1. Miksi tämä osa on säilynyt

ULN2003A suunniteltiin antamaan matalajännitelogiikan ohjata releitä, lamppuja, solenoidikeloja ja pieniä askelmoottoreita. Se tekee tämän seitsemällä Darlington-parilla, joista jokainen on mitoitettu kestämään jopa 500 mA 50 V:ssa, sekä yhdellä diodilla kanavaa kohti induktiivisen takajännitepiikin rajoittamiseksi.

Mikään tuossa toiminnassa ei ole muuttunut. Mikro-ohjaimet antavat edelleen 3,3 V:n lähtöjä, releet tarvitsevat edelleen 12 V, ja suunnittelijat haluavat edelleen yhden osan, joka käsittelee seitsemää kuormaa ilman ulkoisia komponentteja. Siksi sama 16-nastainen kotelo esiintyy korteissa, jotka on suunniteltu vuosikymmeniä eri aikoina.

Tuloksena on yleiskomponentti, jolla on laajat vaihtoehtoisten valmistajien markkinat ja kourallinen variantteja, jotka näyttävät identtisiltä mutta käyttäytyvät eri tavalla. Useimmat korvausvirheet johtuvat juuri näistä varianteista.

2. Mitä laite oikeastaan tekee

Jokainen kanava on invertoiva Darlington-pari, jossa on avokollektorilähtö. Logiikka 1 tulossa kytkee lähtötransistorin päälle ja vetää lähtönastan maahan. Kuorma kytketään positiivisen syötön ja lähtönastan väliin.

Ratkaisu on kätevä: ajuri imee virtaa, joten kuorman jännite voi olla logiikkasyöttöä korkeampi, aina 50 V:n luokitukseen asti. Se tarkoittaa myös, että lähtö ei voi syöttää virtaa — yksityiskohta, jolla on merkitystä, kun yritetään ajaa LEDiä lähdöstä maahan.

Sisäinen diodi kytkee jokaisen lähdön COM-nastaan. Kun induktiivinen kuorma kytketään pois päältä, diodi kiinnittää takaiskun COM-kiskoon sen sijaan, että antaisi sen tuhota transistorin. COM-nasta on kytkettävä kuorman syöttöön, jotta tämä toimii.

Miksi kyllästysjännite on korkea

Darlington-pari on kaksi transistoria sarjassa. Ensimmäinen ohjaa toisen kantaa, joten lähtö ei voi kyllästyä alle noin kahden kanta-emitterijännitehäviön — noin 1.0–1.2 V kohtuullisella virralla ja enemmän suuremmalla virralla.

Sillä on merkitystä kahdesta syystä. Sähköisesti kuorma näkee syötön vähennettynä tuolla jännitteellä, joten 12 V:n relekäämi saa itse asiassa noin 10.8 V. Lämpötehon kannalta jännitehäviö kerrottuna virralla muuttuu lämmöksi kotelon sisällä: 200 mA 1.1 V:lla on 0.22 W kanavaa kohti.

Yhdellä MOSFETilla olisi paljon pienempi jännitehäviö, mutta se tarvitsisi myös hilakäytön ja klampidiodin. Darlington vaihtaa hyötysuhdetta yksinkertaisuuteen, ja juuri tämä vaihtokauppa on syy siihen, että tämä komponentti on säilynyt.

3. Nastajärjestys ja nastayhteensopivuus

Lähtöjen käänteinen järjestys on klassinen johdotusvirheiden lähde. Nasta 10 on kanava 7 ja nasta 16 on kanava 1, ei päinvastoin.

4. Samannäköiset versiot

Kaksi näistä ovat aidosti pinniyhteensopivia korvaajia ULN2003A:lle: ULN2003-variantit ja ULQ2003A. ULN2004A on fyysisesti yhteensopiva, mutta siinä on paljon suurempi tulovastus, ja ULN2803A on eri kotelo, jossa on erilainen pinnijärjestys.

Vastuslaskenta 1.8 V:n ja 3.3 V:n logiikalle

Tulovirta on suunnilleen (Vin − 1,4 V) / R, jossa 1,4 V on Darlingtonin kaksi kanta-emitterijännitehäviötä. Kun vastus on 2,7 kΩ, 3,3 V antaa noin 0,7 mA; 5 V antaa noin 1,3 mA. Molemmat riittävät kyllästämään useimmat kanavat.

1,8 V:lla sama vastus antaa vain 0,15 mA, mikä on marginaalinen täyteen kyllästykseen kuormituksen alla. Suunnittelussa, joka toimii 1,8 V logiikalla, tulisi joko käyttää ajuria, jossa on pienempi tulovastus, tai lisätä esiajuri.

ULN2004A:n 10,5 kΩ:n vastus on suunniteltu 6–15 V logiikalle, jossa suurempi jännite kompensoi suuremman vastuksen. Sen käyttö 3,3 V:lla on päinvastaista sen aiottuun käyttöön nähden.

5. Tulovastus määrittää logiikkatason

Tulo on vastus sarjassa Darlingtonin kannan kanssa. Kun vastus on 2,7 kΩ, 3,3 V:n logiikkaylätaso ajaa kantaan noin 1 mA, mikä riittää kyllästämään kanavan nimellisvirralla. Kun vastus on 10,5 kΩ, sama 3,3 V tuottaa vain noin 0,3 mA — riittää kytkemään lähdön päälle, mutta ei aina riitä pitämään sitä täysin kyllästettynä kuormituksen alla.

Juuri siksi ULN2004A on olemassa: se on tarkoitettu korkeamman jännitteen logiikalle, jossa suurempi vastus rajoittaa virtaa. Sen käyttäminen 3,3 V logiikan kanssa ei ole suora vaihto, vaikka se sopiikin kantaan.

Käytännön testi on yksinkertainen: kytke aiottu kuorma ja mittaa lähdön kyllästysjännite. Kanava, joka ei ole täysin kyllästynyt, käy kuumana ja voi vikaantua.

6. Lähtörajat ja terminen todellisuus

500 mA:n mitoitusarvo on kanavakohtainen, ja se olettaa, että muut eivät ole samanaikaisesti täydellä virralla. Kotelon lämpöresistanssi on todellinen rajoite.

DIP-16-kotelolla, jossa on kohtalainen kupariala, liitoksen ja ympäristön välinen lämpöresistanssi on välillä 60–100 °C/W. Kun häviöteho on 1 W, liitos lämpiää 60–100 °C ympäristön yläpuolelle. Se on hyväksyttävää 25 °C:ssa, rajatapaus 50 °C:ssa kotelon sisällä ja mahdotonta 70 °C:ssa.

Tavallinen korjaus ei ole eri ajuri – vaan se, että kanavia on päällä vähemmän, virta on pienempi tai raskaille kuormille käytetään ulkoista MOSFETiä.

Askelmoottorit ja klassinen 28BYJ-48

Yleisin harrastussovellus on unipolaarinen askelmoottori, kuten 28BYJ-48, jota ohjataan suoraan neljältä kanavalta. Kukin käämi ottaa muutamia satoja milliampeereja, ja ajuri kytkee niitä peräkkäin.

Kaksi yksityiskohtaa ratkaisee, toimiiko se luotettavasti. Ensinnäkin käämit ovat induktiivisia, joten COM-nasta on kytkettävä moottorin syöttöön. Toiseksi virta on jatkuva, kun moottori pitää asentoaan, joten kotelon häviöteho ei ole hetkellinen – se on vakaan tilan toimintapiste.

Jos moottori pysähtyy, virta nousee käämin raja-arvoon ja ajuri kuumenee nopeasti. Suunnittelu, joka toimii penkillä mutta pettää kuumassa kotelossa, on yleensä lämpösuunnittelun ongelma, ei ajurin vika.

Kun lasket, käytä saturaatiojännitettä todellisella virrallasi äläkä datalehden pääarvoa, joka usein ilmoitetaan pienemmällä virralla. 500 mA:lla pudotus voi olla selvästi yli 1 V, ja häviöteho skaalautuu sen mukana jokaisen kytkentätapahtuman aikana.

7. COM-nasta ja induktiiviset kuormat

Releille, solenoidille ja moottoreille COM-nasta on kytkettävä kuorman positiiviseen syöttöön, ei logiikan maahan. Sisäinen diodi rajoittaa silloin induktiivisen takaiskun kyseiseen kiskoon.

Jos COM jätetään kellumaan, diodit eivät tee mitään ja lähdöt näkevät täyden takaiskujännitteen. Laite voi kestää muutaman tapahtuman ja hajota sitten — usein tavalla, joka näyttää satunnaiselta kanavan hajoamiselta.

Kuormille, joiden jännite ylittää 50 V:n nimellisarvon, tai virroille, jotka ylittävät sisäisen diodin nimellisarvon, lisää ulkoiset rajoitusdiodit. Sisäiset ovat käteviä, mutta eivät rajattomia.

Valinta Darlington-matrisiivin ja MOSFET-ohjaimen välillä tiivistyy kolmeen lukuun: jännitehäviö, kanavien määrä ja piirilevytila. Seitsemänkanavainen Darlington 16-nastaisessa kotelossa on vaikea voittaa, kun kuormat ovat maltillisia ja suunnittelussa arvostetaan yksinkertaisuutta.

Kun 500 mA ei riitä

Kun kanavaa kohden mennään noin puolen ampeerin yli, Darlington-kokoonpano ei ole enää oikea ratkaisu. Vaihtoehtoja ovat erilliset MOSFETit, erillinen low-side-ajuri tai suuremman kuormitettavuuden releajuri.

MOSFET pienentää jännitehäviön kymmeniin millivoltteihin ja poistaa suurimman osan lämpöongelmasta, mutta vaatii hilan ohjauksen ja ulkoisen clamp-diodin. Yhdelle raskaalle kuormalle se on yleensä halvempi ratkaisu kuin kanavien rinnankytkentä.

Kanavien rinnankytkentä on mahdollista, mutta ei ilmaista: kaksi Darlington-paria eivät jaa virtaa täydellisesti, ja toinen johtaa enemmän kuin toinen. Pieni emitterivastus kanavaa kohden voi pakottaa virran jakautumaan, mikä vie pois komponentin yksinkertaisuuden.

50 V:n mitoitus on lähdön absoluuttinen maksimi, ei suositeltu toimintapiste jatkuvaan käyttöön. 24 V:n rele, jossa on 36 V:n transientti, on ok; 48 V:n solenoidi, jossa on 60 V:n piikki, ei ole.

Clamp-diodien mitoitus käytännössä

Sisäinen diodi on mitoitettu samaan jänniteluokkaan kuin lähtö, mutta sen virrankesto ei ole sama kuin transistorin. Releen kela, joka ottaa 100 mA jatkuvasti, voi pois kytkettäessä tuottaa hetkellisesti samansuuruisen virran; suuren induktanssin solenoidi voi tuottaa enemmän.

Suuren induktanssin tai tiheän kytkennän kuormille ulkoinen diodi, jolla on suurempi virrankesto, on halpa vakuutus. Sijoita se kuorman rinnalle, ei ohjaimen rinnalle, jotta silmukka on lyhyt.

8. Korvaavuuden tarkistuslista

Sijoittelu ja maadoitus

Ajuri kuljettaa kuormitusvirtaa, ei logiikkavirtaa. Pidä kuormien paluureitti erillään logiikkamaasta yhteen tähtipisteeseen asti, tai kytkentävirta nostaa logiikan referenssiä ja aiheuttaa virheellisen laukaisun.

Sijoita COM-liitäntä lähelle koteloa ja tee siitä lyhyt ja leveä johdin. Clamp-virta kulkee kyseisen pinnin kautta jokaisen poiskytkentätapahtuman aikana, ja ohut johdin lisää induktanssia, joka tekee diodista hyödyttömän.

DIP-koteloissa kanta on kätevä prototyypeille ja riski tuotannossa. Kannat lisäävät kosketusvastusta ja induktanssia juuri siellä, missä clamp-virta kulkee.

Yleiset vikatilat

Yksi kanava kuollut.Yleensä puuttuva COM-liitäntä tai induktiivinen kuorma ilman clampia. Tarkista ensin kuormapuoli, sitten ajuri.

Kaikki kanavat heikkoja.Yleensä syynä on tulo-ohjaus: 3.3 V logiikka 10.5 kΩ:n osaan, tai vahingossa lisätty sarjavastus. Mittaa tulojännite nastasta, ei mikrokontrollerista.

Katkomainen kytkentä.Yleensä maadoitus: kuorman paluupolku jakaa johdinjäljen logiikan paluupolun kanssa, ja kytkentävirta siirtää referenssiä.

9. Testisuunnitelma

Toissijaisen lähteen erot näkyvät kyllästysjännitteessä alhaisella kantavirralla ja clamp-diodin myötäjännitehäviössä. Molemmat on määritetty minimi- ja maksimiarvoilla; vertaa maksimiarvoja, ei tyypillisiä arvoja, kun suunnittelu on lähellä rajaa.

Auto- ja teollisuuskäyttöön liittyvät huomautukset

Q-luokan variantti on määritetty autokäyttöön, ja sillä on vastaava hyväksyntä. Se ei ole yksinkertaisesti lämpötilaluokiteltu versio vakiokomponentista: hyväksyntädokumentaatio on osa tuotetta.

Teollisuussuunnittelussa olennaiset kysymykset ovat kotelon sisäinen ympäristölämpötila ja samanaikaisesti päällä olevien kanavien määrä. Molemmat ovat lämpökysymyksiä, ja molempiin vastataan mittauksella eikä datalehden kanavakohtaisella luokituksella.

10. Kustannukset ja saatavuus

Tämä on yksi markkinoiden halvimmista driver-IC-piireistä, joten lähteiden välinen hintaero mitataan sentin murto-osissa. Saatavuus, kotelo ja second source -lähteiden yhdenmukaisuus ovat tärkeämpiä.

Second source -lähteet ovat yleisiä ja yleisesti hyväksyttäviä muuhun kuin autokäyttöön. Autokäytössä käytä Q-grade-varianttia ja varmista kelpoisuusdokumentit, koska vakiokomponentti ei korvaa AEC-Q100-laitetta.

Kelan kappalemäärät ja päivämääräkoodit ovat edelleen tärkeitä: halpa kela vanhaa, huonosti varastoitua varastoa voi tulla uudelleentyöstössä kalliimmaksi kuin mitä osassa säästettiin.

Käytännön sääntö korvaamiseen: sovita kanavien määrä ja tulovastus, varmista että clamp-diodit ovat sisäisiä ja COM on kytketty, mittaa sitten kyllästysjännite kuormavirrallasi ja tarkista kotelon lämpötila kaikkien yhtä aikaa päällä olevien kanavien kanssa. Kaikki muu on toissijaista.

11. FAQ

Onko ULN2004A suora korvaaja ULN2003A:lle?

Se sopii samaan kantaan, mutta siinä on paljon suurempi tulovastus. 3.3 V logiikalla lähtö ei ehkä kyllästy täysin. Tarkista tulovirta ja kyllästysjännite.

Voinko käyttää sen sijaan ULN2803A:ta?

Ei. Siinä on kahdeksan kanavaa sekä erilainen kotelo ja nastajärjestys. Se on toiminnallinen parannus, ei korvaaja.

Miksi relekanavani hajoaa muutaman viikon jälkeen?

Yleensä COM-nasta on kytkemättä, joten sisäinen klampdiodi ei tee mitään ja takaisku heikentää lähtötransistoria.

Voinko ohjata LEDiä lähdöstä maahan?

Ei. Lähtö imee virtaa maahan. Kytke LED syöttöjännitteestä vastuksen kautta lähtöön.

Kuinka moni kanava voi toimia 500 mA:lla samanaikaisesti?

Käytännössä vain yksi komponentin kotelon tehohäviön vuoksi. Mitoita kokonaisteho alas kanavien laskemisen sijaan ja mittaa komponentin kotelon lämpötila laitteen kotelo suljettuna.

Tarvitsenko ulkoisia diodeja 24 V:n releelle?

Ei pelkän jännitteen vuoksi; sisäiset diodit on mitoitettu 50 V:n luokkaan. Lisää ulkoiset diodit, jos kuormavirta tai virtapiikki ylittää sisäisen mitoituksen.

12. Lähteet

• TI ULN2003A -tuotesivu:ti.com
• ST ULN2003 -dokumentaatio:st.com
• onsemi-ohjainvalikoima:onsemi.com