1. Porque é que este componente se mantém

O ULN2003A foi concebido para permitir que a lógica de baixa tensão acione relés, lâmpadas, solenoides e pequenos motores de passo. Fá-lo com sete pares Darlington, cada um dimensionado para absorver até 500 mA a 50 V, além de um díodo por canal para limitar o retorno indutivo.

Nada nessa função mudou. Os microcontroladores continuam a produzir 3.3 V, os relés continuam a precisar de 12 V e os projetistas continuam a querer um único componente que controle sete cargas sem componentes externos. É por isso que o mesmo encapsulamento de 16 pinos aparece em placas concebidas com décadas de diferença.

O resultado é um componente de uso geral com um mercado alargado de segundas fontes e algumas variantes que parecem idênticas mas se comportam de forma diferente. A maioria dos erros de substituição deve-se a essas variantes.

2. O que o dispositivo faz realmente

Cada canal é um par Darlington inversor com uma saída de coletor aberto. Um nível lógico alto na entrada liga o transistor de saída, levando o pino de saída à massa. A carga é ligada entre a alimentação positiva e o pino de saída.

Esta configuração é conveniente: o driver absorve corrente, pelo que a tensão da carga pode ser superior à alimentação lógica, até ao valor nominal de 50 V. Também significa que a saída não pode fornecer corrente — um detalhe que é importante quando se tenta acionar um LED a partir da saída para a massa.

O díodo interno liga cada saída ao pino COM. Quando uma carga indutiva é desligada, o díodo limita a sobretensão de retorno ao barramento COM, em vez de a deixar destruir o transistor. Para que isso funcione, o pino COM tem de estar ligado à alimentação da carga.

Porque é que a tensão de saturação é elevada

Um par Darlington é constituído por dois transístores em série. O primeiro aciona a base do segundo, pelo que a saída não pode saturar abaixo de, aproximadamente, duas quedas base-emissor — cerca de 1.0–1.2 V com corrente moderada, e mais com corrente superior.

Isso é importante por duas razões. Eletricamente, a carga vê a alimentação menos essa tensão, pelo que uma bobina de relé de 12 V recebe, na realidade, cerca de 10.8 V. Termicamente, a queda multiplicada pela corrente transforma-se em calor dentro do encapsulamento: 200 mA a 1.1 V são 0.22 W por canal.

Um único MOSFET teria uma queda muito inferior, mas também necessitaria de um acionamento de gate e de um díodo de fixação. O Darlington troca eficiência por simplicidade, e é essa troca que explica a sobrevivência deste componente.

3. Pinagem e compatibilidade de pinos

A ordenação inversa das saídas é uma fonte clássica de erros de cablagem. O pino 10 é o canal 7 e o pino 16 é o canal 1, e não o contrário.

4. As variantes que parecem idênticas

Dois destes são verdadeiros substitutos compatíveis em pinagem para o ULN2003A: as variantes ULN2003 e o ULQ2003A. O ULN2004A é fisicamente compatível, mas tem uma resistência de entrada muito maior, e o ULN2803A é um encapsulamento diferente com uma pinagem diferente.

Cálculo de resistência para lógica de 1.8 V e 3.3 V

A corrente de entrada é aproximadamente (Vin − 1,4 V) / R, em que os 1,4 V correspondem às duas quedas base-emissor do Darlington. Com uma resistência de 2,7 kΩ, 3,3 V dá cerca de 0,7 mA; 5 V dá cerca de 1,3 mA. Ambos são suficientes para saturar a maioria dos canais.

A 1,8 V, a mesma resistência fornece apenas 0,15 mA, o que é marginal para uma saturação completa sob carga. Um projeto que funcione com lógica de 1,8 V deve usar um driver com uma resistência de entrada menor ou adicionar um pré-driver.

A resistência de 10,5 kΩ do ULN2004A foi concebida para lógica de 6–15 V, em que a tensão mais elevada compensa a maior resistência. Utilizá-la a 3,3 V é o inverso da sua aplicação prevista.

5. A resistência de entrada determina o nível lógico

A entrada é uma resistência em série com a base do Darlington. Com uma resistência de 2,7 kΩ, um nível lógico alto de 3,3 V injeta aproximadamente 1 mA na base, o que é suficiente para saturar o canal à corrente nominal. Com uma resistência de 10,5 kΩ, os mesmos 3,3 V produzem apenas cerca de 0,3 mA — suficiente para ligar a saída, mas nem sempre suficiente para a manter completamente saturada sob carga.

É por isso que o ULN2004A existe: destina-se a lógica de tensão mais elevada, em que a resistência maior limita a corrente. Utilizá-lo com lógica de 3,3 V não é uma substituição direta, embora encaixe no socket.

O teste prático é simples: ligue a carga pretendida e meça a tensão de saturação da saída. Um canal que não está totalmente saturado aquece e pode falhar.

6. Limites de saída e realidade térmica

O valor nominal de 500 mA é por canal e pressupõe que os outros não estão todos com corrente máxima ao mesmo tempo. A resistência térmica do encapsulamento é a verdadeira restrição.

Um encapsulamento DIP-16 com uma área de cobre modesta tem uma resistência junção-ambiente na ordem de 60–100 °C/W. Com uma dissipação de 1 W, a junção sobe 60–100 °C acima da temperatura ambiente. Isso é aceitável a 25 °C, marginal a 50 °C dentro de um invólucro e impossível a 70 °C.

A solução habitual não é um driver diferente — é ter menos canais ligados, menor corrente ou um MOSFET externo para as cargas mais pesadas.

Motores passo a passo e o clássico 28BYJ-48

A aplicação amadora mais comum é um motor de passo unipolar como o 28BYJ-48, acionado diretamente por quatro canais. Cada bobina consome algumas centenas de miliamperes, e o driver comuta-as em sequência.

Dois detalhes determinam se funciona de forma fiável. Primeiro, as bobinas são indutivas, pelo que o pino COM tem de estar ligado à alimentação do motor. Segundo, a corrente é contínua enquanto o motor mantém a posição, pelo que a dissipação do encapsulamento não é transitória — é o ponto de funcionamento em regime permanente.

Se o motor bloquear, a corrente sobe até ao limite do enrolamento e o driver aquece rapidamente. Um projeto que funciona na bancada mas falha num invólucro quente é normalmente um problema de projeto térmico, não um defeito do driver.

Ao calcular, utilize a tensão de saturação para a sua corrente real em vez do valor de destaque da ficha técnica, que é frequentemente indicado para uma corrente inferior. A 500 mA, a queda pode ser bem superior a 1 V, e a dissipação aumenta proporcionalmente com ela durante cada evento de comutação.

7. O pino COM e cargas indutivas

Para relés, solenoides e motores, o pino COM deve ligar-se à alimentação positiva da carga, e não à massa lógica. O díodo interno passa então a fixar o retorno indutivo a essa linha de alimentação.

Se o COM ficar flutuante, os díodos não fazem nada e as saídas ficam sujeitas à tensão de retorno indutivo total. O dispositivo pode sobreviver a alguns eventos e depois falhar — muitas vezes de uma forma que parece uma falha aleatória de um canal.

Para cargas acima da tensão nominal de 50 V ou correntes acima da corrente nominal do díodo interno, adicione díodos de limitação externos. Os internos são convenientes, não ilimitados.

A escolha entre uma matriz Darlington e um driver MOSFET resume-se a três números: queda de tensão, número de canais e espaço na placa. Um Darlington de sete canais num encapsulamento de 16 pinos é difícil de bater quando as cargas são moderadas e o projeto privilegia a simplicidade.

Quando 500 mA não é suficiente

Acima de cerca de meio ampere por canal, a matriz Darlington deixa de ser a resposta correta. As opções são MOSFETs discretos, um driver de lado baixo dedicado ou um driver de relé com uma capacidade nominal superior.

Um MOSFET reduz a queda de tensão para dezenas de milivolts e elimina a maior parte do problema térmico, à custa do acionamento da gate e de um díodo de clamp externo. Para uma única carga elevada, isso é normalmente mais barato do que colocar canais em paralelo.

Colocar canais em paralelo é possível, mas não é gratuito: os dois pares Darlington não partilham a corrente de forma perfeita e um suporta mais do que o outro. Uma pequena resistência de emissor por canal pode forçar a partilha, o que anula a simplicidade do componente.

A classificação de 50 V é um máximo absoluto para a saída, não um ponto de funcionamento recomendado para uso contínuo. Um relé de 24 V com um transitório de 36 V é aceitável; um solenoide de 48 V com um pico de 60 V não é.

Classificações dos díodos de clamp na prática

O díodo interno está classificado para a mesma classe de tensão que a saída, mas a sua capacidade de corrente não é a mesma do transistor. Uma bobina de relé que consome 100 mA em regime permanente pode produzir uma corrente breve de magnitude semelhante quando é desligada; um solenoide com uma indutância elevada pode produzir mais.

Para cargas com indutância elevada ou comutação frequente, um díodo externo com uma classificação de corrente superior é um seguro barato. Coloque-o em paralelo com a carga, não com o driver, para que a malha seja curta.

8. Lista de verificação de substituição

Layout e ligação à terra

O driver transporta corrente de carga, não corrente de lógica. Mantenha o caminho de retorno das cargas separado da massa de lógica até um único ponto estrela, caso contrário a corrente de comutação irá elevar a referência de lógica e provocar disparos falsos.

Coloque a ligação COM próxima do encapsulamento e dê-lhe uma pista curta e larga. A corrente de clamp flui através desse pino em cada evento de desligamento, e uma pista fina acrescenta indutância que compromete o díodo.

Para encapsulamentos DIP, um socket é conveniente para protótipos e um risco em produção. Os sockets acrescentam resistência de contacto e indutância exatamente onde flui a corrente de clamp.

Modos de falha comuns

Um canal avariado.Normalmente, uma ligação COM em falta ou uma carga indutiva sem clamp. Verifique primeiro o lado da carga e depois o driver.

Todos os canais fracos.Normalmente, o acionamento da entrada: lógica de 3.3 V numa peça de 10.5 kΩ, ou uma resistência em série adicionada por engano. Meça a tensão de entrada no pino, não no microcontrolador.

Comutação intermitente.Normalmente, ligação à terra: o retorno da carga partilha uma pista com o retorno da lógica, e a corrente de comutação desloca a referência.

9. Plano de ensaio

As diferenças entre fontes alternativas manifestam-se na tensão de saturação com corrente de base baixa e na queda de tensão direta do díodo de fixação. Ambas são especificadas com valores mínimos e máximos; compare os máximos, não os típicos, quando o projeto opera próximo de um limite.

Notas para aplicações automóveis e industriais

A variante de grau Q é especificada para uso automóvel e possui a qualificação correspondente. Não é simplesmente uma versão do componente padrão com classificação de temperatura: a documentação de qualificação faz parte do produto.

Para projetos industriais, as questões relevantes são a temperatura ambiente no interior do invólucro e o número de canais que podem estar ligados simultaneamente. Ambas são questões térmicas e ambas são respondidas por medição, e não pela classificação por canal da folha de dados.

10. Custo e fornecimento

Este é um dos CI de driver mais baratos do mercado, pelo que a diferença de preço entre fornecedores mede-se em frações de cêntimo. A disponibilidade, o encapsulamento e a consistência das segundas fontes são mais importantes.

As segundas fontes são comuns e geralmente aceitáveis para uso não automóvel. Para automóvel, utilize a variante de grau Q e confirme os documentos de qualificação, porque a peça padrão não substitui um dispositivo AEC-Q100.

As quantidades por bobina e os códigos de data continuam a ser importantes: uma bobina barata de stock antigo que foi mal armazenado pode custar mais em retrabalho do que o valor poupado na peça.

A regra prática para uma substituição: igualar o número de canais e a resistência de entrada, confirmar que os díodos de fixação são internos e que o COM está ligado, depois medir a tensão de saturação à corrente de carga e verificar a temperatura do encapsulamento com todos os canais que estarão ligados ao mesmo tempo. Tudo o resto é secundário.

11. FAQ

O ULN2004A é um substituto direto do ULN2003A?

Encaixa no mesmo socket, mas tem uma resistência de entrada muito maior. Com lógica de 3,3 V, a saída pode não saturar completamente. Verifique a corrente de entrada e a tensão de saturação.

Posso usar o ULN2803A em alternativa?

Não. Tem oito canais e um encapsulamento e uma disposição dos pinos diferentes. É uma atualização funcional, não um substituto.

Porque é que o meu canal de relé falha após algumas semanas?

Normalmente, o pino COM não está ligado, pelo que o díodo de fixação interno não faz nada e a tensão de retorno indutiva degrada o transistor de saída.

Posso acionar um LED a partir da saída para a massa?

Não. A saída drena corrente para a massa. Ligue o LED da alimentação, através de uma resistência, à saída.

Quantos canais podem funcionar a 500 mA em simultâneo?

Apenas um, na prática, devido à dissipação do encapsulamento. Reduza a potência total em vez de contar canais, e meça a temperatura do encapsulamento com o invólucro fechado.

Preciso de díodos externos para um relé de 24 V?

Não apenas pela tensão; os díodos internos têm classificação para a classe de 50 V. Adicione díodos externos se a corrente de carga ou o pico exceder a classificação interna.

12. Fontes

• Página do produto TI ULN2003A:ti.com
• Documentação ST ULN2003:st.com
• Portefólio de drivers da onsemi:onsemi.com