1. Pourquoi ce composant perdure

L’ULN2003A a été conçu pour permettre à une logique basse tension de piloter des relais, des lampes, des solénoïdes et de petits moteurs pas à pas. Il y parvient grâce à sept paires Darlington, chacune prévue pour absorber jusqu’à 500 mA sous 50 V, plus une diode par canal pour limiter les surtensions inductives.

Rien n’a changé dans cette fonction. Les microcontrôleurs sortent toujours 3.3 V, les relais ont toujours besoin de 12 V, et les concepteurs veulent toujours un seul composant capable de gérer sept charges sans composants externes. C’est pourquoi le même boîtier à 16 broches apparaît sur des cartes conçues à des décennies d’intervalle.

Le résultat est un composant standard avec un vaste marché de sources secondaires et une poignée de variantes qui semblent identiques et se comportent différemment. La plupart des erreurs de substitution proviennent de ces variantes.

2. Ce que fait réellement le composant

Chaque canal est une paire Darlington inverseuse avec une sortie à collecteur ouvert. Un niveau logique haut sur l'entrée rend le transistor de sortie conducteur, ce qui tire la broche de sortie vers la masse. La charge est connectée entre l'alimentation positive et la broche de sortie.

Cette configuration est pratique : le pilote absorbe le courant, donc la tension de charge peut être supérieure à l'alimentation logique, jusqu'à la valeur nominale de 50 V. Cela signifie aussi que la sortie ne peut pas fournir de courant — un détail qui compte lorsqu'on tente de piloter une LED depuis la sortie vers la masse.

La diode interne relie chaque sortie à la broche COM. Lorsqu'une charge inductive est coupée, la diode écrête la surtension sur le rail COM plutôt que de la laisser détruire le transistor. Pour que cela fonctionne, la broche COM doit être connectée à l'alimentation de la charge.

Pourquoi la tension de saturation est élevée

Une paire Darlington correspond à deux transistors en série. Le premier pilote la base du second, de sorte que la sortie ne peut pas saturer en dessous d'environ deux chutes base-émetteur — environ 1,0–1,2 V à courant modéré, et davantage à courant plus élevé.

Cela importe pour deux raisons. Électriquement, la charge voit l'alimentation moins cette tension, donc une bobine de relais 12 V reçoit en réalité environ 10,8 V. Thermiquement, la chute multipliée par le courant se transforme en chaleur à l'intérieur du boîtier : 200 mA à 1,1 V font 0,22 W par canal.

Un MOSFET seul aurait une chute bien plus faible, mais il aurait aussi besoin d'une attaque de grille et d'une diode d'écrêtage. Le Darlington sacrifie l'efficacité au profit de la simplicité, et c'est ce compromis qui fait perdurer ce composant.

3. Brochage et compatibilité des broches

L'ordre inversé des sorties est une source classique d'erreurs de câblage. La broche 10 correspond au canal 7 et la broche 16 au canal 1, et non l'inverse.

4. Les variantes qui paraissent identiques

Deux de ces composants sont de véritables substituts compatibles broche à broche pour le ULN2003A : les variantes ULN2003 et le ULQ2003A. Le ULN2004A est physiquement compatible mais possède une résistance d'entrée beaucoup plus grande, et le ULN2803A est un boîtier différent avec un brochage différent.

Calcul des résistances pour logique à 1.8 V et 3.3 V

Le courant d'entrée est approximativement (Vin − 1.4 V) / R, où 1.4 V correspond aux deux chutes base-émetteur du Darlington. Avec une résistance de 2.7 kΩ, 3.3 V donne environ 0.7 mA ; 5 V donne environ 1.3 mA. Les deux suffisent à saturer la plupart des canaux.

À 1.8 V, la même résistance ne fournit que 0.15 mA, ce qui est marginal pour une saturation complète sous charge. Une conception qui fonctionne avec une logique 1.8 V doit soit utiliser un pilote avec une résistance d'entrée plus faible, soit ajouter un pré-driver.

La résistance de 10.5 kΩ de l'ULN2004A est conçue pour une logique 6–15 V, où la tension plus élevée compense la résistance plus grande. L'utiliser à 3.3 V est l'inverse de son application prévue.

5. La résistance d'entrée détermine le niveau logique

L'entrée est une résistance en série avec la base du Darlington. Avec une résistance de 2.7 kΩ, un niveau haut logique de 3.3 V injecte environ 1 mA dans la base, ce qui suffit à saturer le canal au courant nominal. Avec une résistance de 10.5 kΩ, la même tension de 3.3 V ne produit qu'environ 0.3 mA — assez pour activer la sortie, mais pas toujours assez pour la maintenir pleinement saturée sous charge.

C'est pourquoi l'ULN2004A existe : il est destiné à une logique à tension plus élevée, où la résistance plus grande limite le courant. L'utiliser avec une logique 3.3 V n'est pas un remplacement direct, même s'il s'adapte au support.

Le test pratique est simple : connectez la charge prévue et mesurez la tension de saturation de sortie. Un canal qui n’est pas complètement saturé chauffe et peut tomber en panne.

6. Limites de sortie et réalité thermique

La valeur nominale de 500 mA est par canal, et elle suppose que les autres ne sont pas tous à plein courant en même temps. La résistance thermique du boîtier est la véritable contrainte.

Un boîtier DIP-16 avec une surface de cuivre modeste présente une résistance jonction-ambiante de l'ordre de 60 à 100 °C/W. À 1 W de dissipation, la jonction s'élève de 60 à 100 °C au-dessus de l'ambiante. C'est acceptable à 25 °C, marginal à 50 °C à l'intérieur d'un boîtier, et impossible à 70 °C.

Le remède habituel n'est pas un autre pilote — c'est moins de canaux activés, un courant plus faible ou un MOSFET externe pour les charges lourdes.

Moteurs pas à pas et le classique 28BYJ-48

L'application de loisir la plus courante est un moteur pas à pas unipolaire tel que le 28BYJ-48, piloté directement par quatre canaux. Chaque bobine absorbe quelques centaines de milliampères, et le pilote les commute en séquence.

Deux détails déterminent s'il fonctionne de manière fiable. Premièrement, les bobines sont inductives, donc la broche COM doit être connectée à l'alimentation du moteur. Deuxièmement, le courant est continu pendant que le moteur maintient sa position, donc la dissipation du boîtier n'est pas transitoire — c'est le point de fonctionnement en régime permanent.

Si le moteur cale, le courant monte jusqu'à la limite de l'enroulement et le pilote chauffe rapidement. Une conception qui fonctionne sur l'établi mais échoue dans un boîtier chaud est généralement un problème de conception thermique, pas un défaut du pilote.

Lors du calcul, utilisez la tension de saturation à votre courant réel plutôt que la valeur phare de la fiche technique, qui est souvent indiquée à un courant inférieur. À 500 mA, la chute peut être bien supérieure à 1 V, et la dissipation augmente proportionnellement lors de chaque événement de commutation.

7. La broche COM et les charges inductives

Pour les relais, solénoïdes et moteurs, la broche COM doit être reliée à l'alimentation positive de la charge, et non à la masse logique. La diode interne écrête alors le pic inductif sur ce rail.

Si la broche COM est laissée flottante, les diodes ne font rien et les sorties voient la pleine tension de retour. Le composant peut survivre à quelques événements puis tomber en panne — souvent d'une manière qui ressemble à une défaillance aléatoire d'un canal.

Pour les charges dépassant la tension nominale de 50 V ou les courants dépassant la valeur nominale des diodes internes, ajoutez des diodes d'écrêtage externes. Celles internes sont pratiques, pas illimitées.

Le choix entre un réseau Darlington et un pilote MOSFET se résume à trois chiffres : chute de tension, nombre de canaux et espace sur la carte. Un Darlington à sept canaux dans un boîtier à 16 broches est difficile à battre lorsque les charges sont modestes et que la conception privilégie la simplicité.

Lorsque 500 mA ne suffit pas

Au-delà d'environ un demi-ampère par canal, le réseau Darlington n'est plus la bonne solution. Les options sont des MOSFETs discrets, un pilote low-side dédié ou un pilote de relais avec une valeur nominale plus élevée.

Un MOSFET réduit la chute de tension à quelques dizaines de millivolts et élimine la majeure partie du problème thermique, au prix de la commande de grille et d'une diode d'écrêtage externe. Pour une seule charge lourde, c'est généralement moins cher que de mettre des canaux en parallèle.

La mise en parallèle de canaux est possible mais pas gratuite : les deux paires Darlington ne partagent pas parfaitement le courant, et l'une en supporte plus que l'autre. Une petite résistance d'émetteur par canal peut forcer le partage, ce qui annule la simplicité du composant.

La valeur nominale de 50 V est un maximum absolu pour la sortie, pas un point de fonctionnement recommandé pour un usage continu. Un relais 24 V avec un transitoire de 36 V convient ; un solénoïde 48 V avec un pic de 60 V ne convient pas.

Valeurs nominales des diodes d'écrêtage en pratique

La diode interne est dimensionnée pour la même classe de tension que la sortie, mais sa capacité en courant n'est pas la même que celle du transistor. Une bobine de relais qui absorbe 100 mA en régime permanent peut produire un bref courant d'amplitude similaire lorsqu'elle est coupée ; un solénoïde à forte inductance peut en produire davantage.

Pour les charges à forte inductance ou à commutation fréquente, une diode externe avec un courant nominal plus élevé est une assurance peu coûteuse. Placez-la aux bornes de la charge, et non aux bornes du pilote, afin que la boucle soit courte.

8. Liste de vérification des substitutions

Implantation et mise à la masse

Le pilote transporte le courant de charge, pas le courant logique. Gardez le chemin de retour des charges séparé de la masse logique jusqu'à un point étoile unique, sinon le courant de commutation va élever la référence logique et provoquer un déclenchement intempestif.

Placez la connexion COM près du boîtier et donnez-lui une piste courte et large. Le courant de clampage circule par cette broche à chaque événement de coupure, et une piste fine ajoute une inductance qui rend la diode inefficace.

Pour les boîtiers DIP, un support est pratique pour les prototypes et un handicap en production. Les supports ajoutent une résistance de contact et une inductance exactement là où circule le courant de clampage.

Modes de défaillance courants

Un canal hors service.Habituellement, une connexion COM manquante ou une charge inductive non clampée. Vérifiez d'abord le côté charge, puis le pilote.

Tous les canaux sont faibles.Généralement la commande d'entrée : logique 3.3 V sur un composant de 10.5 kΩ, ou une résistance série ajoutée par erreur. Mesurez la tension d'entrée sur la broche, pas au niveau du microcontrôleur.

Commutation intermittente.Généralement la mise à la masse : le retour de charge partage une piste avec le retour logique, et le courant de commutation décale la référence.

9. Plan de test

Les différences entre sources secondes apparaissent dans la tension de saturation à faible courant de base et dans la chute de tension directe de la diode de clampage. Ces deux caractéristiques sont spécifiées avec des valeurs minimales et maximales ; comparez les valeurs maximales, pas les valeurs typiques, lorsque la conception approche d'une limite.

Notes pour l'automobile et l'industrie

La variante Q-grade est spécifiée pour un usage automobile et porte la qualification correspondante. Ce n'est pas simplement une version qualifiée en température du composant standard : la documentation de qualification fait partie du produit.

Pour les conceptions industrielles, les questions pertinentes sont la température ambiante à l'intérieur du boîtier et le nombre de canaux pouvant être actifs simultanément. Ce sont toutes deux des questions thermiques, et elles trouvent toutes deux leur réponse par la mesure plutôt que par la valeur nominale par canal de la fiche technique.

10. Coût et approvisionnement

C'est l'un des IC de pilote les moins chers du marché, donc la différence de prix entre les sources se mesure en fractions de centime. La disponibilité, le boîtier et la cohérence des sources secondaires comptent davantage.

Les sources secondaires sont courantes et généralement acceptables pour un usage non automobile. Pour l'automobile, utilisez la variante Q-grade et confirmez les documents de qualification, car la pièce standard ne remplace pas un dispositif AEC-Q100.

Les quantités par bobine et les date codes comptent toujours : une bobine bon marché de stock ancien mal stocké peut coûter plus en retouche que la pièce économisée.

La règle pratique pour une substitution : faire correspondre le nombre de voies et la résistance d'entrée, confirmer que les diodes de limitation sont internes et que COM est câblé, puis mesurer la tension de saturation à votre courant de charge et vérifier la température du boîtier avec toutes les voies qui seront simultanément actives. Tout le reste est secondaire.

11. FAQ

Le ULN2004A est-il directement interchangeable avec le ULN2003A ?

Il se monte dans le même support mais possède une résistance d'entrée beaucoup plus grande. Avec une logique 3,3 V, la sortie peut ne pas saturer complètement. Vérifiez le courant d'entrée et la tension de saturation.

Puis-je utiliser le ULN2803A à la place ?

Non. Il possède huit canaux ainsi qu'un boîtier et un brochage différents. C'est une amélioration fonctionnelle, pas un substitut.

Pourquoi mon canal de relais tombe-t-il en panne après quelques semaines ?

Habituellement, la broche COM n'est pas connectée, donc la diode d'écrêtage interne ne fait rien et la surtension inductive dégrade le transistor de sortie.

Puis-je piloter une LED depuis la sortie vers la masse ?

Non. La sortie absorbe le courant vers la masse. Connectez la LED depuis l'alimentation via une résistance à la sortie.

Combien de canaux peuvent fonctionner à 500 mA en même temps ?

En pratique, un seul, à cause de la dissipation du boîtier. Appliquez un déclassement sur la puissance totale plutôt que de compter les canaux, et mesurez la température du boîtier, capot fermé.

Faut-il des diodes externes pour un relais 24 V ?

Pas pour la tension seule ; les diodes internes sont dimensionnées pour la classe 50 V. Ajoutez des diodes externes si le courant de charge ou la surtension dépasse la valeur nominale interne.

12. Sources

• Page produit TI ULN2003A :ti.com
• Documentation ST ULN2003 :st.com
• Portefeuille de pilotes onsemi :onsemi.com