1. 이 부품이 살아남는 이유

ULN2003A는 저전압 로직이 릴레이, 램프, 솔레노이드 및 소형 스테퍼 모터를 구동할 수 있도록 설계되었습니다. 이는 각각 50 V에서 최대 500 mA를 싱크하도록 정격된 7개의 달링턴 쌍과, 유도성 킥백을 클램핑하기 위한 채널당 다이오드 하나로 이를 수행합니다.

그 기능에 대해 달라진 것은 없습니다. 마이크로컨트롤러는 여전히 3.3 V를 출력하고, 릴레이는 여전히 12 V가 필요하며, 설계자들은 여전히 외부 부품 없이 7개의 부하를 처리하는 하나의 부품을 원합니다. 그렇기 때문에 동일한 16핀 패키지가 수십 년 차이로 설계된 보드에 등장합니다.

그 결과는 대규모 세컨드 소스 시장과 겉보기에는 동일하지만 다르게 동작하는 몇 가지 변형을 가진 범용 부품입니다. 대부분의 대체 오류는 바로 그 변형들에서 비롯됩니다.

2. 이 디바이스가 실제로 하는 일

각 채널은 오픈 컬렉터 출력을 갖는 반전 달링턴 쌍입니다. 입력의 논리 하이는 출력 트랜지스터를 켜서 출력 핀을 접지로 끌어내립니다. 부하는 양의 전원과 출력 핀 사이에 연결됩니다.

이 구성은 편리합니다. 드라이버가 전류를 싱크하므로 부하 전압은 논리 전원보다 높을 수 있으며, 최대 50 V 정격까지 가능합니다. 또한 출력이 전류를 소싱할 수 없다는 뜻이며, 이는 출력에서 접지로 LED를 구동하려 할 때 중요한 세부 사항입니다.

내부 다이오드는 각 출력을 COM 핀에 연결합니다. 유도성 부하가 꺼질 때 다이오드는 역기전력을 COM 레일로 클램프하여 트랜지스터를 파괴하지 않도록 합니다. 이를 위해서는 COM 핀이 부하 전원에 연결되어야 합니다.

포화 전압이 높은 이유

달링턴 쌍은 두 개의 트랜지스터가 직렬로 연결된 것입니다. 첫 번째 트랜지스터가 두 번째 트랜지스터의 베이스를 구동하므로, 출력은 대략 두 개의 베이스-이미터 전압 강하보다 낮게 포화될 수 없습니다. 즉 중간 전류에서 약 1.0–1.2 V이며, 더 높은 전류에서는 더 커집니다.

이는 두 가지 이유로 중요합니다. 전기적으로 부하는 공급 전압에서 해당 전압을 뺀 값을 보게 되므로, 12 V 릴레이 코일은 실제로 약 10.8 V를 받습니다. 열적으로는 전압 강하에 전류를 곱한 값이 패키지 내부에서 열이 됩니다. 즉 1.1 V에서 200 mA는 채널당 0.22 W입니다.

단일 MOSFET은 전압 강하가 훨씬 낮겠지만, 게이트 드라이브와 클램프 다이오드도 필요합니다. 달링턴은 효율을 단순성과 맞바꾸며, 바로 그 맞바꿈이 이 부품이 살아남은 이유입니다.

3. 핀 배치와 핀 호환성

출력의 역순 배열은 배선 오류의 전형적인 원인입니다. 핀 10은 채널 7이고 핀 16은 채널 1이며, 그 반대가 아닙니다.

4. 겉보기에 동일한 변형 제품

이들 중 ULN2003A에 대한 진정한 핀 호환 대체품은 두 가지입니다: ULN2003 변형들과 ULQ2003A입니다. ULN2004A는 물리적으로 호환되지만 입력 저항이 훨씬 크며, ULN2803A는 패키지와 핀 배치가 다른 별개의 부품입니다.

1.8 V 및 3.3 V 로직용 저항 계산

입력 전류는 대략 (Vin − 1.4 V) / R이며, 여기서 1.4 V는 달링턴의 두 베이스-에미터 전압 강하입니다. 2.7 kΩ 저항을 사용하면 3.3 V에서 약 0.7 mA, 5 V에서 약 1.3 mA가 됩니다. 둘 다 대부분의 채널을 포화시키기에 충분합니다.

1.8 V에서는 같은 저항으로 0.15 mA만 얻어지므로, 부하 상태에서 완전 포화에는 미흡합니다. 1.8 V 로직으로 동작하는 설계는 입력 저항이 더 작은 드라이버를 사용하거나 프리드라이버를 추가해야 합니다.

ULN2004A의 10.5 kΩ 저항은 6–15 V 로직용으로 설계되었으며, 여기서 더 높은 전압이 더 큰 저항을 보상합니다. 이를 3.3 V에서 사용하는 것은 의도된 용도와 반대입니다.

5. 입력 저항이 로직 레벨을 결정한다

입력은 달링턴 베이스와 직렬로 연결된 저항입니다. 2.7 kΩ 저항에서는 3.3 V 로직 하이가 베이스로 약 1 mA를 구동하며, 이는 정격 전류에서 채널을 포화시키기에 충분합니다. 10.5 kΩ 저항에서는 동일한 3.3 V가 약 0.3 mA만 생성합니다. 이는 출력을 켜기에는 충분하지만, 부하 상태에서 출력을 완전히 포화된 상태로 유지하기에는 항상 충분하지는 않습니다.

ULN2004A가 존재하는 이유가 바로 여기에 있습니다. 이는 더 높은 전압의 로직용으로 의도되었으며, 여기서 더 큰 저항이 전류를 제한합니다. 소켓에 맞더라도 3.3 V 로직과 함께 사용하는 것은 직접적인 교체가 아닙니다.

실용적인 테스트는 간단합니다: 의도한 부하를 연결하고 출력 포화 전압을 측정하십시오. 완전히 포화되지 않은 채널은 뜨거워지고 고장 날 수 있습니다.

6. 출력 한계와 열적 현실

500 mA 정격은 채널당이며, 다른 채널들이 동시에 모두 최대 전류에 있지 않다는 것을 전제로 합니다. 패키지의 열 저항이 실제 제약 조건입니다.

적당한 구리 면적을 가진 DIP-16 패키지는 접합부-주위 열저항이 60–100 °C/W 범위입니다. 1 W 소비 시 접합부는 주위보다 60–100 °C 상승합니다. 이는 25 °C에서는 허용 가능하고, 인클로저 내부 50 °C에서는 한계 수준이며, 70 °C에서는 불가능합니다.

일반적인 해결책은 다른 드라이버가 아니라, 켜진 채널 수를 줄이거나, 전류를 낮추거나, 고부하용 외부 MOSFET을 사용하는 것입니다.

스테퍼 모터와 클래식 28BYJ-48

가장 흔한 취미용 응용은 28BYJ-48과 같은 단극성 스테퍼를 네 개 채널에서 직접 구동하는 것입니다. 각 코일은 수백 밀리암페어를 소비하며, 드라이버는 이를 순차적으로 스위칭합니다.

두 가지 세부 사항이 안정적인 동작 여부를 결정합니다. 첫째, 코일은 유도성 부하이므로 COM 핀은 모터 전원에 연결해야 합니다. 둘째, 모터가 위치를 유지하는 동안 전류는 연속적이므로 패키지 소비 전력은 과도 상태가 아니라 정상 상태 동작점입니다.

모터가 정지하면 전류가 권선 한계까지 상승하고 드라이버는 빠르게 발열합니다. 벤치에서는 동작하지만 뜨거운 인클로저에서는 실패하는 설계는 보통 드라이버 결함이 아니라 열 설계 문제입니다.

계산할 때는 데이터시트의 대표 수치(흔히 더 낮은 전류에서 제시됨) 대신 실제 전류에서의 포화 전압을 사용하십시오. 500 mA에서는 전압 강하가 1 V를 훨씬 넘을 수 있으며, 스위칭 이벤트마다 손실도 그에 비례해 커집니다.

7. COM 핀과 유도성 부하

릴레이, 솔레노이드 및 모터의 경우 COM 핀은 로직 접지가 아니라 부하의 양극 전원에 연결해야 합니다. 그러면 내부 다이오드가 유도성 킥백을 해당 레일로 클램프합니다.

COM을 플로팅 상태로 두면 다이오드는 아무 역할도 하지 못하고 출력에는 전체 킥백 전압이 걸립니다. 장치는 몇 번의 이벤트는 견디다가 결국 고장 날 수 있으며, 흔히 임의의 채널이 갑자기 죽은 것처럼 보이는 방식으로 나타납니다.

50 V 정격을 초과하는 부하나 내부 다이오드 정격을 초과하는 전류의 경우 외부 클램프 다이오드를 추가하십시오. 내부 다이오드는 편리할 뿐, 무제한이 아닙니다.

달링턴 어레이와 MOSFET 드라이버 중 선택은 전압 강하, 채널 수, 보드 공간이라는 세 가지 수치로 귀결됩니다. 부하가 크지 않고 설계에서 단순성을 중시할 때는 16핀 패키지의 7채널 달링턴을 능가하기 어렵습니다.

500 mA로는 충분하지 않을 때

채널당 대략 0.5 A를 넘으면 Darlington 어레이는 더 이상 적합한 답이 아니다. 대안은 개별 MOSFET, 전용 저사이드 드라이버, 또는 더 높은 정격의 릴레이 드라이버이다.

MOSFET은 전압 강하를 수십 밀리볼트로 줄이고 대부분의 열 문제를 없애지만, 게이트 구동과 외부 클램프 다이오드가 필요하다. 단일 고부하의 경우 이는 일반적으로 채널을 병렬 연결하는 것보다 저렴하다.

채널 병렬 연결은 가능하지만 공짜는 아니다. 두 Darlington 쌍은 전류를 완벽하게 분담하지 못하며, 한쪽이 다른 쪽보다 더 많은 전류를 흐르게 한다. 채널당 작은 이미터 저항을 두면 전류 분담을 강제할 수 있지만, 이는 해당 부품의 단순함을 훼손한다.

50 V 정격은 출력의 절대 최대값이며, 연속 사용을 위한 권장 동작점이 아니다. 36 V 과도 전압이 발생하는 24 V 릴레이는 괜찮지만, 60 V 스파이크가 발생하는 48 V 솔레노이드는 그렇지 않다.

실무에서의 클램프 다이오드 정격

내장 다이오드는 출력과 동일한 전압 등급으로 정격이 책정되어 있지만, 전류 용량은 트랜지스터와 같지 않습니다. 100mA의 정상 전류를 소비하는 릴레이 코일은 스위치 오프 시 비슷한 크기의 짧은 전류를 발생시킬 수 있으며, 인덕턴스가 큰 솔레노이드는 더 큰 전류를 발생시킬 수 있습니다.

인덕턴스가 높거나 스위칭이 빈번한 부하의 경우, 더 높은 전류 정격의 외부 다이오드는 저렴한 보험입니다. 루프를 짧게 유지하려면 드라이버가 아닌 부하 양단에 배치하십시오.

8. 대체품 체크리스트

레이아웃 및 접지

드라이버는 논리 전류가 아니라 부하 전류를 운반합니다. 부하의 귀환 경로를 단일 스타점까지 논리 접지와 분리해 두십시오. 그렇지 않으면 스위칭 전류가 논리 기준 전압을 끌어올려 오동작을 유발할 수 있습니다.

COM 연결을 패키지 가까이에 배치하고 짧고 넓은 트레이스를 제공하십시오. 스위치 오프 이벤트마다 클램프 전류가 해당 핀을 통해 흐르므로, 가는 트레이스는 인덕턴스를 더해 다이오드의 효과를 무력화합니다.

DIP 패키지의 경우 소켓은 프로토타입에는 편리하지만 생산에서는 위험 요소입니다. 소켓은 바로 클램프 전류가 흐르는 지점에 접촉 저항과 인덕턴스를 추가합니다.

일반적인 고장 모드

한 채널 불량.일반적으로 COM 연결 누락 또는 클램프되지 않은 유도성 부하입니다. 먼저 부하 측을 확인한 다음 드라이버를 확인하십시오.

모든 채널이 약합니다.일반적으로 입력 구동 문제입니다: 3.3 V 로직이 10.5 kΩ 부품에 연결되었거나, 실수로 직렬 저항이 추가된 경우입니다. 마이크로컨트롤러가 아니라 핀에서 입력 전압을 측정하십시오.

간헐적 스위칭.일반적으로 접지 문제입니다: 부하 리턴이 로직 리턴과 동일한 트레이스를 공유하고, 스위칭 전류가 기준 전압을 변화시킵니다.

9. 테스트 계획

세컨드소스 차이는 낮은 베이스 전류에서의 포화 전압과 클램프 다이오드 순방향 전압 강하에서 나타난다. 둘 다 최소값과 최대값으로 규정되므로, 설계가 한계에 근접해 운전될 때는 typical 값이 아니라 최대값을 비교해야 한다.

자동차 및 산업용 참고 사항

Q등급 변형은 자동차용으로 규정되어 있으며 해당 인증을 갖추고 있다. 이는 단순히 표준 부품의 온도 등급 버전이 아니다: 인증 문서가 제품의 일부이다.

산업용 설계에서 관련 질문은 인클로저 내부의 주위 온도와 동시에 켜질 수 있는 채널 수이다. 둘 다 열 관련 질문이며, 둘 다 데이터시트의 채널당 정격이 아니라 측정으로 답해야 한다.

10. 비용 및 공급

이 제품은 시장에서 가장 저렴한 드라이버 IC 중 하나이므로 공급원 간 가격 차이는 1센트의 몇 분의 1 단위로 측정됩니다. 가용성, 패키지 및 세컨드 소스의 일관성이 더 중요합니다.

세컨드 소스는 일반적이며 비자동차 용도에서는 대체로 허용됩니다. 자동차용의 경우 Q-grade 변형을 사용하고 인증 문서를 확인하십시오. 표준 부품은 AEC-Q100 장치를 대체할 수 없기 때문입니다.

릴 수량과 날짜 코드는 여전히 중요합니다. 잘못 보관된 오래된 재고의 저렴한 릴은 절약한 부품 비용보다 재작업 비용이 더 많이 들 수 있습니다.

대체품에 대한 실용적인 규칙: 채널 수와 입력 저항을 일치시키고, 클램프 다이오드가 내장되어 있는지와 COM이 배선되어 있는지 확인한 다음, 부하 전류에서 포화 전압을 측정하고 동시에 켜질 모든 채널로 패키지 온도를 확인하십시오. 나머지는 부차적입니다.

11. FAQ

ULN2004A는 ULN2003A의 드롭인 대체품인가요?

같은 소켓에 맞지만 입력 저항이 훨씬 큽니다. 3.3 V 로직에서는 출력이 완전히 포화되지 않을 수 있습니다. 입력 전류와 포화 전압을 확인하세요.

대신 ULN2803A를 사용할 수 있나요?

아니요. 8채널이며 패키지와 핀 배치가 다릅니다. 이는 기능 업그레이드이지 대체품이 아닙니다.

릴레이 채널이 몇 주 후에 왜 고장 나나요?

일반적으로 COM 핀이 연결되지 않아 내부 클램프 다이오드가 아무 역할도 하지 못하고, 킥백이 출력 트랜지스터를 열화시킵니다.

출력에서 접지로 LED를 구동할 수 있습니까?

아니요. 출력은 전류를 접지로 싱크합니다. 공급 전원에서 저항을 거쳐 출력으로 LED를 연결하십시오.

500 mA로 동시에 구동할 수 있는 채널은 몇 개입니까?

실제로는 패키지 방열 때문에 한 개뿐입니다. 채널 수를 세기보다 총 전력을 디레이팅하고, 인클로저를 닫은 상태에서 패키지 온도를 측정하십시오.

24 V 릴레이에 외부 다이오드가 필요합니까?

전압만으로는 필요하지 않습니다. 내부 다이오드는 50 V 등급으로 정격되어 있습니다. 부하 전류나 서지가 내부 정격을 초과하면 외부 다이오드를 추가하십시오.

12. 출처

• TI ULN2003A 제품 페이지:ti.com
• ST ULN2003 문서:st.com
• onsemi 드라이버 포트폴리오:onsemi.com