1. Mengapa komponen ini terus bertahan

ULN2003A direka untuk membolehkan logik voltan rendah memacu geganti, lampu, solenoid dan motor stepper kecil. Ia melakukan itu dengan tujuh pasangan Darlington, setiap satu dinilai untuk menyerap sehingga 500 mA pada 50 V, serta satu diod bagi setiap saluran untuk mengapit kickback induktif.

Tiada apa-apa tentang fungsi itu telah berubah. Mikropengawal masih mengeluarkan 3.3 V, geganti masih memerlukan 12 V, dan pereka bentuk masih mahukan satu komponen yang mengendalikan tujuh beban tanpa komponen luaran. Itulah sebabnya pakej 16-pin yang sama muncul pada papan yang direka dalam dekad yang berbeza.

Hasilnya ialah komponen komoditi dengan pasaran sumber kedua yang besar dan beberapa varian yang kelihatan serupa tetapi berkelakuan berbeza. Kebanyakan kesilapan penggantian berpunca daripada varian tersebut.

2. Apa yang sebenarnya dilakukan oleh peranti ini

Setiap saluran ialah pasangan Darlington penyongsang dengan keluaran kolektor terbuka. Aras tinggi logik pada input menghidupkan transistor keluaran, menarik pin keluaran ke bumi. Beban disambungkan antara bekalan positif dan pin keluaran.

Susunan itu mudah: pemacu menyerap arus, jadi voltan beban boleh lebih tinggi daripada bekalan logik, sehingga kadaran 50 V. Ia juga bermakna keluaran tidak boleh membekalkan arus — perincian yang penting apabila seseorang cuba memacu LED daripada keluaran ke bumi.

Diod dalaman menyambungkan setiap keluaran ke pin COM. Apabila beban induktif dimatikan, diod mengepit lonjakan balik ke rel COM dan bukannya membiarkannya memusnahkan transistor. Pin COM mesti disambungkan ke bekalan beban agar ia berfungsi.

Mengapa voltan ketepuan tinggi

Pasangan Darlington ialah dua transistor secara bersiri. Yang pertama memacu pangkalan yang kedua, jadi keluaran tidak boleh tepu di bawah kira-kira dua kejatuhan pangkalan-pemancar — kira-kira 1.0–1.2 V pada arus sederhana, dan lebih pada arus yang lebih tinggi.

Itu penting atas dua sebab. Secara elektrik, beban menerima bekalan tolak voltan itu, jadi gegelung geganti 12 V sebenarnya menerima kira-kira 10.8 V. Dari segi haba, kejatuhan didarab dengan arus menjadi haba di dalam pakej: 200 mA pada 1.1 V ialah 0.22 W setiap saluran.

MOSFET tunggal akan mempunyai susutan yang jauh lebih rendah, tetapi ia juga memerlukan pemacu get dan diod pengapit. Darlington mengorbankan kecekapan demi kesederhanaan, dan pertukaran itulah sebabnya komponen ini masih bertahan.

3. Susunan pin dan keserasian pin

Susunan terbalik bagi output ialah punca klasik kepada ralat pendawaian. Pin 10 ialah saluran 7 dan pin 16 ialah saluran 1, bukan sebaliknya.

4. Varian yang kelihatan serupa

Dua daripadanya ialah pengganti serasi pin sebenar untuk ULN2003A: varian ULN2003 dan ULQ2003A. ULN2004A serasi secara fizikal tetapi mempunyai perintang input yang jauh lebih besar, dan ULN2803A ialah pakej berbeza dengan pinout berbeza.

Pengiraan perintang untuk logik 1.8 V dan 3.3 V

Arus masukan adalah kira-kira (Vin − 1.4 V) / R, dengan 1.4 V ialah dua penurunan base-emitter bagi Darlington. Dengan perintang 2.7 kΩ, 3.3 V memberikan kira-kira 0.7 mA; 5 V memberikan kira-kira 1.3 mA. Kedua-duanya cukup untuk menjenuhkan kebanyakan saluran.

Pada 1.8 V, perintang yang sama hanya memberikan 0.15 mA, yang marginal untuk penepuan penuh di bawah beban. Reka bentuk yang menggunakan logik 1.8 V sama ada perlu menggunakan pemacu dengan perintang masukan yang lebih kecil atau menambah pra-pemacu.

Perintang 10.5 kΩ ULN2004A direka untuk logik 6–15 V, di mana voltan yang lebih tinggi mengimbangi rintangan yang lebih besar. Menggunakannya pada 3.3 V adalah bertentangan dengan aplikasi yang dimaksudkan.

5. Perintang masukan menentukan tahap logik

Masukan ialah perintang yang bersiri dengan base Darlington. Dengan perintang 2.7 kΩ, logik tinggi 3.3 V memacu kira-kira 1 mA ke dalam base, yang cukup untuk menjenuhkan saluran pada arus berkadar. Dengan perintang 10.5 kΩ, 3.3 V yang sama hanya menghasilkan kira-kira 0.3 mA — cukup untuk menghidupkan output, tetapi tidak selalunya cukup untuk memastikannya kekal tepu sepenuhnya di bawah beban.

Itulah sebabnya ULN2004A wujud: ia bertujuan untuk logik voltan lebih tinggi, di mana perintang yang lebih besar mengehadkan arus. Menggunakannya dengan logik 3.3 V bukanlah penggantian langsung, walaupun ia sesuai dengan soket.

Ujian praktikal adalah mudah: sambungkan beban yang dimaksudkan dan ukur voltan tepu keluaran. Saluran yang tidak tepu sepenuhnya akan menjadi panas dan boleh gagal.

6. Had keluaran dan realiti haba

Kadaran 500 mA adalah bagi setiap saluran, dan ia mengandaikan saluran lain tidak semuanya pada arus penuh pada masa yang sama. Rintangan haba pakej ialah kekangan sebenar.

Pakej DIP-16 dengan kawasan kuprum yang sederhana mempunyai rintangan terma simpang-ke-ambien dalam julat 60–100 °C/W. Pada pelesapan 1 W, simpang meningkat 60–100 °C melebihi ambien. Itu boleh diterima pada 25 °C, di ambang had pada 50 °C di dalam selungkup, dan mustahil pada 70 °C.

Penyelesaian biasa bukanlah pemacu yang berbeza — sebaliknya ialah lebih sedikit saluran dihidupkan, arus lebih rendah, atau MOSFET luaran untuk beban berat.

Motor stepper dan 28BYJ-48 klasik

Aplikasi hobi paling biasa ialah stepper unipolar seperti 28BYJ-48, dipacu terus daripada empat saluran. Setiap gegelung menarik beberapa ratus miliamp, dan pemacu menghidupkan serta mematikan gegelung tersebut secara berturutan.

Dua butiran menentukan sama ada ia berfungsi dengan boleh dipercayai. Pertama, gegelung adalah induktif, jadi pin COM mesti disambungkan ke bekalan motor. Kedua, arus adalah berterusan semasa motor mengekalkan kedudukan, jadi pelesapan pakej bukanlah transien — ia adalah titik kendalian keadaan mantap.

Jika motor tersekat, arus meningkat ke had belitan dan pemacu memanas dengan cepat. Reka bentuk yang berfungsi di bangku ujian tetapi gagal di dalam selungkup panas biasanya merupakan masalah reka bentuk terma, bukan kecacatan pemacu.

Semasa mengira, gunakan voltan tepu pada arus sebenar anda dan bukan angka utama dalam helaian data, yang selalunya dinyatakan pada arus yang lebih rendah. Pada 500 mA, susutan boleh jauh melebihi 1 V, dan pelesapan berskala dengannya semasa setiap peristiwa pensuisan.

7. Pin COM dan beban induktif

Untuk geganti, solenoid dan motor, pin COM mesti disambungkan ke bekalan positif beban, bukan ke bumi logik. Diod dalaman kemudian mengehadkan lonjakan balik induktif kepada rel itu.

Jika COM dibiarkan terapung, diod tidak berbuat apa-apa dan output menerima voltan lonjakan balik penuh. Peranti mungkin bertahan untuk beberapa peristiwa dan kemudian gagal — selalunya dalam cara yang kelihatan seperti kematian saluran secara rawak.

Untuk beban melebihi kadaran 50 V atau arus melebihi kadaran diod dalaman, tambahkan diod pengapit luaran. Yang dalaman itu mudah digunakan, bukan tanpa had.

Pilihan antara tatasusunan Darlington dan pemacu MOSFET bergantung pada tiga angka: susutan voltan, bilangan saluran dan ruang papan. Darlington tujuh saluran dalam pakej 16 pin sukar dikalahkan apabila beban sederhana dan reka bentuk mementingkan kesederhanaan.

Apabila 500 mA tidak mencukupi

Melebihi kira-kira setengah ampere setiap saluran, tatasusunan Darlington tidak lagi menjadi pilihan yang tepat. Pilihannya ialah MOSFET diskret, pemacu sisi rendah khusus, atau pemacu geganti dengan kadaran yang lebih tinggi.

MOSFET mengurangkan kejatuhan voltan kepada puluhan milivolt dan menghapuskan sebahagian besar masalah terma, dengan kos pemacu get dan diod pengapit luaran. Untuk satu beban berat, biasanya lebih murah daripada menyambung saluran secara selari.

Menyambung saluran secara selari adalah mungkin tetapi tidak tanpa kos: dua pasangan Darlington tidak berkongsi arus dengan sempurna, dan satu membawa lebih daripada yang lain. Perintang pemancar kecil bagi setiap saluran boleh memaksa perkongsian, yang mengalahkan kesederhanaan komponen ini.

Kadaran 50 V ialah maksimum mutlak untuk output, bukan titik operasi yang disyorkan untuk penggunaan berterusan. Geganti 24 V dengan transien 36 V boleh diterima; solenoid 48 V dengan lonjakan 60 V tidak.

Kadaran diod pengapit dalam amalan

Diod dalaman dinilai untuk kelas voltan yang sama dengan output, tetapi keupayaan arusnya tidak sama dengan transistor. Gegelung geganti yang menarik 100 mA secara stabil boleh menghasilkan arus sekejap dengan magnitud yang serupa apabila dimatikan; solenoid dengan induktans besar boleh menghasilkan lebih.

Bagi beban dengan induktans tinggi atau pensuisan kerap, diod luaran dengan kadaran arus yang lebih tinggi ialah perlindungan murah. Letakkannya merentasi beban, bukan merentasi pemacu, supaya gelung menjadi pendek.

8. Senarai semak penggantian

Susun atur dan pembumian

Pemacu membawa arus beban, bukan arus logik. Pastikan laluan pulangan untuk beban berasingan daripada bumi logik sehingga satu titik bintang sahaja, jika tidak arus pensuisan akan menaikkan rujukan logik dan menyebabkan pencetus palsu.

Letakkan sambungan COM hampir dengan pakej dan berikan jejak yang pendek serta lebar. Arus pengapit mengalir melalui pin itu pada setiap peristiwa pemutusan suis, dan jejak nipis menambah induktans yang menjadikan diod tidak berkesan.

Untuk pakej DIP, soket memudahkan prototaip tetapi menjadi risiko dalam pengeluaran. Soket menambah rintangan sentuhan dan induktans tepat di tempat arus pengapit mengalir.

Mod kegagalan biasa

Satu saluran mati.Biasanya sambungan COM yang tiada atau beban induktif tidak dikapit. Periksa bahagian beban dahulu, kemudian pemacu.

Semua saluran lemah.Biasanya pemacu input: logik 3.3 V ke komponen 10.5 kΩ, atau perintang siri ditambah secara tersilap. Ukur voltan input pada pin, bukan pada mikropengawal.

Pensuisan berselang-seli.Biasanya pembumian: pulangan beban berkongsi surih dengan pulangan logik, dan arus pensuisan menganjak rujukan.

9. Pelan ujian

Perbezaan sumber kedua ditunjukkan dalam voltan tepu pada arus asas rendah dan dalam susutan hadapan diod pengapit. Kedua-duanya dinyatakan dengan nilai minimum dan maksimum; bandingkan nilai maksimum, bukan nilai tipikal, apabila reka bentuk berjalan hampir dengan had.

Nota automotif dan industri

Varian gred Q dinyatakan untuk kegunaan automotif dan membawa kelayakan yang berkaitan. Ia bukan sekadar versi komponen standard yang dinilai mengikut suhu: dokumentasi kelayakan ialah sebahagian daripada produk.

Bagi reka bentuk industri, soalan yang relevan ialah suhu ambien di dalam selongsong dan bilangan saluran yang boleh dihidupkan secara serentak. Kedua-duanya ialah soalan terma, dan kedua-duanya dijawab melalui pengukuran dan bukan melalui penarafan setiap saluran dalam helaian data.

10. Kos dan bekalan

Ini ialah salah satu IC pemacu termurah di pasaran, jadi perbezaan harga antara sumber diukur dalam pecahan sen. Ketersediaan, pakej dan konsistensi sumber kedua lebih penting.

Sumber kedua adalah biasa dan secara amnya boleh diterima untuk kegunaan bukan automotif. Untuk automotif, gunakan varian gred Q dan sahkan dokumen kelayakan, kerana bahagian standard bukan pengganti kepada peranti AEC-Q100.

Kuantiti gegelung dan kod tarikh masih penting: gegelung stok lama yang murah tetapi disimpan dengan teruk boleh menelan kos lebih tinggi dalam kerja semula berbanding penjimatan kos bahagian itu.

Peraturan praktikal untuk penggantian: padankan bilangan saluran dan perintang masukan, sahkan diod pengapit adalah dalaman dan COM telah didawai, kemudian ukur voltan tepu pada arus beban anda dan periksa suhu pakej dengan setiap saluran yang akan hidup serentak. Segala-galanya adalah sekunder.

11. FAQ

Adakah ULN2004A pengganti terus untuk ULN2003A?

Ia sesuai dengan soket yang sama tetapi mempunyai perintang input yang jauh lebih besar. Dengan logik 3.3 V, output mungkin tidak tepu sepenuhnya. Semak arus input dan voltan tepu.

Bolehkah saya menggunakan ULN2803A sebagai ganti?

Tidak. Ia mempunyai lapan saluran serta pakej dan susun atur pin yang berbeza. Ia merupakan peningkatan fungsi, bukan pengganti.

Mengapakah saluran geganti saya gagal selepas beberapa minggu?

Biasanya pin COM tidak disambungkan, jadi diod pengapit dalaman tidak berfungsi dan lonjakan balik menjejaskan transistor output.

Bolehkah saya memacu LED daripada output ke bumi?

Tidak. Output menyerap arus ke bumi. Sambungkan LED daripada bekalan melalui perintang ke output.

Berapa banyak saluran boleh beroperasi pada 500 mA serentak?

Hanya satu, secara praktikal, disebabkan pelesapan pakej. Kurangkan kadar kuasa keseluruhan daripada mengira saluran, dan ukur suhu pakej dengan kepungan tertutup.

Adakah saya memerlukan diod luaran untuk geganti 24 V?

Bukan untuk voltan sahaja; diod dalaman dinilai untuk kelas 50 V. Tambah diod luaran jika arus beban atau lonjakan melebihi kadaran dalaman.

12. Sumber

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