1. Waarom dit onderdeel blijft bestaan

De ULN2003A is ontworpen om logica op laagspanning relais, lampen, solenoïden en kleine stappenmotoren te laten aansturen. Dat doet hij met zeven Darlington-paren, elk gespecificeerd om tot 500 mA bij 50 V te sinken, plus een diode per kanaal voor het clampen van inductieve kickback.

Aan die functie is niets veranderd. Microcontrollers leveren nog steeds 3.3 V, relais hebben nog steeds 12 V nodig, en ontwerpers willen nog steeds één onderdeel dat zeven belastingen aankan zonder externe componenten. Daarom staat dezelfde 16-pins behuizing op printplaten waarvan het ontwerp decennia uit elkaar ligt.

Het resultaat is een standaardonderdeel met een grote second-sourcemarkt en een handjevol varianten die er identiek uitzien en zich anders gedragen. De meeste vervangingsfouten komen voort uit die varianten.

2. Wat het onderdeel daadwerkelijk doet

Elk kanaal is een inverterend Darlington-paar met een open-collector-uitgang. Een logische hoog op de ingang schakelt de uitgangstransistor in, waardoor de uitgangspin naar massa wordt getrokken. De belasting wordt aangesloten tussen de positieve voeding en de uitgangspin.

Die schakeling is handig: de driver voert stroom af, zodat de belastingsspanning hoger kan zijn dan de logicavoeding, tot de 50 V-specificatie. Het betekent ook dat de uitgang geen stroom kan leveren — een detail dat van belang is wanneer iemand probeert een LED vanaf de uitgang naar massa aan te sturen.

De interne diode verbindt elke uitgang met de COM-pin. Wanneer een inductieve belasting wordt uitgeschakeld, klemt de diode de terugslag op de COM-rail in plaats van toe te laten dat deze de transistor vernielt. De COM-pin moet voor die werking op de belastingsvoeding worden aangesloten.

Waarom de saturatiespanning hoog is

Een Darlington-paar bestaat uit twee transistors in serie. De eerste stuurt de basis van de tweede aan, zodat de uitgang niet onder ongeveer twee basis-emitterovergangen kan satureren — circa 1,0–1,2 V bij matige stroom, en meer bij hogere stroom.

Dat is om twee redenen van belang. Elektrisch gezien ziet de belasting de voeding minus die spanning, dus een relaisspoel van 12 V krijgt feitelijk ongeveer 10,8 V. Thermisch gezien wordt de spanningval maal de stroom warmte in de behuizing: 200 mA bij 1,1 V is 0,22 W per kanaal.

Een enkele MOSFET zou een veel lagere spanningsval hebben, maar zou ook een gate-aansturing en een clampdiode nodig hebben. De Darlington ruilt efficiëntie in voor eenvoud, en die ruil is de reden dat dit onderdeel blijft voortbestaan.

3. Pinout en pincompatibiliteit

De omgekeerde volgorde van de uitgangen is een klassieke bron van bedradingsfouten. Pin 10 is kanaal 7 en pin 16 is kanaal 1, niet andersom.

4. De varianten die er identiek uitzien

Twee hiervan zijn echte pin-compatibele vervangers voor de ULN2003A: de ULN2003-varianten en de ULQ2003A. De ULN2004A is fysiek compatibel maar heeft een veel grotere ingangsweerstand, en de ULN2803A is een andere behuizing met een andere pinout.

Weerstandsberekening voor 1.8 V- en 3.3 V-logica

De ingangsstroom is ongeveer (Vin − 1.4 V) / R, waarbij de 1.4 V de twee basis-emitterovergangen van de Darlington zijn. Met een weerstand van 2.7 kΩ levert 3.3 V ongeveer 0.7 mA; 5 V levert ongeveer 1.3 mA. Beide zijn voldoende om de meeste kanalen te verzadigen.

Bij 1.8 V levert dezelfde weerstand slechts 0.15 mA, wat marginaal is voor volledige verzadiging onder belasting. Een ontwerp dat met 1.8 V-logica werkt, moet ofwel een driver met een kleinere ingangsweerstand gebruiken ofwel een pre-driver toevoegen.

De weerstand van 10.5 kΩ in de ULN2004A is ontworpen voor 6–15 V-logica, waarbij de hogere spanning de grotere weerstand compenseert. Gebruik bij 3.3 V is het omgekeerde van de beoogde toepassing.

5. De ingangsweerstand bepaalt het logische niveau

De ingang is een weerstand in serie met de basis van de Darlington. Met een weerstand van 2.7 kΩ stuurt een logische hoog van 3.3 V ruwweg 1 mA de basis in, wat voldoende is om het kanaal bij de nominale stroom te verzadigen. Met een weerstand van 10.5 kΩ levert dezelfde 3.3 V slechts ongeveer 0.3 mA — genoeg om de uitgang in te schakelen, maar niet altijd genoeg om deze onder belasting volledig verzadigd te houden.

Daarom bestaat de ULN2004A: hij is bedoeld voor logica met een hogere spanning, waarbij de grotere weerstand de stroom begrenst. Gebruik met 3.3 V-logica is geen directe vervanging, ook al past hij in de voet.

De praktische test is eenvoudig: sluit de bedoelde belasting aan en meet de uitgangsverzadigingsspanning. Een kanaal dat niet volledig verzadigd is, wordt heet en kan defect raken.

6. Uitgangslimieten en de thermische werkelijkheid

De 500 mA-specificatie geldt per kanaal en gaat ervan uit dat de andere kanalen niet allemaal tegelijk op volle stroom staan. De thermische weerstand van de behuizing is de werkelijke beperking.

Een DIP-16-behuizing met een bescheiden koperarea heeft een junctie-omgevingsweerstand in het bereik van 60–100 °C/W. Bij 1 W dissipatie stijgt de junctie 60–100 °C boven de omgeving. Dat is acceptabel bij 25 °C, marginaal bij 50 °C in een behuizing, en onmogelijk bij 70 °C.

De gebruikelijke oplossing is niet een andere driver — het is minder kanalen ingeschakeld, lagere stroom, of een externe MOSFET voor de zware belastingen.

Stappenmotoren en de klassieke 28BYJ-48

De meest voorkomende hobbytoepassing is een unipolaire stappenmotor zoals de 28BYJ-48, rechtstreeks aangestuurd vanuit vier kanalen. Elke spoel trekt enkele honderden milliampère, en de driver schakelt ze opeenvolgend.

Twee details bepalen of het betrouwbaar werkt. Ten eerste zijn de spoelen inductief, dus de COM-pin moet op de motervoeding worden aangesloten. Ten tweede is de stroom continu terwijl de motor zijn positie vasthoudt, dus de dissipatie in de behuizing is geen transiënt — het is het stationaire bedrijfspunt.

Als de motor blokkeert, stijgt de stroom tot de wikkelingslimiet en wordt de driver snel heet. Een ontwerp dat op de werkbank werkt maar in een hete behuizing faalt, is meestal een thermisch ontwerpprobleem, geen defect aan de driver.

Gebruik bij de berekening de saturatiespanning bij uw werkelijke stroom in plaats van de opgegeven hoofdwaarde uit de datasheet, die vaak bij een lagere stroom wordt vermeld. Bij 500 mA kan de spanningsval ruim boven 1 V liggen, en de dissipatie schaalt daarmee bij elke schakelgebeurtenis.

7. De COM-pin en inductieve belastingen

Voor relais, solenoïden en motoren moet de COM-pin worden aangesloten op de positieve voedingsspanning van de belasting, niet op logische massa. De interne diode klemt de inductieve terugslag dan op die rail.

Als COM zwevend wordt gelaten, doen de diodes niets en zien de uitgangen de volledige terugslagspanning. Het apparaat kan een paar gebeurtenissen overleven en daarna falen — vaak op een manier die lijkt op willekeurige uitval van een kanaal.

Voor belastingen boven de 50 V-specificatie of stromen boven de specificatie van de interne diode, voeg externe klemdiodes toe. De interne diodes zijn handig, maar niet onbeperkt.

De keuze tussen een Darlington-array en een MOSFET-driver komt neer op drie getallen: spanningsval, kanaalaantal en printplaatruimte. Een zevenkanaals Darlington in een 16-pins behuizing is moeilijk te verslaan wanneer de belastingen bescheiden zijn en het ontwerp eenvoud waardeert.

Wanneer 500 mA niet genoeg is

Boven ongeveer een halve ampère per kanaal is de Darlington-array niet meer de juiste keuze. De opties zijn discrete MOSFET's, een speciale low-side driver of een relaisdriver met een hogere nominale waarde.

Een MOSFET verlaagt de spanningsval tot tientallen millivolt en elimineert het grootste deel van het thermische probleem, ten koste van gate-aansturing en een externe klemdiode. Voor één zware belasting is dat meestal goedkoper dan kanalen parallel schakelen.

Kanalen parallel schakelen is mogelijk maar niet gratis: de twee Darlington-paren delen de stroom niet perfect en één ervan voert meer dan de andere. Een kleine emitterweerstand per kanaal kan het delen afdwingen, maar dat gaat ten koste van de eenvoud van het onderdeel.

De 50 V-specificatie is een absoluut maximum voor de uitgang, geen aanbevolen werkpunt voor continu gebruik. Een 24 V-relais met een 36 V-transiënt is prima; een 48 V-solenoïde met een 60 V-piek niet.

Specificaties van klemdiodes in de praktijk

De interne diode is gespecificeerd voor dezelfde spanningsklasse als de uitgang, maar de stroomcapaciteit ervan is niet gelijk aan die van de transistor. Een relaispoel die continu 100 mA opneemt, kan bij het uitschakelen kortstondig een stroom van vergelijkbare grootte produceren; een solenoïde met een grote inductie kan meer produceren.

Voor belastingen met een hoge inductie of frequent schakelen is een externe diode met een hogere nominale stroom een goedkope verzekering. Plaats deze over de belasting, niet over de driver, zodat de lus kort is.

8. Checklist voor vervanging

Lay-out en aarding

De driver voert laststroom, geen logicastroom. Houd het retourpad voor de lasten gescheiden van de logicagrond tot één enkel sterpunt, anders zal de schakelstroom de logicareferentie optillen en valse triggering veroorzaken.

Plaats de COM-aansluiting dicht bij de behuizing en geef deze een korte, brede baan. De clampstroom vloeit tijdens elke uitschakelgebeurtenis door die pin, en een dunne baan voegt inductantie toe die de diode tenietdoet.

Voor DIP-behuizingen is een IC-voetje handig voor prototypes en een risico in productie. Voetjes voegen contactweerstand en inductantie toe precies waar de clampstroom vloeit.

Veelvoorkomende faalmodi

Eén kanaal defect.Meestal een ontbrekende COM-aansluiting of een niet-geklemde inductieve last. Controleer eerst de lastzijde en dan de driver.

Alle kanalen zwak.Meestal de ingangsaansturing: 3.3 V-logica naar een 10.5 kΩ-component, of een per ongeluk toegevoegde serieweerstand. Meet de ingangsspanning aan de pin, niet bij de microcontroller.

Intermitterend schakelen.Meestal aarding: de retour van de belasting deelt een spoor met de retour van de logica, en schakelstroom verschuift de referentie.

9. Testplan

Verschillen tussen tweede bronnen komen tot uiting in de saturatiespanning bij lage basisstroom en in de doorlaatspanning van de clampdiode. Beide zijn gespecificeerd met minimum- en maximumwaarden; vergelijk de maximumwaarden, niet de typische waarden, wanneer het ontwerp dicht bij een limiet werkt.

Opmerkingen voor automotive en industriële toepassingen

De Q-grade-variant is gespecificeerd voor automotivegebruik en beschikt over de bijbehorende kwalificatie. Het is niet simpelweg een voor temperatuur gekwalificeerde versie van het standaardonderdeel: de kwalificatiedocumentatie maakt deel uit van het product.

Voor industriële ontwerpen zijn de relevante vragen de omgevingstemperatuur binnen de behuizing en het aantal kanalen dat gelijktijdig aan kan zijn. Beide zijn thermische vragen, en beide worden beantwoord door meting in plaats van door de per-kanaalspecificatie in de datasheet.

10. Kosten en levering

Dit is een van de goedkoopste driver-ICs op de markt, dus het prijsverschil tussen bronnen wordt gemeten in fracties van een cent. Beschikbaarheid, behuizing en consistentie van tweede bronnen zijn belangrijker.

Tweede bronnen zijn gebruikelijk en over het algemeen acceptabel voor niet-automotive gebruik. Voor automotive gebruikt u de Q-grade-variant en bevestigt u de kwalificatiedocumenten, omdat het standaardonderdeel geen vervanging is voor een AEC-Q100-component.

Hoeveelheden per reel en datumcodes blijven van belang: een goedkope reel oude voorraad die slecht is opgeslagen, kan meer kosten aan herwerk dan het onderdeel heeft bespaard.

De praktische regel voor een vervanging: stem het kanaalaantal en de ingangsweerstand af, controleer of de klemdioden intern zijn en COM is aangesloten, meet vervolgens de saturatiespanning bij uw belastingsstroom en controleer de behuizingstemperatuur met elk kanaal dat tegelijk aan zal zijn. Al het overige is secundair.

11. FAQ

Is de ULN2004A een drop-in voor de ULN2003A?

Hij past in dezelfde socket, maar heeft een veel grotere ingangsweerstand. Bij 3.3 V-logica kan de uitgang mogelijk niet volledig verzadigen. Controleer de ingangsstroom en de verzadigingsspanning.

Kan ik in plaats daarvan de ULN2803A gebruiken?

Nee. Hij heeft acht kanalen en een andere behuizing en pinout. Het is een functionele upgrade, geen vervanging.

Waarom begeeft mijn relaiskanaal het na een paar weken?

Meestal is de COM-pin niet aangesloten, zodat de interne klemdiode niets doet en de terugslag de uitgangstransistor aantast.

Kan ik een LED vanaf de uitgang naar massa aansturen?

Nee. De uitgang voert stroom naar massa af. Sluit de LED vanaf de voeding via een weerstand op de uitgang aan.

Hoeveel kanalen kunnen tegelijkertijd op 500 mA werken?

In de praktijk slechts één, vanwege de dissipatie van de behuizing. Verlaag het totale vermogen in plaats van kanalen te tellen, en meet de temperatuur van de behuizing met de kast gesloten.

Heb ik externe diodes nodig voor een 24 V-relais?

Niet alleen vanwege de spanning; de interne diodes zijn gespecificeerd voor de 50 V-klasse. Voeg externe diodes toe als de belastingsstroom of de piekstroom de interne nominale waarde overschrijdt.

12. Bronnen

• TI ULN2003A-productpagina:ti.com
• ST ULN2003-documentatie:st.com
• onsemi-driverportfolio:onsemi.com