1. Por qué este componente sigue vigente

El ULN2003A se diseñó para permitir que la lógica de baja tensión controle relés, lámparas, solenoides y pequeños motores paso a paso. Lo hace con siete pares Darlington, cada uno con capacidad de drenar hasta 500 mA a 50 V, más un diodo por canal para limitar la sobretensión inductiva.

Nada de esa función ha cambiado. Los microcontroladores siguen entregando 3.3 V, los relés siguen necesitando 12 V y los diseñadores siguen queriendo un único componente que maneje siete cargas sin componentes externos. Por eso el mismo encapsulado de 16 pines aparece en placas diseñadas con décadas de diferencia.

El resultado es un componente de uso común con un amplio mercado de segundas fuentes y un puñado de variantes que parecen idénticas y se comportan de forma diferente. La mayoría de los errores de sustitución provienen de esas variantes.

2. Qué hace realmente el dispositivo

Cada canal es un par Darlington inversor con una salida de colector abierto. Un nivel alto lógico en la entrada activa el transistor de salida, llevando el pin de salida a masa. La carga se conecta entre la alimentación positiva y el pin de salida.

Esa disposición es conveniente: el driver absorbe corriente, por lo que la tensión de la carga puede ser mayor que la alimentación lógica, hasta la clasificación de 50 V. También implica que la salida no puede entregar corriente —un detalle que importa cuando alguien intenta accionar un LED desde la salida a masa.

El diodo interno conecta cada salida con el pin COM. Cuando se desconecta una carga inductiva, el diodo limita el retorno inductivo al riel COM en lugar de dejar que destruya el transistor. El pin COM debe conectarse a la alimentación de la carga para que eso funcione.

Por qué la tensión de saturación es alta

Un par Darlington son dos transistores en serie. El primero excita la base del segundo, por lo que la salida no puede saturar por debajo de aproximadamente dos caídas base-emisor —alrededor de 1.0–1.2 V a corriente moderada, y más a mayor corriente.

Eso importa por dos razones. Eléctricamente, la carga ve la alimentación menos esa tensión, por lo que una bobina de relé de 12 V recibe en realidad unos 10.8 V. Térmicamente, la caída multiplicada por la corriente se convierte en calor dentro del encapsulado: 200 mA a 1.1 V son 0.22 W por canal.

Un solo MOSFET tendría una caída mucho menor, pero también necesitaría una excitación de puerta y un diodo de sujeción. El Darlington sacrifica eficiencia a cambio de simplicidad, y ese compromiso es la razón por la que este componente sigue vigente.

3. Asignación de pines y compatibilidad de pines

La ordenación inversa de las salidas es una fuente clásica de errores de cableado. El pin 10 es el canal 7 y el pin 16 es el canal 1, no al revés.

4. Las variantes que parecen idénticas

Dos de estos son verdaderos sustitutos compatibles pin a pin para el ULN2003A: las variantes ULN2003 y el ULQ2003A. El ULN2004A es físicamente compatible pero tiene una resistencia de entrada mucho mayor, y el ULN2803A es un encapsulado diferente con una distribución de pines diferente.

Cálculo de resistencias para lógica de 1.8 V y 3.3 V

La corriente de entrada es aproximadamente (Vin − 1.4 V) / R, donde 1.4 V corresponde a las dos caídas base-emisor del Darlington. Con una resistencia de 2.7 kΩ, 3.3 V proporciona aproximadamente 0.7 mA; 5 V proporciona aproximadamente 1.3 mA. Ambos valores son suficientes para saturar la mayoría de los canales.

A 1.8 V, la misma resistencia solo proporciona 0.15 mA, lo cual es marginal para una saturación completa bajo carga. Un diseño que opera con lógica de 1.8 V debería usar un driver con una resistencia de entrada menor o añadir un pre-driver.

La resistencia de 10.5 kΩ del ULN2004A está diseñada para lógica de 6–15 V, donde la mayor tensión compensa la mayor resistencia. Usarla a 3.3 V es lo contrario de su aplicación prevista.

5. La resistencia de entrada determina el nivel lógico

La entrada es una resistencia en serie con la base del Darlington. Con una resistencia de 2.7 kΩ, un nivel lógico alto de 3.3 V inyecta aproximadamente 1 mA en la base, lo cual es suficiente para saturar el canal a la corriente nominal. Con una resistencia de 10.5 kΩ, los mismos 3.3 V producen solo aproximadamente 0.3 mA — suficiente para activar la salida, pero no siempre suficiente para mantenerla completamente saturada bajo carga.

Por eso existe el ULN2004A: está pensado para lógica de mayor tensión, donde la resistencia mayor limita la corriente. Usarlo con lógica de 3.3 V no es un reemplazo directo, aunque encaje en el zócalo.

La prueba práctica es sencilla: conecte la carga prevista y mida la tensión de saturación de salida. Un canal que no está completamente saturado se calienta y puede fallar.

6. Límites de salida y realidad térmica

La capacidad nominal de 500 mA es por canal, y supone que los demás no están todos a plena corriente al mismo tiempo. La resistencia térmica del encapsulado es la verdadera restricción.

Un encapsulado DIP-16 con un área de cobre modesta tiene una resistencia unión-ambiente del orden de 60–100 °C/W. Con 1 W de disipación, la unión se eleva 60–100 °C por encima del ambiente. Esto es aceptable a 25 °C, marginal a 50 °C dentro de un recinto e imposible a 70 °C.

La solución habitual no es un controlador diferente: es tener menos canales activos, menor corriente o un MOSFET externo para las cargas pesadas.

Motores paso a paso y el clásico 28BYJ-48

La aplicación de aficionado más común es un motor paso a paso unipolar como el 28BYJ-48, controlado directamente desde cuatro canales. Cada bobina consume unos cientos de miliamperios y el controlador las conmuta en secuencia.

Dos detalles deciden si funciona de forma fiable. Primero, las bobinas son inductivas, por lo que el pin COM debe conectarse a la alimentación del motor. Segundo, la corriente es continua mientras el motor mantiene la posición, así que la disipación del encapsulado no es transitoria: es el punto de funcionamiento en régimen permanente.

Si el motor se bloquea, la corriente aumenta hasta el límite del devanado y el controlador se calienta rápidamente. Un diseño que funciona en el banco de pruebas pero falla en una carcasa caliente suele ser un problema de diseño térmico, no un defecto del controlador.

Al calcular, utilice la tensión de saturación a su corriente real en lugar de la cifra destacada de la hoja de datos, que a menudo se indica con una corriente menor. A 500 mA, la caída puede superar ampliamente 1 V, y la disipación escala con ella durante cada evento de conmutación.

7. El pin COM y las cargas inductivas

Para relés, solenoides y motores, el pin COM debe conectarse a la alimentación positiva de la carga, no a la tierra lógica. El diodo interno entonces fija el pico inductivo a ese riel.

Si COM se deja flotante, los diodos no hacen nada y las salidas ven la tensión de pico inductivo completa. El dispositivo puede sobrevivir a unos pocos eventos y luego fallar — a menudo de una manera que parece la muerte aleatoria de un canal.

Para cargas por encima de la clasificación de 50 V o corrientes por encima de la clasificación del diodo interno, añada diodos de sujeción externos. Los internos son cómodos, no ilimitados.

La elección entre una matriz Darlington y un controlador MOSFET se reduce a tres números: caída de tensión, número de canales y espacio en la placa. Un Darlington de siete canales en un encapsulado de 16 pines es difícil de superar cuando las cargas son moderadas y el diseño valora la simplicidad.

Cuando 500 mA no son suficientes

Por encima de aproximadamente medio amperio por canal, la matriz Darlington deja de ser la solución adecuada. Las opciones son MOSFET discretos, un controlador de lado bajo dedicado o un controlador de relé con una capacidad nominal superior.

Un MOSFET reduce la caída de tensión a decenas de milivoltios y elimina la mayor parte del problema térmico, a costa del accionamiento de puerta y de un diodo de sujeción externo. Para una única carga de gran consumo, eso suele ser más económico que poner canales en paralelo.

Poner canales en paralelo es posible, pero no sale gratis: los dos pares Darlington no comparten la corriente de forma perfecta y uno transporta más que el otro. Una pequeña resistencia de emisor por canal puede forzar el reparto, lo que anula la simplicidad del componente.

La clasificación de 50 V es un máximo absoluto para la salida, no un punto de funcionamiento recomendado para uso continuo. Un relé de 24 V con un transitorio de 36 V es aceptable; un solenoide de 48 V con un pico de 60 V no lo es.

Valores nominales de los diodos de sujeción en la práctica

El diodo interno está especificado para la misma clase de tensión que la salida, pero su capacidad de corriente no es la misma que la del transistor. Una bobina de relé que consume 100 mA de forma continua puede producir una corriente breve de magnitud similar al desconectarse; un solenoide con una gran inductancia puede producir más.

Para cargas con alta inductancia o conmutación frecuente, un diodo externo con una mayor corriente nominal es un seguro barato. Colóquelo en paralelo con la carga, no con el controlador, para que el lazo sea corto.

8. Lista de verificación de sustitución

Disposición y conexión a tierra

El controlador transporta corriente de carga, no corriente lógica. Mantenga el camino de retorno de las cargas separado de la masa lógica hasta un único punto estrella, o la corriente de conmutación elevará la referencia lógica y provocará un disparo falso.

Coloque la conexión COM cerca del encapsulado y dele una pista corta y ancha. La corriente de sujeción fluye por ese pin en cada evento de apagado, y una pista fina añade inductancia que anula la función del diodo.

En encapsulados DIP, un zócalo es cómodo para prototipos y un riesgo en producción. Los zócalos añaden resistencia e inductancia de contacto justo donde fluye la corriente de sujeción.

Modos de fallo comunes

Un canal muerto.Normalmente una conexión COM ausente o una carga inductiva sin sujeción. Compruebe primero el lado de la carga y luego el controlador.

Todos los canales débiles.Normalmente la excitación de entrada: lógica de 3.3 V hacia un componente de 10.5 kΩ, o una resistencia en serie añadida por error. Mida la tensión de entrada en el pin, no en el microcontrolador.

Conmutación intermitente.Normalmente la puesta a tierra: el retorno de carga comparte una pista con el retorno de lógica, y la corriente de conmutación desplaza la referencia.

9. Plan de pruebas

Las diferencias de segunda fuente se manifiestan en la tensión de saturación con corriente de base baja y en la caída directa del diodo de sujeción. Ambas se especifican con valores mínimos y máximos; compare los máximos, no los típicos, cuando el diseño opera cerca de un límite.

Notas sobre automoción e industria

La variante de grado Q está especificada para uso automotriz y cuenta con la calificación correspondiente. No es simplemente una versión del componente estándar clasificada por temperatura: la documentación de calificación forma parte del producto.

Para diseños industriales, las preguntas relevantes son la temperatura ambiente dentro del recinto y el número de canales que pueden estar activos simultáneamente. Ambas son cuestiones térmicas, y ambas se responden mediante medición, no mediante el valor nominal por canal de la hoja de datos.

10. Coste y suministro

Este es uno de los CI controladores más baratos del mercado, por lo que la diferencia de precio entre proveedores se mide en fracciones de centavo. La disponibilidad, el encapsulado y la consistencia de las segundas fuentes importan más.

Las segundas fuentes son comunes y, en general, aceptables para uso no automotriz. Para automoción, utilice la variante Q-grade y confirme los documentos de cualificación, porque la pieza estándar no sustituye a un dispositivo AEC-Q100.

Las cantidades por bobina y los códigos de fecha siguen importando: una bobina barata de stock antiguo que se ha almacenado mal puede costar más en retrabajo que lo ahorrado en la pieza.

La regla práctica para una sustitución: iguale el número de canales y la resistencia de entrada, confirme que los diodos de sujeción son internos y que COM está cableado, luego mida la tensión de saturación con su corriente de carga y compruebe la temperatura del encapsulado con todos los canales que vayan a estar activos a la vez. Todo lo demás es secundario.

11. FAQ

¿Es el ULN2004A un sustituto directo del ULN2003A?

Encaja en el mismo zócalo, pero tiene una resistencia de entrada mucho mayor. Con lógica de 3.3 V, la salida puede no saturarse por completo. Compruebe la corriente de entrada y la tensión de saturación.

¿Puedo usar el ULN2803A en su lugar?

No. Tiene ocho canales y un encapsulado y una distribución de pines diferentes. Es una mejora funcional, no un sustituto.

¿Por qué falla mi canal de relé después de unas semanas?

Normalmente, el pin COM no está conectado, por lo que el diodo de sujeción interno no hace nada y el pico inductivo degrada el transistor de salida.

¿Puedo excitar un LED desde la salida a masa?

No. La salida drena corriente a masa. Conecte el LED desde la alimentación a través de una resistencia hasta la salida.

¿Cuántos canales pueden funcionar a 500 mA a la vez?

Solo uno, en la práctica, debido a la disipación del encapsulado. Reduzca la potencia total en lugar de contar canales, y mida la temperatura del encapsulado con la carcasa cerrada.

¿Necesito diodos externos para un relé de 24 V?

No por la tensión sola; los diodos internos están especificados para la clase de 50 V. Añada diodos externos si la corriente de carga o el pico supera la capacidad nominal interna.

12. Fuentes

• Página de producto del ULN2003A de TI:ti.com
• Documentación del ULN2003 de ST:st.com
• Portafolio de controladores de onsemi:onsemi.com