ULN2003A विकल्प: Darlington Array क्रॉस-रेफ़रेंस

सात चैनल, अंतर्निहित क्लैंप डायोड, और चालीस वर्षों में न बदला गया पिनआउट — किसी को प्रतिस्थापित करने से पहले क्या जाँचें।

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TL;DR

ULN2003Aएक सात-चैनल डार्लिंगटन सिंक ड्राइवर है: प्रति चैनल 50 V, 500 mA, इन्वर्टिंग, अंतर्निहित फ्रीव्हील डायोड के साथ।
यह ULN2004A, ULQ2003A और कई अन्य स्रोतों के साथ पिन-संगत है — लेकिन इनपुट प्रतिरोधक भिन्न है, जिससे यह बदल जाता है कि इसे कौन-सा लॉजिक स्तर ड्राइव कर सकता है।
आठ-चैनल ULN2803A का पैकेज और पिनआउट अलग है, यह इसका विकल्प नहीं है।
एक साथ आप कितने चैनल ड्राइव कर सकते हैं, यह करंट रेटिंग से नहीं, थर्मल सीमा से तय होता है।
प्रेरक भारों के लिए, COM पिन और आंतरिक डायोड सर्किट का हिस्सा हैं, वैकल्पिक नहीं।

1. यह पार्ट क्यों टिकता है

ULN2003A को इस तरह डिज़ाइन किया गया था कि कम वोल्टेज वाला लॉजिक रिले, लैंप, सोलेनॉइड और छोटे स्टेपर मोटर चला सके। यह सात डार्लिंगटन युग्मों से ऐसा करता है, जिनमें से प्रत्येक 50 V पर 500 mA तक सिंक करने के लिए रेटेड है, साथ ही प्रति चैनल एक डायोड इंडक्टिव किकबैक को क्लैंप करने के लिए है।

उस फ़ंक्शन में कुछ नहीं बदला है। माइक्रोकंट्रोलर अभी भी 3.3 V आउटपुट करते हैं, रिले को अभी भी 12 V चाहिए, और डिज़ाइनर अभी भी एक ऐसा पार्ट चाहते हैं जो बिना बाहरी कंपोनेंट्स के सात लोड संभाल सके। इसीलिए वही 16-पिन पैकेज दशकों के अंतर से डिज़ाइन किए गए बोर्डों पर दिखाई देता है।

परिणाम एक ऐसा कमोडिटी पार्ट है जिसका बड़ा सेकंड-सोर्स मार्केट है और कुछ ऐसे वेरिएंट हैं जो दिखने में एक जैसे होते हैं पर व्यवहार अलग होता है। अधिकांश प्रतिस्थापन गलतियाँ उन्हीं वेरिएंट्स से आती हैं।

2. डिवाइस वास्तव में क्या करता है

प्रत्येक चैनल ओपन-कलेक्टर आउटपुट वाला एक इनवर्टिंग डार्लिंगटन पेयर है। इनपुट पर लॉजिक हाई आउटपुट ट्रांजिस्टर को ऑन करता है, जिससे आउटपुट पिन ग्राउंड तक खिंच जाता है। लोड धनात्मक आपूर्ति और आउटपुट पिन के बीच जोड़ा जाता है।

यह व्यवस्था सुविधाजनक है: ड्राइवर करंट सिंक करता है, इसलिए लोड वोल्टेज लॉजिक आपूर्ति से अधिक हो सकता है, 50 V रेटिंग तक। इसका यह भी अर्थ है कि आउटपुट करंट सोर्स नहीं कर सकता — यह विवरण तब मायने रखता है जब कोई आउटपुट से ग्राउंड तक LED ड्राइव करने का प्रयास करता है।

आंतरिक डायोड प्रत्येक आउटपुट को COM पिन से जोड़ता है। जब एक इंडक्टिव लोड बंद किया जाता है, तो डायोड किकबैक को ट्रांजिस्टर को नष्ट करने देने के बजाय COM रेल तक क्लैंप करता है। इसके काम करने के लिए COM पिन को लोड आपूर्ति से जोड़ा जाना चाहिए।

संतृप्ति वोल्टेज अधिक क्यों है

एक डार्लिंगटन पेयर श्रेणी में जुड़े दो ट्रांजिस्टर है। पहला दूसरे के बेस को ड्राइव करता है, इसलिए आउटपुट लगभग दो बेस-एमिटर ड्रॉप्स से नीचे संतृप्त नहीं हो सकता — मध्यम करंट पर लगभग 1.0–1.2 V, और अधिक करंट पर इससे अधिक।

यह दो कारणों से मायने रखता है। विद्युत रूप से, लोड को आपूर्ति में से वह वोल्टेज घटाकर मिलता है, इसलिए 12 V रिले कॉइल को वास्तव में लगभग 10.8 V मिलता है। तापीय रूप से, ड्रॉप को करंट से गुणा करने पर पैकेज के अंदर ऊष्मा बनती है: 1.1 V पर 200 mA प्रति चैनल 0.22 W है।

एकल MOSFET में वोल्टेज ड्रॉप काफी कम होता, लेकिन उसे गेट ड्राइव और क्लैंप डायोड की भी आवश्यकता होती। Darlington दक्षता के बदले सरलता चुनता है, और यही सौदा इस पार्ट के टिके रहने का कारण है।

3. पिनआउट और पिन अनुकूलता

पिन	फ़ंक्शन
1–7	Inputs, channels 1–7
8	Ground
9	COM — common cathode of the clamp diodes
10–16	Outputs, channels 7–1 (reverse order)

आउटपुट का उल्टा क्रम वायरिंग त्रुटियों का एक क्लासिक स्रोत है। पिन 10 चैनल 7 है और पिन 16 चैनल 1 है, न कि इसका उल्टा।

4. एक जैसे दिखने वाले वेरिएंट

पार्ट	चैनल	इनपुट ड्राइव	स्टॉक में
ULN2003A	7	TTL/CMOS, 2.7 kΩ base	Yes
ULN2003A (SOIC)	7	TTL/CMOS	Yes
ULN2003ADR2G	7	TTL/CMOS	Yes
ULN2004A	7	Higher-voltage logic, 10.5 kΩ base	Yes
ULQ2003A	7	Automotive grade	Yes
ULN2803A	8	TTL/CMOS	Yes

इनमें से दो ULN2003A के वास्तविक पिन-संगत प्रतिस्थापन हैं: ULN2003 वेरिएंट और ULQ2003A। ULN2004A भौतिक रूप से संगत है लेकिन इसका इनपुट प्रतिरोधक बहुत बड़ा है, और ULN2803A अलग पैकेज और अलग पिनआउट वाला है।

1.8 V और 3.3 V लॉजिक के लिए प्रतिरोधक गणना

इनपुट धारा लगभग (Vin − 1.4 V) / R होती है, जहाँ 1.4 V Darlington के दो base-emitter drops हैं। 2.7 kΩ resistor के साथ, 3.3 V लगभग 0.7 mA देता है; 5 V लगभग 1.3 mA देता है। दोनों अधिकांश channels को saturate करने के लिए पर्याप्त हैं।

1.8 V पर, वही resistor केवल 0.15 mA देता है, जो load के अंतर्गत पूर्ण saturation के लिए marginal है। 1.8 V logic पर चलने वाले design को या तो छोटे input resistor वाला driver उपयोग करना चाहिए या pre-driver जोड़ना चाहिए।

ULN2004A का 10.5 kΩ resistor 6–15 V logic के लिए designed है, जहाँ उच्च voltage बड़े resistance की भरपाई करता है। इसे 3.3 V पर उपयोग करना इसके intended application का विपरीत है।

5. इनपुट resistor logic level निर्धारित करता है

इनपुट, Darlington base के साथ series में एक resistor है। 2.7 kΩ resistor के साथ, 3.3 V logic high base में लगभग 1 mA drive करता है, जो rated current पर channel को saturate करने के लिए पर्याप्त है। 10.5 kΩ resistor के साथ, वही 3.3 V केवल लगभग 0.3 mA उत्पन्न करता है — output को on करने के लिए पर्याप्त, लेकिन load के अंतर्गत इसे पूरी तरह saturated बनाए रखने के लिए हमेशा पर्याप्त नहीं।

इसीलिए ULN2004A मौजूद है: यह उच्च-voltage logic के लिए intended है, जहाँ बड़ा resistor current को सीमित करता है। इसे 3.3 V logic के साथ उपयोग करना direct swap नहीं है, भले ही यह socket में fit होता है।

व्यावहारिक परीक्षण सरल है: इच्छित लोड जोड़ें और आउटपुट संतृप्ति वोल्टेज मापें। जो चैनल पूरी तरह संतृप्त नहीं है वह गर्म चलता है और विफल हो सकता है।

6. आउटपुट सीमाएँ और थर्मल वास्तविकता

500 mA रेटिंग प्रति चैनल है, और यह मानती है कि अन्य सभी एक ही समय पर पूर्ण धारा पर नहीं हैं। पैकेज का थर्मल प्रतिरोध वास्तविक बाधा है।

प्रति चैनल लोड	चालू चैनल	अनुमानित कुल अपव्यय
100 mA	7	0.7–0.9 W
200 mA	4	0.9–1.2 W
350 mA	2	0.9–1.1 W
500 mA	1	0.6–0.8 W

मामूली कॉपर क्षेत्र वाले DIP-16 पैकेज का जंक्शन-से-परिवेश प्रतिरोध 60–100 °C/W की सीमा में होता है। 1 W अपव्यय पर, जंक्शन परिवेश से 60–100 °C ऊपर उठता है। यह 25 °C पर स्वीकार्य है, एनक्लोज़र के अंदर 50 °C पर सीमांत है, और 70 °C पर असंभव है।

आम समाधान अलग ड्राइवर नहीं है — यह कम चैनल चालू रखना, कम करंट, या भारी लोड के लिए बाहरी MOSFET है।

स्टेपर मोटरें और क्लासिक 28BYJ-48

सबसे आम शौकिया अनुप्रयोग यूनिपोलर स्टेपर है, जैसे 28BYJ-48, जिसे सीधे चार चैनलों से चलाया जाता है। प्रत्येक कॉइल कुछ सौ मिलीएम्प खींचती है, और ड्राइवर उन्हें क्रम में स्विच करता है।

दो बातें तय करती हैं कि यह विश्वसनीय रूप से काम करता है या नहीं। पहला, कॉइल्स इंडक्टिव हैं, इसलिए COM पिन को मोटर आपूर्ति से जुड़ना चाहिए। दूसरा, जब मोटर स्थिति बनाए रखता है तो करंट निरंतर रहता है, इसलिए पैकेज अपव्यय क्षणिक नहीं है — यह स्थिर-अवस्था संचालन बिंदु है।

यदि मोटर स्टॉल हो जाता है, तो करंट वाइंडिंग सीमा तक बढ़ जाता है और ड्राइवर जल्दी गर्म हो जाता है। ऐसा डिज़ाइन जो बेंच पर काम करता है लेकिन गर्म एनक्लोज़र में विफल हो जाता है, आमतौर पर थर्मल डिज़ाइन समस्या होता है, ड्राइवर दोष नहीं।

गणना करते समय, datasheet के मुख्य आंकड़े के बजाय अपने वास्तविक करंट पर saturation voltage का उपयोग करें, जो अक्सर कम करंट पर दिया जाता है। 500 mA पर यह drop 1 V से काफी अधिक हो सकता है, और हर switching event के दौरान dissipation उसके साथ बढ़ता है।

7. COM पिन और प्रेरक भार

रिले, सोलेनॉइड और मोटर के लिए, COM पिन को लोड की धनात्मक आपूर्ति से जोड़ना चाहिए, लॉजिक ग्राउंड से नहीं। तब आंतरिक डायोड inductive kickback को उसी रेल तक clamp करता है।

यदि COM को floating छोड़ा जाता है, तो डायोड कुछ नहीं करते और outputs पूरा kickback वोल्टेज देखते हैं। डिवाइस कुछ घटनाओं तक बच सकता है और फिर fail हो सकता है — अक्सर ऐसे तरीके से जो random channel death जैसा दिखता है।

50 V रेटिंग से अधिक के भार या आंतरिक डायोड रेटिंग से अधिक करंट के लिए, बाहरी clamp डायोड जोड़ें। आंतरिक डायोड सुविधाजनक हैं, असीमित नहीं।

Darlington array और MOSFET driver के बीच चुनाव तीन संख्याओं पर आता है: voltage drop, channel count और board space। जब भार मामूली हों और डिज़ाइन सरलता को महत्व दे, तो 16-pin पैकेज में सात-चैनल Darlington को हराना मुश्किल है।

जब 500 mA पर्याप्त नहीं है

प्रति चैनल लगभग आधे एम्पियर से अधिक पर, Darlington array सही उत्तर नहीं रह जाता। विकल्प हैं discrete MOSFETs, एक समर्पित low-side driver, या उच्च रेटिंग वाला relay driver।

एक MOSFET वोल्टेज ड्रॉप को दसियों मिलिवोल्ट तक कम करता है और अधिकांश थर्मल समस्या को समाप्त करता है, पर इसके लिए gate drive और एक external clamp diode की आवश्यकता होती है। एकल भारी लोड के लिए, यह आमतौर पर चैनलों को समानांतर करने से सस्ता होता है।

चैनलों को समानांतर करना संभव है लेकिन मुफ़्त नहीं: दो Darlington pairs करंट को पूरी तरह साझा नहीं करते, और एक दूसरे से अधिक वहन करता है। प्रति चैनल एक छोटा emitter resistor साझाकरण को बाध्य कर सकता है, जो इस भाग की सरलता को समाप्त कर देता है।

50 V रेटिंग आउटपुट के लिए एक absolute maximum है, निरंतर उपयोग के लिए अनुशंसित ऑपरेटिंग बिंदु नहीं। 36 V ट्रांसिएंट वाला 24 V relay ठीक है; 60 V स्पाइक वाला 48 V solenoid नहीं।

व्यवहार में clamp diode रेटिंग

आंतरिक डायोड आउटपुट के समान वोल्टेज वर्ग के लिए रेटेड है, लेकिन इसकी करंट क्षमता ट्रांजिस्टर के समान नहीं है। 100 mA स्थिर खींचने वाली रिले कॉइल बंद होने पर समान परिमाण की संक्षिप्त करंट उत्पन्न कर सकती है; बड़ी इंडक्टेंस वाला सोलेनॉइड अधिक उत्पन्न कर सकता है।

उच्च इंडक्टेंस या बार-बार स्विचिंग वाले लोड के लिए, अधिक करंट रेटिंग वाला बाहरी डायोड कम खर्चीला सुरक्षा उपाय है। इसे लोड के समानांतर रखें, ड्राइवर के समानांतर नहीं, ताकि लूप छोटा रहे।

8. प्रतिस्थापन जाँच-सूची

जाँचें	क्यों
Channel count	7 versus 8 changes the package and pinout
Input resistor	Determines whether 3.3 V logic saturates the output
Output rating	Voltage and current per channel, and total package dissipation
Clamp diodes	Confirm they are internal and COM is wired
Temperature grade	Automotive variants are specified separately

लेआउट और ग्राउंडिंग

ड्राइवर लोड करंट वहन करता है, लॉजिक करंट नहीं। लोड के लिए रिटर्न पाथ को लॉजिक ग्राउंड से अलग रखें, जब तक कि एकल स्टार पॉइंट न हो; अन्यथा स्विचिंग करंट लॉजिक रेफ़रेंस को उठा देगा और गलत ट्रिगरिंग कराएगा।

COM कनेक्शन को पैकेज के पास रखें और उसे छोटा, चौड़ा ट्रेस दें। हर स्विच-ऑफ घटना के दौरान क्लैंप करंट उस पिन से बहता है, और पतला ट्रेस इंडक्टेंस जोड़ता है जो डायोड को निष्प्रभावी कर देता है।

DIP पैकेज के लिए, सॉकेट प्रोटोटाइप के लिए सुविधाजनक और उत्पादन में जोखिम भरा है। सॉकेट ठीक वहीं कॉन्टैक्ट रेज़िस्टेंस और इंडक्टेंस जोड़ते हैं जहाँ क्लैंप करंट बहता है।

सामान्य विफलता मोड

एक चैनल डेड।आमतौर पर COM कनेक्शन गायब होना या अनक्लैंप्ड इंडक्टिव लोड। पहले लोड साइड जाँचें, फिर ड्राइवर।

सभी चैनल कमज़ोर।आमतौर पर इनपुट ड्राइव: 3.3 V लॉजिक 10.5 kΩ वाले पार्ट में, या गलती से जोड़ा गया सीरीज़ रेज़िस्टर। पिन पर इनपुट वोल्टेज मापें, माइक्रोकंट्रोलर पर नहीं।

रुक-रुक कर होने वाली स्विचिंग।आमतौर पर ग्राउंडिंग: लोड रिटर्न लॉजिक रिटर्न के साथ एक ही ट्रेस साझा करता है, और स्विचिंग करंट संदर्भ को खिसका देता है।

9. टेस्ट प्लान

चरण	परीक्षण	उत्तीर्ण मानदंड
1	Saturation voltage at rated current	Below the datasheet maximum
2	All channels on simultaneously	No thermal runaway at ambient
3	Relay switching with COM connected	No output stress or false triggering
4	Logic threshold at 3.0 V and 5.5 V	Output fully on in both cases
5	Temperature sweep at worst-case load	Junction below derated limit

सेकंड-सोर्स अंतर कम बेस करंट पर संतृप्ति वोल्टेज और क्लैंप डायोड फॉरवर्ड ड्रॉप में दिखाई देते हैं। दोनों न्यूनतम और अधिकतम मानों के साथ निर्दिष्ट हैं; जब डिज़ाइन किसी सीमा के करीब चलता है, तो टिपिकल मानों की नहीं, अधिकतम मानों की तुलना करें।

ऑटोमोटिव और औद्योगिक नोट्स

Q-grade वेरिएंट ऑटोमोटिव उपयोग के लिए निर्दिष्ट है और उसके अनुरूप क्वालिफिकेशन के साथ आता है। यह मानक पार्ट का केवल तापमान-रेटेड संस्करण नहीं है: क्वालिफिकेशन दस्तावेज़ीकरण उत्पाद का हिस्सा है।

औद्योगिक डिज़ाइनों के लिए, प्रासंगिक प्रश्न एनक्लोज़र के अंदर परिवेश तापमान और एक साथ ऑन हो सकने वाले चैनलों की संख्या हैं। दोनों थर्मल प्रश्न हैं, और दोनों का उत्तर डेटाशीट की प्रति-चैनल रेटिंग के बजाय मापन से मिलता है।

10. लागत और आपूर्ति

यह बाज़ार में सबसे सस्ते driver ICs में से एक है, इसलिए स्रोतों के बीच मूल्य अंतर एक सेंट के अंशों में मापा जाता है। उपलब्धता, package और द्वितीय-स्रोत की निरंतरता अधिक मायने रखती हैं।

Second sources आम हैं और non-automotive उपयोग के लिए आम तौर पर स्वीकार्य हैं। Automotive के लिए, Q-ग्रेड वेरिएंट का उपयोग करें और qualification दस्तावेज़ों की पुष्टि करें, क्योंकि standard part AEC-Q100 device का substitute नहीं है।

रील मात्राएँ और date codes अभी भी मायने रखते हैं: खराब तरीके से संग्रहीत पुराने स्टॉक की सस्ती रील, पार्ट से बचाई गई राशि की तुलना में rework में अधिक खर्च करा सकती है।

प्रतिस्थापन के लिए व्यावहारिक नियम: चैनल संख्या और input resistor का मिलान करें, पुष्टि करें कि clamp diodes आंतरिक हैं और COM वायर्ड है, फिर अपने load current पर saturation voltage मापें और प्रत्येक चैनल के साथ package temperature जाँचें जो एक साथ चालू होगा। बाकी सब गौण है।

11. FAQ

क्या ULN2004A, ULN2003A के लिए drop-in है?

यह एक ही सॉकेट में फिट होता है, लेकिन इसका इनपुट रेज़िस्टर बहुत बड़ा है। 3.3 V लॉजिक के साथ आउटपुट पूरी तरह सैचुरेट नहीं हो सकता। इनपुट करंट और सैचुरेशन वोल्टेज जाँचें।

क्या मैं ULN2803A का उपयोग कर सकता हूँ?

नहीं। इसमें आठ चैनल हैं और पैकेज तथा पिनआउट अलग है। यह कार्यात्मक अपग्रेड है, विकल्प नहीं।

मेरा रिले चैनल कुछ सप्ताह बाद क्यों फेल हो जाता है?

आमतौर पर COM पिन कनेक्ट नहीं होता, इसलिए आंतरिक क्लैंप डायोड कुछ नहीं करता और किकबैक आउटपुट ट्रांजिस्टर को खराब कर देता है।

क्या मैं आउटपुट से ग्राउंड तक एक LED ड्राइव कर सकता हूँ?

नहीं। आउटपुट करंट को ग्राउंड में सिंक करता है। LED को सप्लाई से एक रेज़िस्टर के माध्यम से आउटपुट से जोड़ें।

एक साथ कितने चैनल 500 mA पर चल सकते हैं?

व्यवहार में केवल एक, क्योंकि पैकेज डिसिपेशन सीमित होता है। चैनल गिनने के बजाय कुल पावर को डीरेट करें, और एन्क्लोज़र बंद रखते हुए पैकेज का तापमान मापें।

क्या मुझे 24 V रिले के लिए बाहरी डायोड चाहिए?

केवल वोल्टेज के लिए नहीं; आंतरिक डायोड 50 V श्रेणी के लिए रेटेड हैं। यदि लोड करंट या सर्ज आंतरिक रेटिंग से अधिक हो तो बाहरी डायोड जोड़ें।

12. स्रोत

TI ULN2003A उत्पाद पृष्ठ:ti.com
ST ULN2003 दस्तावेज़ीकरण:st.com
onsemi ड्राइवर पोर्टफोलियो:onsemi.com

लेखक के बारे में— Chip-Seek Supply Chain Intelligence Team द्वारा प्रकाशित। हम हार्डवेयर इंजीनियरों और खरीद टीमों के लिए कंपोनेंट उपलब्धता, प्रतिस्थापन और योग्यता जोखिम पर नज़र रखते हैं। पढ़ें हमारागुणवत्ता और ट्रेसेबिलिटी प्रक्रिया.