1. この部品が生き残る理由

ULN2003Aは、低電圧ロジックでリレー、ランプ、ソレノイド、小型ステッピングモータを駆動できるように設計されました。それは7組のダーリントン・ペアで実現され、各ペアは50 Vで最大500 mAをシンクできる定格で、さらに誘導性キックバックをクランプするためのチャネルごとのダイオードを備えています。

その機能に変更はありません。マイクロコントローラは依然として3.3 Vを出力し、リレーは依然として12 Vを必要とし、設計者は依然として外部部品なしで7つの負荷を扱える1つの部品を求めています。だからこそ、何十年も離れて設計された基板に同じ16ピンパッケージが現れるのです。

その結果、この部品はセカンドソース市場が大きい汎用品となり、見た目は同じでも動作が異なるいくつかのバリエーションが存在します。代替時のミスのほとんどは、そうしたバリエーションに起因します。

2. このデバイスが実際に果たす機能

各チャネルはオープンコレクタ出力の反転型ダーリントンペアです。入力の論理ハイで出力トランジスタがオンになり、出力ピンをグランドに引き込みます。負荷は正電源と出力ピンの間に接続します。

この構成は便利です。ドライバが電流をシンクするため、負荷電圧は論理電源より高くでき、50 V の定格まで可能です。また、出力は電流をソースできないことを意味します — これは、出力からグランドへ LED を駆動しようとするときに重要となる詳細です。

内部ダイオードは各出力を COM ピンに接続します。誘導性負荷がオフにされると、ダイオードはキックバックをトランジスタを破壊させる代わりに COM レールにクランプします。それが機能するには、COM ピンを負荷電源に接続する必要があります。

飽和電圧が高い理由

ダーリントンペアは直列接続された 2 つのトランジスタです。1 つ目が 2 つ目のベースを駆動するため、出力はおよそ 2 つのベース-エミッタ間電圧降下未満には飽和できません — 中程度の電流では約 1.0～1.2 V、より高い電流ではさらに大きくなります。

これが重要になる理由は 2 つあります。電気的には、負荷には電源電圧からその電圧を差し引いた電圧がかかるため、12 V のリレーコイルは実際には約 10.8 V を受け取ります。熱的には、電圧降下に電流を掛けたものがパッケージ内の熱になるため、1.1 V で 200 mA はチャネルあたり 0.22 W になります。

単一のMOSFETなら電圧降下ははるかに小さくなりますが、ゲート駆動回路とクランプダイオードも必要になります。ダーリントンは効率と引き換えに簡素さを選んでおり、この部品が生き残っている理由はまさにそのトレードオフにあります。

3. ピン配置とピン互換性

出力の逆順は配線ミスの典型的な原因です。ピン10がチャネル7、ピン16がチャネル1であり、その逆ではありません。

4. 見た目が同一のバリエーション

これらのうち2つはULN2003Aの真のピン互換代替品です。ULN2003のバリエーションとULQ2003Aです。ULN2004Aは物理的に互換性がありますが、入力抵抗がはるかに大きく、ULN2803Aは異なるパッケージでピン配置も異なります。

1.8 Vおよび3.3 Vロジック用の抵抗計算

入力電流はおよそ (Vin − 1.4 V) / R です。ここで 1.4 V はダーリントンの2つのベース-エミッタ間電圧降下です。2.7 kΩ の抵抗では、3.3 V で約 0.7 mA、5 V で約 1.3 mA になります。どちらもほとんどのチャネルを飽和させるのに十分です。

1.8 V では、同じ抵抗でも 0.15 mA しか得られず、負荷時の完全飽和には不十分（限界的）です。1.8 V ロジックで動作する設計では、入力抵抗の小さいドライバを使用するか、プリドライバを追加する必要があります。

ULN2004A の 10.5 kΩ 抵抗は 6～15 V ロジック向けに設計されており、より高い電圧がより大きな抵抗を補います。これを 3.3 V で使用するのは、想定用途とは逆です。

5. 入力抵抗がロジックレベルを決める

入力はダーリントンのベースに直列接続された抵抗です。2.7 kΩ の抵抗では、3.3 V のロジックハイによって約 1 mA がベースに流れ、定格電流でチャネルを飽和させるのに十分です。10.5 kΩ の抵抗では、同じ 3.3 V でも約 0.3 mA しか流れません。出力をオンにするには十分ですが、負荷時に完全飽和を維持するには常に十分とは限りません。

ULN2004A が存在する理由はそこにあります。これはより高電圧のロジック向けであり、より大きな抵抗が電流を制限します。3.3 V ロジックで使用することは、ソケットに適合するとしても、直接的な置き換えではありません。

実用的な試験は単純です。想定する負荷を接続し、出力飽和電圧を測定します。完全に飽和していないチャネルは発熱し、故障する可能性があります。

6. 出力限界と熱の現実

500 mA の定格はチャネルごとであり、他のチャネルが同時にすべて全電流状態にあるわけではないことを前提としています。実際の制約はパッケージの熱抵抗です。

適度な銅面積を持つDIP-16パッケージのジャンクション－周囲間熱抵抗は60～100 °C/Wの範囲です。1 Wの消費電力では、ジャンクション温度は周囲温度より60～100 °C上昇します。これは25 °Cでは許容でき、筐体内の50 °Cでは限界的であり、70 °Cでは不可能です。

通常の解決策は別のドライバを使用することではなく、オンにするチャネルを減らすか、電流を下げるか、大負荷向けに外付けMOSFETを使用することです。

ステッピングモーターと定番の28BYJ-48

最も一般的なホビー用途は、28BYJ-48のようなユニポーラステッピングモーターを4チャネルから直接駆動するものです。各コイルは数百ミリアンペアを消費し、ドライバはそれらを順番に切り替えます。

信頼性の高い動作を決める2つの詳細があります。第一に、コイルは誘導性であるため、COMピンはモーター電源に接続する必要があります。第二に、モーターが位置を保持している間は電流が連続するため、パッケージの消費電力は過渡的なものではなく、定常動作点です。

モーターがストールすると、電流は巻線の限界まで上昇し、ドライバは急速に発熱します。ベンチでは動作するが高温の筐体内では故障する設計は、通常、ドライバの欠陥ではなく熱設計の問題です。

計算する際は、データシートの見出しの数値ではなく、実際の電流における飽和電圧を使用してください。見出しの数値は多くの場合、より低い電流で記載されています。500 mAでは電圧降下は1 Vをはるかに超えることがあり、消費電力はスイッチング動作のたびにそれに応じて増加します。

7. COMピンと誘導性負荷

リレー、ソレノイド、モーターでは、COMピンはロジックグラウンドではなく、負荷の正側電源に接続する必要があります。そうすると内部ダイオードが誘導性キックバックをそのレールにクランプします。

COMをフローティングのままにすると、ダイオードは機能せず、出力にはキックバック電圧がそのまま印加されます。デバイスは数回のイベントには耐えても、その後故障することがあります。多くの場合、ランダムなチャネル故障のように見える形で壊れます。

50 Vの定格を超える負荷や、内部ダイオードの定格を超える電流には、外部クランプダイオードを追加してください。内蔵ダイオードは便利ですが、無制限ではありません。

ダーリントンアレイとMOSFETドライバの選択は、3つの数値、つまり電圧降下、チャネル数、基板スペースで決まります。負荷が控えめで、設計が簡素さを重視する場合、16ピンパッケージの7チャネルダーリントンは他に代えがたい選択肢です。

500 mA では足りない場合

チャネルあたりおよそ 0.5 A を超えると、ダーリントンアレイは適切な選択肢ではなくなります。選択肢は、ディスクリート MOSFET、専用のローサイドドライバ、またはより高い定格のリレードライバです。

MOSFET は電圧降下を数十ミリボルトまで低減し、熱問題のほとんどを解消しますが、その代償としてゲート駆動と外付けクランプダイオードが必要になります。単一の大負荷では、通常、チャネルを並列接続するより安価です。

チャネルの並列接続は可能ですが、無償ではありません。2 組のダーリントンペアは電流を完全には均等に分担せず、一方が他方より多くを担います。チャネルごとに小さなエミッタ抵抗を入れることで分担を強制できますが、それはこの部品の簡便さを損ないます。

50 V の定格は出力の絶対最大定格であり、連続使用の推奨動作点ではありません。36 V の過渡を伴う 24 V リレーは問題ありませんが、60 V のスパイクを伴う 48 V ソレノイドは適しません。

実使用におけるクランプダイオードの定格

内部ダイオードは出力と同じ電圧クラスで定格されていますが、その電流能力はトランジスタと同じではありません。定常的に100 mAを流すリレーコイルは、オフ時に同程度の大きさの短時間電流を発生することがあります。大きなインダクタンスを持つソレノイドは、さらに大きな電流を発生する可能性があります。

高インダクタンス負荷や頻繁なスイッチングを行う負荷には、より高い電流定格の外付けダイオードが安価な保険となります。ループが短くなるように、ドライバではなく負荷の両端に配置してください。

8. 代替品チェックリスト

レイアウトと接地

ドライバはロジック電流ではなく負荷電流を流します。負荷の戻り経路は、単一のスター点までロジックグラウンドと分離してください。そうしないと、スイッチング電流がロジックの基準電位を持ち上げ、誤トリガを引き起こします。

COM接続はパッケージの近くに配置し、短く幅広いトレースにしてください。クランプ電流はスイッチオフのたびにそのピンを通って流れるため、細いトレースはインダクタンスを追加し、ダイオードの効果を損ないます。

DIPパッケージでは、ソケットは試作には便利ですが、量産ではリスクとなります。ソケットは、クランプ電流が流れるまさにその場所に接触抵抗とインダクタンスを追加します。

一般的な故障モード

1チャネルが動作しない。通常は、COM接続の欠落か、クランプされていない誘導負荷です。まず負荷側を確認し、次にドライバを確認してください。

全チャネルが弱い。通常は入力ドライブが原因です。3.3 Vロジックを10.5 kΩの部品に入力している、または誤って直列抵抗を追加しているケースです。入力電圧はマイクロコントローラ側ではなく、ピンで測定してください。

断続的なスイッチング。通常はグラウンディングが原因です。負荷のリターンがロジックのリターンと同じトレースを共有しており、スイッチング電流によって基準電位が変動します。

9. テスト計画

セカンドソース間の違いは、低ベース電流時の飽和電圧とクランプダイオードの順方向降下電圧に現れます。どちらも最小値と最大値で規定されています。設計が限界に近い条件で動作する場合は、標準値ではなく最大値を比較してください。

車載用途および産業用途の注記

Qグレード品は車載用途向けに規定されており、対応する認定を取得しています。これは標準品を単に温度定格化したものではありません。認定文書も製品の一部です。

産業用設計では、筐体内の周囲温度と同時にオンにできるチャネル数が重要な問いになります。どちらも熱に関する問いであり、データシートのチャネルあたりの定格ではなく、測定によって答えを得る必要があります。

10. コストと供給

これは市場で最も安価なドライバICの一つであるため、供給元間の価格差はセントの何分の一かで測られる。可用性、パッケージ、セカンドソースの一貫性の方がより重要である。

セカンドソースは一般的であり、非自動車用途では概ね許容される。自動車用途ではQグレード品を使用し、認定文書を確認すること。標準品はAEC-Q100デバイスの代替にはならないためである。

リール数量と日付コードは依然として重要である。古い在庫で保管状態が悪い安価なリールは、部品代の節約以上に手直しコストがかかる可能性がある。

代替品に関する実用的な原則：チャネル数と入力抵抗を一致させ、クランプダイオードが内蔵されていることとCOMが配線されていることを確認し、次に負荷電流での飽和電圧を測定し、同時にオンになるすべてのチャネルでパッケージ温度を確認する。それ以外は二次的である。

11. FAQ

ULN2004AはULN2003Aのドロップイン代替品ですか？

同じソケットに適合しますが、入力抵抗がはるかに大きいです。3.3 Vロジックでは出力が完全に飽和しない可能性があります。入力電流と飽和電圧を確認してください。

代わりにULN2803Aを使用できますか？

いいえ。8チャネルで、パッケージとピン配置が異なります。機能的なアップグレードであり、代替品ではありません。

リレーチャネルが数週間後に故障するのはなぜですか？

通常、COMピンが接続されていないため、内部クランプダイオードが機能せず、キックバックにより出力トランジスタが劣化します。

出力からグラウンドにLEDを接続して駆動できますか？

いいえ。出力はグラウンドへ電流をシンクします。LEDは電源から抵抗を介して出力に接続してください。

同時に500 mAで動作できるチャネルはいくつですか？

実際には、パッケージの消費電力のため1チャネルのみです。チャネル数を数えるのではなく総電力をディレーティングし、筐体を閉じた状態でパッケージ温度を測定してください。

24 Vリレーに外付けダイオードが必要ですか？

電圧だけを理由に必要というわけではありません。内部ダイオードは50 Vクラスに対応しています。負荷電流またはサージが内部定格を超える場合は、外付けダイオードを追加してください。

12. 出典

• TI ULN2003A 製品ページ:ti.com
• ST ULN2003 ドキュメント:st.com
• onsemi ドライバポートフォリオ:onsemi.com