1. Mengapa komponen ini tetap bertahan

ULN2003A dirancang untuk memungkinkan logika tegangan rendah menggerakkan relay, lampu, solenoida, dan motor stepper kecil. Hal ini dilakukan dengan tujuh pasangan Darlington, masing-masing diberi rating untuk menyerap hingga 500 mA pada 50 V, ditambah satu dioda per kanal untuk mengklemp kickback induktif.

Tidak ada yang berubah dari fungsi tersebut. Mikrokontroler masih mengeluarkan 3.3 V, relay masih membutuhkan 12 V, dan perancang masih menginginkan satu komponen yang menangani tujuh beban tanpa komponen eksternal. Itulah sebabnya paket 16-pin yang sama muncul pada board yang dirancang dengan selisih puluhan tahun.

Hasilnya adalah komponen komoditas dengan pasar second-source yang besar dan beberapa varian yang terlihat identik tetapi berperilaku berbeda. Sebagian besar kesalahan substitusi berasal dari varian-varian tersebut.

2. Apa yang sebenarnya dilakukan perangkat ini

Setiap kanal adalah pasangan Darlington pembalik dengan keluaran open-collector. Logika tinggi pada input menghidupkan transistor keluaran, menarik pin keluaran ke ground. Beban dihubungkan antara suplai positif dan pin keluaran.

Susunan itu praktis: driver menyerap arus, sehingga tegangan beban dapat lebih tinggi daripada suplai logika, hingga batas 50 V. Ini juga berarti keluaran tidak dapat menyumberkan arus — detail yang penting ketika seseorang mencoba menggerakkan LED dari keluaran ke ground.

Dioda internal menghubungkan setiap keluaran ke pin COM. Saat beban induktif dimatikan, dioda menjepit kickback ke rel COM alih-alih membiarkannya merusak transistor. Pin COM harus dihubungkan ke suplai beban agar itu berfungsi.

Mengapa tegangan saturasi tinggi

Pasangan Darlington adalah dua transistor yang dirangkai seri. Transistor pertama menggerakkan basis transistor kedua, sehingga keluaran tidak dapat saturasi di bawah kira-kira dua jatuh basis-emitor — sekitar 1.0–1.2 V pada arus sedang, dan lebih besar pada arus yang lebih tinggi.

Itu penting karena dua alasan. Secara elektris, beban menerima suplai dikurangi tegangan tersebut, sehingga koil relai 12 V sebenarnya menerima sekitar 10.8 V. Secara termal, jatuh tegangan dikalikan arus menjadi panas di dalam paket: 200 mA pada 1.1 V adalah 0.22 W per kanal.

MOSFET tunggal akan memiliki drop yang jauh lebih rendah, tetapi juga memerlukan gate drive dan dioda clamp. Darlington menukar efisiensi dengan kesederhanaan, dan pertukaran itulah alasan komponen ini tetap bertahan.

3. Pinout dan kompatibilitas pin

Urutan terbalik pada output adalah sumber umum kesalahan pengkabelan. Pin 10 adalah kanal 7 dan pin 16 adalah kanal 1, bukan sebaliknya.

4. Varian yang tampak identik

Dua di antaranya adalah pengganti yang benar-benar kompatibel pin untuk ULN2003A: varian ULN2003 dan ULQ2003A. ULN2004A kompatibel secara fisik tetapi memiliki resistor masukan yang jauh lebih besar, dan ULN2803A adalah paket berbeda dengan pinout berbeda.

Perhitungan resistor untuk logika 1.8 V dan 3.3 V

Arus masukan kira-kira (Vin − 1.4 V) / R, dengan 1.4 V adalah dua drop basis-emitor dari Darlington. Dengan resistor 2.7 kΩ, 3.3 V menghasilkan sekitar 0.7 mA; 5 V menghasilkan sekitar 1.3 mA. Keduanya cukup untuk menyaturasi sebagian besar kanal.

Pada 1.8 V, resistor yang sama hanya menghasilkan 0.15 mA, yang marginal untuk saturasi penuh di bawah beban. Desain yang menjalankan logika 1.8 V sebaiknya menggunakan driver dengan resistor masukan yang lebih kecil atau menambahkan pre-driver.

Resistor 10.5 kΩ pada ULN2004A dirancang untuk logika 6–15 V, di mana tegangan yang lebih tinggi mengompensasi resistansi yang lebih besar. Menggunakannya pada 3.3 V adalah kebalikan dari aplikasi yang dimaksudkan.

5. Resistor masukan menentukan level logika

Masukan adalah resistor yang dirangkai seri dengan basis Darlington. Dengan resistor 2.7 kΩ, sinyal logika tinggi 3.3 V mengalirkan sekitar 1 mA ke basis, yang cukup untuk menyaturasi kanal pada arus pengenal. Dengan resistor 10.5 kΩ, 3.3 V yang sama hanya menghasilkan sekitar 0.3 mA — cukup untuk menyalakan output, tetapi tidak selalu cukup untuk menjaganya tetap tersaturasi penuh di bawah beban.

Itulah sebabnya ULN2004A ada: komponen ini diperuntukkan bagi logika bertegangan lebih tinggi, di mana resistor yang lebih besar membatasi arus. Menggunakannya dengan logika 3.3 V bukan penggantian langsung, meskipun cocok dengan soketnya.

Uji praktisnya sederhana: hubungkan beban yang dimaksud dan ukur tegangan saturasi keluaran. Kanal yang tidak sepenuhnya tersaturasi akan menjadi panas dan dapat rusak.

6. Batas keluaran dan realitas termal

Rating 500 mA adalah per kanal, dan ini mengasumsikan kanal lain tidak semuanya pada arus penuh pada saat yang sama. Resistansi termal paket adalah kendala sebenarnya.

Paket DIP-16 dengan area tembaga yang moderat memiliki resistansi termal junction-ke-ambient dalam kisaran 60–100 °C/W. Pada disipasi 1 W, junction naik 60–100 °C di atas ambient. Itu dapat diterima pada 25 °C, marginal pada 50 °C di dalam selungkup, dan tidak mungkin pada 70 °C.

Solusi yang biasa bukanlah driver yang berbeda — melainkan lebih sedikit kanal yang aktif, arus lebih rendah, atau MOSFET eksternal untuk beban berat.

Motor stepper dan 28BYJ-48 klasik

Aplikasi hobi yang paling umum adalah stepper unipolar seperti 28BYJ-48, yang digerakkan langsung dari empat kanal. Setiap kumparan menarik beberapa ratus miliampere, dan driver mengalihkannya secara berurutan.

Dua detail menentukan apakah ini bekerja secara andal. Pertama, kumparan bersifat induktif, sehingga pin COM harus terhubung ke suplai motor. Kedua, arus bersifat kontinu saat motor menahan posisi, sehingga disipasi paket bukan transien — melainkan titik operasi keadaan tunak.

Jika motor macet, arus naik hingga batas belitan dan driver cepat panas. Desain yang bekerja di meja uji tetapi gagal di dalam selungkup panas biasanya merupakan masalah desain termal, bukan cacat driver.

Saat menghitung, gunakan tegangan saturasi pada arus aktual Anda, bukan angka utama pada datasheet, yang sering dikutip pada arus yang lebih rendah. Pada 500 mA, penurunan tegangan bisa jauh di atas 1 V, dan disipasi berskala dengannya selama setiap peristiwa switching.

7. Pin COM dan beban induktif

Untuk relay, solenoid, dan motor, pin COM harus terhubung ke suplai positif beban, bukan ke ground logika. Dioda internal kemudian menjepit kickback induktif ke rel tersebut.

Jika COM dibiarkan mengambang, dioda tidak melakukan apa pun dan keluaran melihat tegangan kickback penuh. Perangkat mungkin bertahan untuk beberapa kejadian lalu gagal — sering kali dengan cara yang tampak seperti kematian kanal secara acak.

Untuk beban di atas rating 50 V atau arus di atas rating dioda internal, tambahkan dioda penjepit eksternal. Dioda internal itu praktis, bukan tanpa batas.

Pilihan antara array Darlington dan driver MOSFET bergantung pada tiga angka: penurunan tegangan, jumlah kanal, dan ruang papan. Darlington tujuh kanal dalam paket 16 pin sulit dikalahkan ketika beban moderat dan desain mengutamakan kesederhanaan.

Ketika 500 mA tidak cukup

Di atas sekitar setengah ampere per kanal, array Darlington tidak lagi menjadi jawaban yang tepat. Pilihannya adalah MOSFET diskret, driver low-side khusus, atau driver relai dengan rating lebih tinggi.

MOSFET mengurangi jatuh tegangan menjadi puluhan milivolt dan menghilangkan sebagian besar masalah termal, dengan konsekuensi kebutuhan gate drive dan dioda clamp eksternal. Untuk satu beban berat, biasanya itu lebih murah daripada memparalelkan kanal.

Memparalelkan kanal memang mungkin tetapi tidak gratis: kedua pasangan Darlington tidak berbagi arus dengan sempurna, dan salah satunya menanggung lebih banyak daripada yang lain. Resistor emitor kecil per kanal dapat memaksa pembagian arus, yang menghilangkan kesederhanaan komponen tersebut.

Rating 50 V adalah maksimum absolut untuk output, bukan titik operasi yang direkomendasikan untuk penggunaan terus-menerus. Relai 24 V dengan transien 36 V masih aman; solenoid 48 V dengan lonjakan 60 V tidak.

Rating dioda clamp dalam praktik

Dioda internal memiliki rating kelas tegangan yang sama dengan output, tetapi kemampuan arusnya tidak sama dengan transistor. Kumparan relai yang mengalirkan arus 100 mA secara stabil dapat menghasilkan arus singkat dengan besaran serupa saat dimatikan; solenoid dengan induktansi besar dapat menghasilkan arus yang lebih besar.

Untuk beban dengan induktansi tinggi atau pensaklaran sering, dioda eksternal dengan rating arus lebih tinggi adalah asuransi murah. Tempatkan dioda itu di paralel dengan beban, bukan di paralel dengan driver, agar loop tetap pendek.

8. Daftar periksa substitusi

Tata letak dan pembumian

Driver membawa arus beban, bukan arus logika. Pisahkan jalur balik untuk beban dari ground logika hingga satu titik bintang tunggal, atau arus switching akan menaikkan referensi logika dan menyebabkan pemicuan palsu.

Tempatkan koneksi COM dekat ke paket dan beri jalur yang pendek dan lebar. Arus clamp mengalir melalui pin tersebut pada setiap peristiwa pemadaman, dan jalur yang tipis menambah induktansi yang menggagalkan fungsi dioda.

Untuk paket DIP, soket praktis untuk prototipe dan menjadi risiko di produksi. Soket menambah resistansi kontak dan induktansi tepat di tempat arus clamp mengalir.

Mode kegagalan umum

Satu kanal mati.Biasanya koneksi COM yang hilang atau beban induktif tanpa clamp. Periksa sisi beban terlebih dahulu, lalu driver.

Semua kanal lemah.Biasanya penggerak input: logika 3.3 V ke komponen 10.5 kΩ, atau resistor seri yang ditambahkan secara keliru. Ukur tegangan input pada pin, bukan pada mikrokontroler.

Pensaklaran intermiten.Biasanya pembumian: jalur balik beban berbagi jejak dengan jalur balik logika, dan arus pensaklaran menggeser referensi.

9. Rencana pengujian

Perbedaan antar sumber alternatif terlihat pada tegangan saturasi pada arus basis rendah dan pada jatuh tegangan maju dioda penjepit. Keduanya ditentukan dengan nilai minimum dan maksimum; bandingkan nilai maksimum, bukan nilai tipikal, saat desain beroperasi mendekati batas.

Catatan otomotif dan industri

Varian tingkat Q ditentukan untuk penggunaan otomotif dan membawa kualifikasi yang sesuai. Ini bukan sekadar versi standar dengan rating suhu: dokumentasi kualifikasi merupakan bagian dari produk.

Untuk desain industri, pertanyaan yang relevan adalah suhu ambien di dalam selubung dan jumlah kanal yang dapat aktif secara bersamaan. Keduanya adalah pertanyaan termal, dan keduanya dijawab melalui pengukuran, bukan melalui rating per kanal pada datasheet.

10. Biaya dan pasokan

Ini adalah salah satu IC driver termurah di pasar, jadi perbedaan harga antar sumber diukur dalam pecahan sen. Ketersediaan, paket, dan konsistensi sumber kedua lebih penting.

Sumber kedua umum dan secara umum dapat diterima untuk penggunaan non-otomotif. Untuk otomotif, gunakan varian Q-grade dan konfirmasi dokumen kualifikasi, karena komponen standar bukan pengganti perangkat AEC-Q100.

Jumlah per reel dan date code tetap penting: reel murah dari stok lama yang penyimpanannya buruk bisa memakan biaya rework lebih besar daripada penghematan komponennya.

Aturan praktis untuk substitusi: cocokkan jumlah kanal dan resistor input, pastikan dioda clamp internal dan COM terhubung, lalu ukur tegangan saturasi pada arus beban Anda dan periksa suhu paket dengan setiap kanal yang akan aktif secara bersamaan. Selebihnya sekunder.

11. FAQ

Apakah ULN2004A merupakan pengganti langsung untuk ULN2003A?

Cocok pada soket yang sama tetapi memiliki resistor masukan yang jauh lebih besar. Dengan logika 3,3 V, keluaran mungkin tidak jenuh sepenuhnya. Periksa arus masukan dan tegangan saturasi.

Apakah saya dapat menggunakan ULN2803A sebagai gantinya?

Tidak. Ini memiliki delapan kanal dan paket serta pinout yang berbeda. Ini merupakan peningkatan fungsional, bukan pengganti.

Mengapa kanal relai saya gagal setelah beberapa minggu?

Biasanya pin COM tidak terhubung, sehingga dioda penjepit internal tidak berfungsi dan kickback memperburuk transistor keluaran.

Bisakah saya menggerakkan LED dari output ke ground?

Tidak. Output menyerap arus ke ground. Hubungkan LED dari suplai melalui resistor ke output.

Berapa banyak kanal yang dapat berjalan pada 500 mA sekaligus?

Hanya satu, dalam praktik, karena disipasi paket. Turunkan daya total alih-alih menghitung kanal, dan ukur suhu paket dengan enclosure tertutup.

Apakah saya perlu dioda eksternal untuk relay 24 V?

Tidak hanya karena tegangan; dioda internal dinilai untuk kelas 50 V. Tambahkan dioda eksternal jika arus beban atau surge melebihi rating internal.

12. Sumber

• Halaman produk TI ULN2003A:ti.com
• Dokumentasi ST ULN2003:st.com
• Portofolio driver onsemi:onsemi.com