättigt ist, wird heiß und kann ausfallen.

6. Ausgangsgrenzen und thermische Realität

Die 500-mA-Angabe gilt pro Kanal und setzt voraus, dass die anderen nicht alle gleichzeitig bei vollem Strom betrieben werden. Der Wärmewiderstand des Gehäuses ist die eigentliche Einschränkung.

Ein DIP-16-Gehäuse mit einer bescheidenen Kupferfläche hat einen Wärmewiderstand von Sperrschicht zu Umgebung im Bereich von 60–100 °C/W. Bei 1 W Verlustleistung steigt die Sperrschichttemperatur um 60–100 °C über die Umgebungstemperatur. Das ist bei 25 °C akzeptabel, bei 50 °C im Gehäuse grenzwertig und bei 70 °C unmöglich.

Die übliche Abhilfe ist nicht ein anderer Treiber – sondern weniger eingeschaltete Kanäle, ein niedrigerer Strom oder ein externer MOSFET für die hohen Lasten.

Schrittmotoren und der klassische 28BYJ-48

Die häufigste Hobbyanwendung ist ein unipolarer Schrittmotor wie der 28BYJ-48, der direkt über vier Kanäle angesteuert wird. Jede Spule zieht einige hundert Milliampere, und der Treiber schaltet sie der Reihe nach.

Zwei Details entscheiden darüber, ob es zuverlässig funktioniert. Erstens sind die Spulen induktiv, daher muss der COM-Pin an die Motorversorgung angeschlossen werden. Zweitens fließt der Strom kontinuierlich, während der Motor die Position hält, sodass die Verlustleistung im Gehäuse kein transienter Zustand ist – sie ist der stationäre Betriebspunkt.

Wenn der Motor blockiert, steigt der Strom bis zum Wicklungsgrenzwert und der Treiber erhitzt sich schnell. Ein Design, das auf dem Prüfstand funktioniert, aber in einem heißen Gehäuse versagt, ist üblicherweise ein thermisches Designproblem und kein Treiberdefekt.

Verwenden Sie bei der Berechnung die Sättigungsspannung bei Ihrem tatsächlichen Strom und nicht den prominenten Wert aus dem Datenblatt, der oft bei einem niedrigeren Strom angegeben wird. Bei 500 mA kann der Spannungsabfall deutlich über 1 V liegen, und die Verlustleistung skaliert damit bei jedem Schaltvorgang.

7. Der COM-Pin und induktive Lasten

Bei Relais, Magnetspulen und Motoren muss der COM-Pin mit der positiven Versorgung der Last verbunden werden, nicht mit Logikmasse. Die interne Diode klemmt dann den induktiven Rückschlag auf diese Versorgungsschiene.

Wenn COM unbeschaltet bleibt, tun die Dioden nichts, und die Ausgänge sehen die volle Rückschlagspannung. Das Bauteil kann einige Ereignisse überstehen und dann ausfallen — oft so, dass es wie ein zufälliger Ausfall eines Kanals wirkt.

Für Lasten über der Nennspannung von 50 V oder Ströme über der Nennbelastbarkeit der internen Diode sind externe Klemmdioden hinzuzufügen. Die internen sind praktisch, aber nicht unbegrenzt.

Die Wahl zwischen einem Darlington-Array und einem MOSFET-Treiber läuft auf drei Zahlen hinaus: Spannungsabfall, Kanalzahl und Platinenfläche. Ein Darlington mit sieben Kanälen im 16-Pin-Gehäuse ist kaum zu übertreffen, wenn die Lasten bescheiden sind und das Design auf Einfachheit setzt.

Wenn 500 mA nicht ausreichen

Oberhalb von etwa einem halben Ampere pro Kanal ist das Darlington-Array nicht mehr die richtige Lösung. Die Optionen sind diskrete MOSFETs, ein dedizierter Low-Side-Treiber oder ein Relais-Treiber mit höherer Nennbelastbarkeit.

Ein MOSFET reduziert den Spannungsabfall auf einige zehn Millivolt und beseitigt den größten Teil des thermischen Problems – auf Kosten einer Gate-Ansteuerung und einer externen Klemmdiode. Für eine einzelne große Last ist das üblicherweise günstiger als das Parallelschalten von Kanälen.

Das Parallelschalten von Kanälen ist möglich, aber nicht kostenlos: Die beiden Darlington-Paare teilen den Strom nicht perfekt, und eines führt mehr Strom als das andere. Ein kleiner Emitterwiderstand pro Kanal kann die Stromaufteilung erzwingen, was die Einfachheit des Bauteils zunichtemacht.

Die 50-V-Nennspannung ist ein absoluter Maximalwert für den Ausgang, kein empfohlener Arbeitspunkt für den Dauerbetrieb. Ein 24-V-Relais mit einem 36-V-Transienten ist in Ordnung; ein 48-V-Magnetventil mit einer 60-V-Spitze nicht.

Nennwerte von Klemmdioden in der Praxis

Die interne Diode ist für dieselbe Spannungsklasse wie der Ausgang ausgelegt, aber ihre Strombelastbarkeit entspricht nicht der des Transistors. Eine Relaisspule, die im Dauerbetrieb 100 mA aufnimmt, kann beim Abschalten kurzzeitig einen Strom ähnlicher Größenordnung erzeugen; ein Magnetventil mit großer Induktivität kann mehr erzeugen.

Bei Lasten mit hoher Induktivität oder häufigem Schalten ist eine externe Diode mit höherer Strombelastbarkeit eine günstige Absicherung. Platzieren Sie sie parallel zur Last, nicht parallel zum Treiber, damit die Schleife kurz bleibt.

8. Substitutions-Checkliste

Layout und Masseführung

Der Treiber führt Laststrom, nicht Logikstrom. Halten Sie den Rückführweg für die Lasten bis zu einem einzigen Sternpunkt getrennt von der Logikmasse; sonst hebt der Schaltstrom das Logikbezugspotenzial an und verursacht Fehlauslösungen.

Platzieren Sie den COM-Anschluss nahe am Gehäuse und versehen Sie ihn mit einer kurzen, breiten Leiterbahn. Der Klemmstrom fließt bei jedem Ausschaltvorgang durch diesen Pin, und eine dünne Leiterbahn erhöht die Induktivität, was die Diode unwirksam macht.

Bei DIP-Gehäusen ist ein Sockel für Prototypen praktisch und in der Produktion ein Risiko. Sockel fügen genau dort Übergangswiderstand und Induktivität hinzu, wo der Klemmstrom fließt.

Häufige Fehlerbilder

Ein Kanal ausgefallen.Meist ein fehlender COM-Anschluss oder eine ungeklemmte induktive Last. Prüfen Sie zuerst die Lastseite, dann den Treiber.

Alle Kanäle schwach.Meist die Eingangsansteuerung: 3.3 V Logik an einem 10.5 kΩ Bauteil oder ein versehentlich eingefügter Serienwiderstand. Messen Sie die Eingangsspannung am Pin, nicht am Mikrocontroller.

Intermittierendes Schalten.Meist die Masseführung: Die Lastrückleitung teilt sich eine Leiterbahn mit der Logikrückleitung, und der Schaltstrom verschiebt die Referenz.

9. Testplan

Unterschiede bei Zweitquellen zeigen sich bei der Sättigungsspannung bei niedrigem Basisstrom und beim Durchlassspannungsabfall der Klemmdiode. Beide werden mit Minimal- und Maximalwerten spezifiziert; vergleichen Sie die Maximalwerte, nicht die Typwerte, wenn die Auslegung nahe an einer Grenze liegt.

Hinweise zu Automotive- und Industrieanwendungen

Die Q-Grade-Variante ist für den Automotive-Einsatz spezifiziert und verfügt über die entsprechende Qualifikation. Sie ist nicht einfach eine für einen Temperaturbereich ausgelegte Version des Standardbauteils: Die Qualifikationsdokumentation ist Bestandteil des Produkts.

Bei industriellen Auslegungen sind die relevanten Fragen die Umgebungstemperatur im Gehäuse und die Anzahl der Kanäle, die gleichzeitig eingeschaltet sein können. Beide sind thermische Fragen, und beide werden durch Messung beantwortet, nicht durch die kanalbezogene Nennangabe im Datenblatt.

10. Kosten und Beschaffung

Dies ist einer der günstigsten Treiber-ICs auf dem Markt, daher wird der Preisunterschied zwischen Quellen in Bruchteilen eines Cents gemessen. Verfügbarkeit, Gehäuse und Konsistenz der Zweitquellen sind wichtiger.

Zweitquellen sind üblich und für Nicht-Automotive-Anwendungen im Allgemeinen akzeptabel. Für Automotive die Q-Grade-Variante verwenden und die Qualifikationsdokumente bestätigen, da das Standardteil kein Ersatz für ein AEC-Q100-Bauteil ist.

Rollenmengen und Date Codes sind weiterhin wichtig: Eine günstige Rolle Altbestand, die schlecht gelagert wurde, kann durch Nacharbeit mehr kosten, als das Bauteil eingespart hat.

Die praktische Regel für einen Austausch: Kanalanzahl und Eingangswiderstand abgleichen, bestätigen, dass die Clamp-Dioden intern sind und COM verdrahtet ist, dann die Sättigungsspannung bei Ihrem Laststrom messen und die Gehäusetemperatur bei jedem Kanal prüfen, der gleichzeitig eingeschaltet sein wird. Alles andere ist zweitrangig.

11. FAQ

Ist der ULN2004A ein Drop-in-Ersatz für den ULN2003A?

Er passt in denselben Sockel, hat aber einen deutlich größeren Eingangswiderstand. Bei 3.3-V-Logik kann der Ausgang eventuell nicht vollständig sättigen. Prüfen Sie den Eingangsstrom und die Sättigungsspannung.

Kann ich stattdessen den ULN2803A verwenden?

Nein. Er hat acht Kanäle sowie ein anderes Gehäuse und eine andere Pinbelegung. Er ist ein funktionales Upgrade, kein Ersatz.

Warum fällt mein Relaiskanal nach einigen Wochen aus?

Normalerweise ist der COM-Pin nicht verbunden, sodass die interne Klemmdiode wirkungslos ist und die Abschaltspannungsspitze den Ausgangstransistor beeinträchtigt.

Kann ich eine LED vom Ausgang gegen Masse betreiben?

Nein. Der Ausgang zieht Strom gegen Masse. Schließen Sie die LED von der Versorgung über einen Widerstand an den Ausgang an.

Wie viele Kanäle können gleichzeitig mit 500 mA betrieben werden?

In der Praxis nur einer, wegen der Verlustleistung des Packages. Reduzieren Sie die Gesamtleistung, statt Kanäle zu zählen, und messen Sie die Package-Temperatur bei geschlossenem Gehäuse.

Brauche ich externe Dioden für ein 24-V-Relais?

Nicht wegen der Spannung allein; die internen Dioden sind für die 50-V-Klasse ausgelegt. Fügen Sie externe Dioden hinzu, wenn der Laststrom oder der Stoßstrom die interne Nennbelastung überschreitet.

12. Quellen

• TI ULN2003A Produktseite:ti.com
• ST ULN2003 Dokumentation:st.com
• onsemi Treiber-Portfolio:onsemi.com