ULN2003A-Relais-Treiber: Sättigungsspannung, Freilauf und thermisches Budget

Sieben Darlington-Paare in einem Gehäuse sehen wie sieben kostenlose Relais-Treiber aus. Das sind sie nicht: Jeder Kanal hat einen Spannungsabfall von 0,9–1,6 V, und das Gehäuse hat ein einziges thermisches Budget für alle.

1. Was das Bauteil ist

2. Die Sättigungsspannung ist die Designrestriktion

Der ULN2003A ist in PDIP-, SOIC-, SOP-, TSSOP- und SOT-Gehäusen erhältlich, alle mit 16 Pins und identischem Pinout. Das Gehäuse ändert nur den Wärmewiderstand — das Die und der Darlington-Spannungsabfall sind gleich. Das ist praktisch für das Layout und gefährlich für thermische Annahmen: Ein SOT-16-Ersatz für ein PDIP-16 ist aus thermischer Sicht kein Drop-in-Ersatz.

Der 2.7-kΩ-Eingang ist das, was ihn „logikompatibel“ macht. Der ULN2004A verwendet 10.5 kΩ für CMOS bei 6–15 V, und der ULN2002A fügt eine Zenerdiode für 14–25 V PMOS-Ansteuerung hinzu. Eine Verwechslung ist ein häufiger BOM-Fehler: Der 2004A benötigt mehr Eingangsspannung, der 2002A erwartet einen höheren Ansteuerpegel.

Der Darlington-Ausgang besteht aus zwei VBE-Abfällen plus der Sättigung des Treibers, und das Datenblatt gibt drei Strompunkte an:

Dieser Abfall erscheint direkt in Reihe mit der Last. Für ein 5-V-Relais, das 80 mA zieht:

Vcoil = 5.0 - 0.9 = 4.1 V
Pchannel = 0.9 x 0.08 = 0.072 W

Ein für 5 V spezifiziertes Relais hat typischerweise eine Must-operate-Spannung von etwa 3.5–3.75 V, sodass 4.1 V funktionieren. Prüfen Sie jedoch den Must-operate-Wert, nicht die Nennspulenspannung: Ein Relais mit einer Schwelle von 4.2 V wird an einer 5-V-Versorgung über dieses Bauteil flattern.

Darlington- versus MOSFET-Spannungsabfall in Zahlen

Der Grund, warum man den ULN2003A noch verwendet, ist die Bequemlichkeit: ein Bauteil, sieben Kanäle, integrierte Clamps, Widerstandseingänge. Der Grund, warum man ihn ersetzt, ist der Spannungsabfall.

Bei Relaisströmen ist der Unterschied tolerierbar; bei Magnetventil- oder Motorströmen entscheidet er über die Topologie. Ein 350-mA-Kanal bei 1.2 V verliert 0.42 W in einem Gehäuse mit einem Budget von 0.96 W — zwei solche Kanäle und der Chip ist an seiner thermischen Grenze, während dieselbe Last über einen 0.1-Ω-FET nur 12 mW dissipieren würde.

3. Thermik: ein Budget für sieben Kanäle

Der thermische Widerstand des Gehäuses ist die zweite Einschränkung, und er wird geteilt:

7 Kanäle x 80 mA x 0.9 V = 0.50 W
SOIC-16: 0.50 x 88.6 = 44 K -> Tj = 84 °C bei 40 °C Umgebung
SOT-16:  0.50 x 123.1 = 62 K -> Tj = 102 °C

Bei 80 mA können alle sieben Kanäle gleichzeitig betrieben werden, selbst im SOT-16. Das ändert sich bei höherem Strom:

350 mA, VCE 1.2 V: 0.42 W pro Kanal
SOIC-16-Budget 0.96 W -> 2 Kanäle, nicht 7

Zwei Derating-Praktiken machen die Tabelle in der Praxis nützlich. Erstens: Verwenden Sie die höchste Umgebungstemperatur, die das Produkt in seinem Gehäuse sehen wird, nicht die Labortemperatur – ein geschlossenes Gehäuse fügt 15–20 °C hinzu. Zweitens: Wenn die Ausgänge kontinuierlich schalten (Relais dauerhaft angezogen), behandeln Sie die Verlustleistung als stationär; wenn sie gepulst werden, verwenden Sie stattdessen die transiente thermische Impedanzkurve, die höhere Spitzenleistung für kurze Einschaltdauern zulässt.

4. Ansteuerung des Eingangs mit 3.3 V

Der 2.7-kΩ-Vorwiderstand legt den Eingangsstrom fest, der die Basis-Ansteuerung bestimmt:

Iin ≈ (Vlogic - 1.4 V) / 2.7 kOhm

3.3 V: 0.70 mA
5.0 V: 1.33 mA
1.8 V: 0.15 mA

Ein Darlington mit etwa 1000 hFE wandelt 0.7 mA in einen ausreichenden Kollektorstrom um. Bei 1.8 V sinkt der Eingangsstrom auf 0.15 mA, was eine 500-mA-Last möglicherweise nicht sättigen kann – der Transistor funktioniert, aber im linearen Bereich, und er erwärmt sich.

Zwei praktische Hinweise. Erstens: Der Eingang ist ein Widerstand zur Darlington-Basis, daher sieht ein 3.3-V-GPIO etwa 0.7 mA — gut innerhalb jedes MCU-Pins. Zweitens: Der Eingang hat keinen Pull-down; wenn der treibende Pin während des Resets hochohmig wird, kann der Ausgang einschalten. Fügen Sie für alles, was ausgeschaltet bleiben muss, am Eingang einen 10 kΩ Pull-down hinzu.

Die Schaltgeschwindigkeit ist nicht die Stärke

Der ULN2003A schaltet in wenigen Mikrosekunden ein und aus, nicht in Nanosekunden. Das ist in Ordnung für Relais und Lampen und falsch für PWM-Helligkeitssteuerung oder Mikroschrittbetrieb von Schrittmotoren bei hohen Raten.

Wenn Sie PWM benötigen, sind die Optionen ein Logic-Level-MOSFET (schnell, aber ohne Clamp-Diode) oder ein dedizierter Treiber-IC. Ein 20 kHz PWM-Signal auf einen ULN2003A zu geben erzeugt einen langsamen, verlustbehafteten Übergang und hörbare Geräusche von der Last.

5. Der COM-Pin und induktive Lasten

Jeder Ausgang hat eine Klemmdiode, deren Kathode am COM-Pin liegt. Die Dioden funktionieren nur, wenn COM an dieselbe Versorgung wie die Last angeschlossen ist:

Die Klemmspannung ist die Versorgung plus ein Diodenabfall, daher wird eine 12-V-Spule auf nahe 13.2 V geklemmt — sicher für einen 50-V-Ausgang. Der Strom zirkuliert durch Spule und Diode, bis er abklingt; der Treiber sieht nur den Spannungsabfall über den Spulenwiderstand.

Wenn COM an eine 5-V-Schiene gelegt wird, während die Spule mit 12 V betrieben wird, wird die Diode durch den Fehler in Sperrrichtung vorgespannt und tut nichts. Dies ist ein häufiger Verdrahtungsfehler auf Platinen mit mehreren Versorgungsschienen, und das Symptom ist ein Treiber, der nur auf dem Kanal mit dem 12-V-Relais ausfällt.

Gemischte Versorgungen in einem Gehäuse

Die Klemmdioden teilen sich eine gemeinsame Kathode, daher muss COM jedes Kanals den Strom aus seiner eigenen Spulenversorgung aufnehmen können. Wenn ein Gehäuse sowohl 5-V- als auch 12-V-Relais treibt, kann COM nicht über die internen Dioden an beide Schienen angeschlossen werden.

Zwei akzeptable Lösungen: separate Gehäuse pro Versorgungsschiene verwenden oder externe Klemmdioden pro Kanal hinzufügen und COM unverbunden lassen (oder es an die höchste Schiene anschließen und akzeptieren, dass die Kanäle der niedrigeren Schiene nicht mehr intern klemmen). Die erste ist einfacher und billiger, als einen zerstörten Treiber zu debuggen.

Das ist auch der Grund, warum Relaisplatten Ausgänge oft nach Spulenspannung statt nach Funktion gruppieren: Das Gehäuse ist eine gemeinsame thermische und elektrische Domäne, nicht sieben unabhängige Treiber.

6. Was im Feld ausfällt

Fall 1: Relaisflattern auf einer 5-V-Schiene

Das Relais zieht an, die Spule erwärmt sich, der Widerstand steigt, die Spannung über der Spule fällt und der Anker fällt ab. Der Treiber ist unschuldig; der Spannungsabfall von 0.9 V hat die Reserve aufgehoben. Prüfen Sie die Anzug- und Abfallspannungen des Relais, nicht nur "5-V-Spule".

Fall 2: "der ULN wird bei nur zwei Relais heiß"

Zwei 12-V-Relais mit je 120 mA: 2 × 0.12 × 1.0 = 0.24 W — nicht heiß. Die übliche tatsächliche Ursache ist ein dritter Kanal, der eine nicht berücksichtigte Last treibt, oder ein Solenoid mit 400–500 mA an einem Kanal (allein 0.6–0.8 W). Messen Sie den Strom pro Kanal, statt das Relais-Datenblatt anzunehmen.

Fall 3: Treiber fällt aus, wenn das Relais abfällt

COM bleibt offen, oder die Freilaufdiode ist nicht an die Spulenversorgung angeschlossen. Die in der Spule gespeicherte Energie findet einen Weg durch den Darlington, und die 50-V-Bemessung wird beim ersten Abfall überschritten. Dies ist der häufigste zerstörerische Ausfall dieses Bauteils.

Fall 4: Schrittmotortreiber, der "funktioniert, aber kocht"

Ein unipolarer Schrittmotor, der über ULN2003A mit 400 mA pro Phase angesteuert wird, ist ein verbreitetes Hobby-Design. Vier Phasen bei 1.2 V Spannungsabfall ergeben 1.9 W — das Doppelte des SOIC-Budgets. Die Platine läuft, der Motor dreht sich, und der Treiber fällt im Sommer aus. Die Lösung ist entweder ein niedrigerer Strom, ein Kühlkörper beim DIP-Gehäuse oder ein dedizierter Schrittmotortreiber.

Dieser Fall ist es wert, im Gedächtnis zu bleiben, weil er jeden Funktionstest besteht: Die Ausgänge schalten, der Motor macht Schritte, nichts erscheint falsch, bis die Umgebungstemperatur ansteigt.

7. Alternativen nach Anforderung

Wer den ULN2003A nicht verwenden sollte:Designs mit 1.8-V-Logik; jeder Kanal über 250 mA Dauerstrom in einem geschlossenen Gehäuse; Lasten, die einen Low-Side-Abfall unter 0.5 V benötigen; und Platinen, bei denen COM die Spulenversorgung nicht erreichen kann.

Wenn Sie bei gleichem Footprint mehr thermische Reserve benötigen, verdoppelt die PDIP-Version den Spielraum durch Halbierung von RθJA. Wenn die Platine abgedichtet ist, sollten Sie den SOIC-Wert als optimistisch betrachten und ihn um 20 % reduzieren.

UnserPDIP-16-Versionist für Durchsteckmontage-Aufbauten auf Lager; dieSOIC-16-Versionist das Großserienteil. Für Datecode- und Authentizitätsprüfungen bei Treibern siehe unsereRückverfolgbarkeitsprozess.

8. Verifizierung

Arbeitsplatz-Checkliste

1. Messen Sie VCE(sat) beim tatsächlichen Laststrom und berechnen Sie die Leistung pro Kanal.
2. Addieren Sie alle aktiven Kanäle und prüfen Sie dies gegen das Gehäuse-Budget für die Worst-Case-Umgebung.
3. Prüfen Sie den Kollektor beim Ausschalten mit dem Oszilloskop: Bei angeschlossenem COM sollte die Spitze nahe Vs + 1.2 V begrenzt werden.
4. Prüfen Sie die Ansprechspannung des Relais gegen Vcoil = Vs − VCE(sat).
5. Bestätigen Sie den Logik-High-Pegel am Eingangspin im Betrieb, nicht nur am MCU-Pin.

Für die Low-Side-MOSFET-Version desselben Problems siehe die2N7002-Leitfaden zur Gate-Ansteuerung; für die Versorgungsseite einer Relaisplatine ist derTP4056-Thermikberechnungverwendet dieselbe Methode.

9. Design-Review in drei Fragen

Durchgerechnetes Beispiel: vierkanalige 12-V-Relaisplatine

Vier 12-V-Relais bei 90 mA, 3.3-V-Logik, SOIC-16, dichtes Gehäuse bei 55 °C Umgebungstemperatur:

P pro Kanal = 90 mA x 0.95 V = 0.086 W
Gesamt       = 4 x 0.086 = 0.34 W
dT          = 0.34 x 88.6 = 30 K
Tj          = 55 + 30 = 85 C  (Grenzwert 125 C)
Spule sieht = 12 - 0.95 = 11.05 V

Bewertung: komfortabel. COM an 12 V, ein 10-kOhm-Pulldown pro Eingang.

Tauschen Sie nun 5-V-Relais mit 90 mA auf derselben Platine ein, behalten Sie die 12-V-Versorgung bei und ergänzen Sie einen 5-V-Regler: Die Spulenspannung wird 4.05 V, und die Muss-Ansprechspannung des Relais muss darunter liegen. Thermisch ändert sich nichts, weshalb dieser Fehler Tests übersteht und im Feld versagt.

1. Wie hoch ist die Summe von I × VCE(sat) über alle aktiven Kanäle?Vergleichen Sie dies mit dem Gehäusebudget in Tabelle 2.
2. Welche Spannung sieht das Relais tatsächlich?Ziehen Sie den Sättigungsabfall ab, bevor Sie das Muss-Ansprechen prüfen.
3. Wohin fließt der Spulenstrom beim Ausschalten?Wenn COM nicht an der Spulenversorgung liegt, lautet die Antwort "über den Treiber".

10. FAQ

Kann der ULN2003A ein 12-V-Relais von einem 3.3-V-GPIO aus treiben?

Ja. Der Eingangswiderstand zieht bei 3.3 V etwa 0.7 mA, was ausreicht, um den Darlington für Relaisströme im Bereich von 50–150 mA zu sättigen. Die Ausgangsseite sieht 12 V, was innerhalb der 50-V-Bemessung liegt.

Warum erhalte ich an meinem Relais nur 4,1 V aus einer 5-V-Versorgung?

Weil der Treiber bei 80 mA typischerweise 0,9 V abfallen lässt. Wenn die Ansprechspannung des Relais nahe bei 4,2 V liegt, wird es grenzwertig sein. Verwenden Sie entweder ein 5-V-Relais mit niedrigerer Schwelle oder einen MOSFET mit geringerem Spannungsabfall.

Wie viele Kanäle kann ich gleichzeitig verwenden?

Bei 80 mA alle sieben, in jedem Gehäuse. Bei 200 mA erlaubt das SOIC-16-Budget etwa vier; bei 350 mA nur zwei. Berechnen Sie die Summe, nicht den Nennwert pro Kanal.

Benötige ich externe Freilaufdioden?

Nein, wenn COM an die Spulenversorgung angeschlossen ist. Wenn COM nicht angeschlossen werden kann oder die Last keine einfache Spule ist, fügen Sie externe Dioden hinzu.

Funktioniert es mit 1.8-V-Logik?

Grenzwertig. Der Eingangsstrom fällt auf etwa 0.15 mA, was eine hohe Last möglicherweise nicht sättigt. Verwenden Sie stattdessen einen Pegelwandler oder einen Logic-Level-MOSFET.

Warum schaltet der Ausgang während des Reset ein?

Der Eingang ist ein Widerstand zur Basis ohne internen Pull-down. Ein schwebender MCU-Pin kann den Kanal einschalten. Fügen Sie an jedem Eingang, der ausgeschaltet bleiben muss, einen 10-kΩ-Pull-down hinzu.

Kann ich zwei Kanäle parallelschalten, um mehr Strom zu erhalten?

Nicht empfohlen. Die Darlingtons teilen den Strom nicht gleichmäßig auf, und jeder Kanal hat sein eigenes VCE(sat) und seinen eigenen thermischen Pfad. Verwenden Sie einen MOSFET oder einen Treiber, der für den Strom ausgelegt ist.

Ist der ULN2003A mit dem ULN2003V12 identisch?

Nein. Die V12-Variante ist ein Niedervolt-Bauteil mit geringerem Spannungsabfall, ausgelegt für Relaisansteuerung mit 3,3 V und 5 V. Prüfen Sie den Eingangswiderstand und die Ausgangsnennwerte, bevor Sie in eine der beiden Richtungen austauschen.

11. Quellen

• Texas Instruments,ULN200x, ULQ200x Hochspannungs-, Hochstrom-Darlington-Transistorarrays— VCE(sat)-Werte, 2.7 kΩ Eingang, RθJA je Gehäuse, 125 °C Designgrenze.
• Texas Instruments,ULN2003V12-Datenblatt— Referenz für 7-Kanal-Senken-Treiber für Relais und induktive Lasten.
• Electronics StackExchange,Ansteuerung eines 12-V-Relais mit 3.3-V-Logik.
• Electronics StackExchange,Relaiskontaktkleben und Treiberproblem.