1. Vì sao linh kiện này vẫn tồn tại

ULN2003A được thiết kế để cho phép logic điện áp thấp điều khiển relay, đèn, solenoid và động cơ bước nhỏ. Nó làm được điều đó với bảy cặp Darlington, mỗi cặp có khả năng hút dòng lên tới 500 mA ở 50 V, cộng với một diode trên mỗi kênh để kẹp xung điện áp ngược do tải cảm ứng.

Chức năng đó không có gì thay đổi. Vi điều khiển vẫn xuất 3.3 V, relay vẫn cần 12 V, và các nhà thiết kế vẫn muốn một linh kiện xử lý bảy tải mà không cần linh kiện ngoài. Đó là lý do cùng một vỏ 16 chân vẫn xuất hiện trên các bo mạch được thiết kế cách nhau hàng thập kỷ.

Kết quả là một linh kiện phổ thông với thị trường nguồn cung thứ hai rộng lớn và một số biến thể trông giống hệt nhau nhưng hoạt động khác nhau. Hầu hết lỗi thay thế đều đến từ những biến thể đó.

2. Thiết bị thực sự làm gì

Mỗi kênh là một cặp Darlington đảo với đầu ra open-collector. Mức logic cao ở đầu vào bật transistor đầu ra, kéo chân đầu ra xuống mass. Tải được kết nối giữa nguồn dương và chân đầu ra.

Cách bố trí đó thuận tiện: driver hút dòng, nên điện áp tải có thể cao hơn nguồn logic, lên đến mức định mức 50 V. Điều đó cũng có nghĩa là đầu ra không thể cấp dòng — một chi tiết quan trọng khi ai đó cố gắng điều khiển một LED từ đầu ra xuống mass.

Diode bên trong kết nối mỗi đầu ra với chân COM. Khi tắt một tải cảm ứng, diode kẹp xung kickback vào thanh COM thay vì để nó phá hủy transistor. Chân COM phải được kết nối với nguồn cấp của tải để điều đó hoạt động.

Vì sao điện áp bão hòa cao

Một cặp Darlington là hai transistor mắc nối tiếp. Transistor thứ nhất điều khiển cực base của transistor thứ hai, nên đầu ra không thể bão hòa dưới xấp xỉ hai lần sụt áp base-emitter — khoảng 1.0–1.2 V ở dòng trung bình, và nhiều hơn ở dòng cao hơn.

Điều đó quan trọng vì hai lý do. Về mặt điện, tải nhận được nguồn cấp trừ đi điện áp đó, nên cuộn dây relay 12 V thực tế nhận được khoảng 10.8 V. Về mặt nhiệt, sụt áp nhân với dòng điện trở thành nhiệt bên trong gói linh kiện: 200 mA ở 1.1 V là 0.22 W mỗi kênh.

Một MOSFET đơn sẽ có mức sụt áp thấp hơn nhiều, nhưng nó cũng cần mạch điều khiển cổng và một diode kẹp. Darlington đánh đổi hiệu suất để lấy sự đơn giản, và chính sự đánh đổi đó là lý do linh kiện này vẫn tồn tại.

3. Sơ đồ chân và khả năng tương thích chân

Thứ tự đảo ngược của các đầu ra là nguyên nhân kinh điển gây lỗi đấu dây. Chân 10 là kênh 7 và chân 16 là kênh 1, không phải ngược lại.

4. Những biến thể trông giống hệt nhau

Hai trong số này là các sản phẩm thay thế tương thích chân thực sự cho ULN2003A: các biến thể ULN2003 và ULQ2003A. ULN2004A tương thích về mặt vật lý nhưng có điện trở đầu vào lớn hơn nhiều, và ULN2803A là một vỏ khác với sơ đồ chân khác.

Tính toán điện trở cho logic 1.8 V và 3.3 V

Dòng điện đầu vào xấp xỉ (Vin − 1.4 V) / R, trong đó 1.4 V là hai mức sụt base-emitter của Darlington. Với điện trở 2.7 kΩ, 3.3 V cho khoảng 0.7 mA; 5 V cho khoảng 1.3 mA. Cả hai đều đủ để bão hòa hầu hết các kênh.

Ở 1.8 V, cùng điện trở đó chỉ cho 0.15 mA, mức này chỉ ở giới hạn cho bão hòa hoàn toàn dưới tải. Một thiết kế chạy logic 1.8 V nên hoặc dùng driver có điện trở đầu vào nhỏ hơn hoặc thêm pre-driver.

Điện trở 10.5 kΩ của ULN2004A được thiết kế cho logic 6–15 V, nơi điện áp cao hơn bù cho điện trở lớn hơn. Dùng nó ở 3.3 V là ngược với ứng dụng dự định của nó.

5. Điện trở đầu vào quyết định mức logic

Đầu vào là một điện trở mắc nối tiếp với base của Darlington. Với điện trở 2.7 kΩ, mức cao logic 3.3 V đưa khoảng 1 mA vào base, đủ để bão hòa kênh ở dòng định mức. Với điện trở 10.5 kΩ, cùng 3.3 V chỉ tạo ra khoảng 0.3 mA — đủ để bật đầu ra, nhưng không phải lúc nào cũng đủ để giữ nó bão hòa hoàn toàn dưới tải.

Đó là lý do ULN2004A tồn tại: nó được dành cho logic điện áp cao hơn, nơi điện trở lớn hơn hạn chế dòng. Dùng nó với logic 3.3 V không phải là thay thế trực tiếp, mặc dù nó vừa với đế cắm.

Bài kiểm tra thực tế rất đơn giản: kết nối tải dự định và đo điện áp bão hòa đầu ra. Một kênh không bão hòa hoàn toàn sẽ chạy nóng và có thể hỏng.

6. Giới hạn đầu ra và thực tế nhiệt

Định mức 500 mA là cho mỗi kênh và giả định các kênh khác không đồng thời ở dòng điện đầy đủ. Nhiệt trở của vỏ là ràng buộc thực sự.

Một gói DIP-16 với diện tích đồng khiêm tốn có điện trở nhiệt từ mối nối đến môi trường trong khoảng 60–100 °C/W. Ở công suất tiêu tán 1 W, mối nối tăng 60–100 °C so với môi trường. Điều đó chấp nhận được ở 25 °C, ở mức cận biên ở 50 °C bên trong vỏ, và không thể ở 70 °C.

Cách khắc phục thông thường không phải là một bộ điều khiển khác — mà là bật ít kênh hơn, dòng điện thấp hơn, hoặc một MOSFET ngoài cho các tải nặng.

Động cơ bước và mẫu kinh điển 28BYJ-48

Ứng dụng phổ biến nhất cho người yêu thích là động cơ bước đơn cực như 28BYJ-48, được điều khiển trực tiếp từ bốn kênh. Mỗi cuộn dây tiêu thụ vài trăm miliampe, và bộ điều khiển lần lượt đóng cắt chúng.

Hai chi tiết quyết định liệu nó có hoạt động đáng tin cậy hay không. Thứ nhất, các cuộn dây có tính cảm, vì vậy chân COM phải được nối với nguồn cấp cho động cơ. Thứ hai, dòng điện là liên tục khi động cơ giữ vị trí, vì vậy công suất tiêu tán của gói không phải là quá độ — mà là điểm làm việc xác lập.

Nếu động cơ bị kẹt, dòng điện tăng đến giới hạn của cuộn dây và bộ điều khiển nóng lên nhanh chóng. Một thiết kế hoạt động trên bàn thử nhưng hỏng trong vỏ nóng thường là vấn đề thiết kế nhiệt, không phải lỗi bộ điều khiển.

Khi tính toán, hãy dùng điện áp bão hòa tại dòng điện thực tế của bạn thay vì con số nổi bật trong datasheet, vốn thường được ghi ở dòng điện thấp hơn. Ở 500 mA, mức sụt áp có thể cao hơn đáng kể so với 1 V, và công suất tiêu tán tỉ lệ với nó trong mỗi lần chuyển mạch.

7. Chân COM và tải cảm ứng

Đối với rơ-le, solenoid và động cơ, chân COM phải được nối với nguồn dương của tải, không phải với mass logic. Khi đó diode nội sẽ kẹp xung kickback cảm ứng vào đường nguồn đó.

Nếu COM bị để trôi, các diode không làm gì cả và đầu ra phải chịu toàn bộ điện áp kickback. Thiết bị có thể chịu được vài sự kiện rồi hỏng — thường theo kiểu trông như một kênh chết ngẫu nhiên.

Đối với tải vượt định mức 50 V hoặc dòng điện vượt định mức của diode nội, hãy thêm diode kẹp ngoài. Các diode nội tiện lợi, nhưng không phải vô hạn.

Việc chọn giữa mảng Darlington và driver MOSFET quy về ba con số: độ sụt áp, số kênh và không gian trên board. Một mảng Darlington bảy kênh trong vỏ 16 chân rất khó bị đánh bại khi tải khiêm tốn và thiết kế coi trọng sự đơn giản.

Khi 500 mA là không đủ

Trên khoảng nửa ampe mỗi kênh, mảng Darlington không còn là lựa chọn đúng. Các lựa chọn là MOSFET rời, driver low-side chuyên dụng, hoặc driver relay có định mức cao hơn.

MOSFET giảm độ sụt áp xuống hàng chục milivôn và loại bỏ phần lớn vấn đề nhiệt, đổi lại cần mạch điều khiển cổng và diode kẹp ngoài. Đối với một tải nặng duy nhất, điều đó thường rẻ hơn so với ghép song song các kênh.

Ghép song song các kênh là khả thi nhưng không miễn phí: hai cặp Darlington không chia dòng hoàn hảo, và một cặp mang dòng nhiều hơn cặp kia. Một điện trở emitter nhỏ cho mỗi kênh có thể buộc chia dòng, nhưng điều đó làm mất đi sự đơn giản của linh kiện.

Định mức 50 V là cực đại tuyệt đối cho đầu ra, không phải điểm làm việc khuyến nghị để sử dụng liên tục. Một relay 24 V với quá độ 36 V là ổn; một solenoid 48 V với xung nhọn 60 V thì không.

Định mức diode kẹp trong thực tế

Diode bên trong được định mức cho cùng cấp điện áp với đầu ra, nhưng khả năng chịu dòng của nó không giống như của transistor. Một cuộn dây rơ-le tiêu thụ 100 mA ổn định có thể tạo ra dòng điện ngắn hạn có độ lớn tương đương khi bị ngắt; một solenoid có điện cảm lớn có thể tạo ra dòng lớn hơn.

Đối với tải có điện cảm cao hoặc đóng cắt thường xuyên, một diode ngoài có định mức dòng cao hơn là biện pháp bảo vệ rẻ tiền. Hãy đặt nó song song với tải, không phải song song với driver, để vòng dây ngắn.

8. Danh sách kiểm tra thay thế

Bố trí và nối đất

Trình điều khiển mang dòng tải, không mang dòng logic. Giữ đường hồi cho các tải tách biệt khỏi mass logic cho đến một điểm sao duy nhất, nếu không dòng chuyển mạch sẽ nâng tham chiếu logic và gây kích hoạt giả.

Đặt kết nối COM gần vỏ linh kiện và tạo cho nó một đường mạch ngắn, rộng. Dòng kẹp chạy qua chân đó trong mỗi sự kiện tắt, và một đường mạch mảnh làm tăng độ tự cảm, vô hiệu hóa diode.

Với vỏ DIP, đế cắm tiện cho mẫu thử nhưng là rủi ro trong sản xuất. Đế cắm làm tăng điện trở tiếp xúc và độ tự cảm đúng tại nơi dòng kẹp chạy qua.

Các chế độ hỏng thường gặp

Một kênh bị chết.Thường là thiếu kết nối COM hoặc tải cảm không được kẹp. Kiểm tra phía tải trước, sau đó đến trình điều khiển.

Tất cả các kênh đều yếu.Thường là do mức điều khiển đầu vào: logic 3.3 V đưa vào linh kiện 10.5 kΩ, hoặc do vô tình thêm một điện trở nối tiếp. Hãy đo điện áp đầu vào tại chân, không phải tại vi điều khiển.

Chuyển mạch chập chờn.Thường là do nối đất: đường hồi tải dùng chung một đường mạch với đường hồi logic, và dòng điện chuyển mạch làm lệch mốc tham chiếu.

9. Kế hoạch kiểm thử

Sự khác biệt giữa các nguồn thay thế thể hiện ở điện áp bão hòa tại dòng base thấp và ở độ sụt áp thuận của diode kẹp. Cả hai đều được chỉ định với giá trị tối thiểu và tối đa; hãy so sánh giá trị tối đa, không phải giá trị điển hình, khi thiết kế chạy gần giới hạn.

Ghi chú cho ô tô và công nghiệp

Biến thể cấp Q được chỉ định cho sử dụng trên ô tô và có chứng nhận tương ứng. Đây không đơn thuần là phiên bản định mức nhiệt độ của linh kiện tiêu chuẩn: hồ sơ chứng nhận là một phần của sản phẩm.

Đối với thiết kế công nghiệp, các câu hỏi liên quan là nhiệt độ môi trường bên trong vỏ và số kênh có thể bật đồng thời. Cả hai đều là câu hỏi về nhiệt, và cả hai đều được trả lời bằng đo đạc thay vì bằng định mức trên mỗi kênh trong bảng dữ liệu.

10. Chi phí và nguồn cung

Đây là một trong những IC driver rẻ nhất trên thị trường, vì vậy chênh lệch giá giữa các nguồn chỉ được tính bằng phần nhỏ của một xu. Tính sẵn có, kiểu đóng gói và độ nhất quán của nguồn thứ hai quan trọng hơn.

Nguồn thứ hai là phổ biến và thường được chấp nhận cho sử dụng phi ô tô. Đối với ô tô, hãy dùng biến thể Q-grade và xác nhận tài liệu chứng nhận, vì linh kiện tiêu chuẩn không thể thay thế cho thiết bị AEC-Q100.

Số lượng cuộn và mã ngày vẫn quan trọng: một cuộn hàng tồn cũ giá rẻ được bảo quản kém có thể tốn chi phí làm lại nhiều hơn phần tiết kiệm được từ linh kiện.

Quy tắc thực tế khi thay thế: khớp số kênh và điện trở đầu vào, xác nhận diode kẹp là loại bên trong và COM đã được đấu dây, sau đó đo điện áp bão hòa tại dòng tải của bạn và kiểm tra nhiệt độ vỏ với mọi kênh sẽ cùng bật. Mọi thứ khác là thứ yếu.

11. FAQ

ULN2004A có thể thay thế trực tiếp cho ULN2003A không?

Nó vừa cùng đế cắm nhưng có điện trở đầu vào lớn hơn nhiều. Với logic 3.3 V, đầu ra có thể không bão hòa hoàn toàn. Hãy kiểm tra dòng điện đầu vào và điện áp bão hòa.

Tôi có thể dùng ULN2803A thay thế được không?

Không. Nó có tám kênh và kiểu đóng gói cùng sơ đồ chân khác. Đây là một nâng cấp chức năng, không phải là bản thay thế.

Tại sao kênh relay của tôi lại hỏng sau vài tuần?

Thông thường chân COM không được nối, nên diode kẹp bên trong không có tác dụng và xung ngược làm suy giảm transistor đầu ra.

Có thể điều khiển một LED từ đầu ra xuống mass không?

Không. Đầu ra sink dòng về mass. Hãy nối LED từ nguồn cấp qua một điện trở đến đầu ra.

Có bao nhiêu kênh có thể chạy đồng thời ở 500 mA?

Trên thực tế chỉ một kênh, do công suất tiêu tán của package. Hãy giảm định mức tổng công suất thay vì đếm số kênh, và đo nhiệt độ package khi đóng kín vỏ.

Tôi có cần diode ngoài cho rơ-le 24 V không?

Không chỉ vì điện áp; các diode bên trong được định mức cho lớp 50 V. Thêm diode ngoài nếu dòng tải hoặc xung vượt quá định mức bên trong.

12. Nguồn tham khảo

• Trang sản phẩm TI ULN2003A:ti.com
• Tài liệu ST ULN2003:st.com
• Danh mục driver của onsemi:onsemi.com