ULN2003A relédriver: metningsspenning, flyback og termisk budsjett

Sju Darlington-par i én kapsel ser ut som sju gratis relédrivere. De er ikke det: hver kanal har et spenningsfall på 0.9–1.6 V, og kapselen har ett termisk budsjett for alle sammen.

1. Hva komponenten er

2. Metningsspenningen er designbegrensningen

ULN2003A leveres i PDIP-, SOIC-, SOP-, TSSOP- og SOT-kapsler, alle med 16 pinner og samme pinnkonfigurasjon. Kapselen endrer bare den termiske motstanden — brikken og Darlington-spenningsfallet er det samme. Det er praktisk for layout, og farlig for termiske antakelser: en SOT-16-erstatning for en PDIP-16 er ikke direkte utskiftbar fra et varmeperspektiv.

2.7 kΩ-inngangen er det som gjør den «logikkkompatibel». ULN2004A bruker 10.5 kΩ for CMOS ved 6–15 V, og ULN2002A legger til en Zener for 14–25 V PMOS-styring. Å blande dem er en vanlig BOM-feil: 2004A trenger høyere inngangsspenning, 2002A forventer et høyere drivnivå.

Darlington-utgangen er to VBE-fall pluss driverens metning, og databladet oppgir tre strømpunkter:

Dette fallet opptrer direkte i serie med lasten. For et 5 V-relé som trekker 80 mA:

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

Et relé spesifisert for 5 V har vanligvis en must-operate-spenning på rundt 3,5–3,75 V, så 4,1 V fungerer. Men kontroller must-operate-verdien, ikke den nominelle spolespenningen: et relé med en terskel på 4,2 V vil klapre på en 5 V-skinne gjennom denne komponenten.

Darlington kontra MOSFET-spenningsfall, i tall

Grunnen til at folk fortsatt bruker ULN2003A, er bekvemmelighet: én komponent, sju kanaler, innebygde klemmer, motstandsimganger. Grunnen til at folk erstatter den, er spenningsfallet.

Ved reléstrømmer er forskjellen akseptabel; ved solenoid- eller motorstrømmer avgjør den topologien. En 350 mA-kanal ved 1.2 V taper 0.42 W i en kapsel med et budsjett på 0.96 W — to slike kanaler, og brikken er på sin termiske grense, mens samme last gjennom en FET på 0.1 Ω ville dissipere 12 mW.

3. Termisk: ett budsjett for syv kanaler

Kapselens termiske motstand er den andre begrensningen, og den er delt:

7 kanaler x 80 mA x 0.9 V = 0.50 W
SOIC-16: 0.50 x 88.6 = 44 K -> Tj = 84 C ved 40 C omgivelsestemperatur
SOT-16:  0.50 x 123.1 = 62 K -> Tj = 102 C

Ved 80 mA kan alle sju kanaler kjøre samtidig, selv i SOT-16. Bildet endrer seg ved høyere strøm:

350 mA, VCE 1.2 V: 0.42 W per kanal
SOIC-16-budsjett 0.96 W -> 2 kanaler, ikke 7

To deratingvaner gjør tabellen nyttig i praksis. For det første: bruk den høyeste omgivelsestemperaturen produktet vil se inne i kapslingen, ikke laboratorietemperaturen – en forseglet boks legger til 15–20 °C. For det andre: hvis utgangene svitsjer kontinuerlig (reléer holdt på), behandles dissipasjonen som stasjonær; hvis de pulsdrives, bruk i stedet den transiente termiske impedansekurven, som tillater høyere toppeffekt for korte driftssykluser.

Styring av inngangen fra 3.3 V

Seriemotstanden på 2.7 kΩ bestemmer inngangsstrømmen, som bestemmer basisdriften:

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

En Darlington med omtrent 1000 hFE gjør 0.7 mA til rikelig kollektorstrøm. Ved 1.8 V faller inngangsstrømmen til 0.15 mA, noe som kanskje ikke metter en last på 500 mA – transistoren virker, men i det lineære området, og den blir varm.

To praktiske merknader. For det første er inngangen en motstand til en Darlington-base, så en 3.3 V GPIO ser omtrent 0.7 mA — godt innenfor enhver MCU-pin. For det andre har inngangen ingen pull-down; hvis driverpinnen flyter under reset, kan utgangen slås på. Legg til en 10 kΩ pull-down på inngangen for alt som må forbli av.

Svitsjehastigheten er ikke styrken

ULN2003A slår seg på og av på noen få mikrosekunder, ikke nanosekunder. Det er greit for releer og lamper, og feil for PWM-lysstyrkestyring eller mikrosteging av steppermotorer ved høye rater.

Hvis du trenger PWM, er alternativene en logikknivå-MOSFET (rask, men ingen klemdiode) eller en dedikert driver-IC. Å drive en 20 kHz PWM inn i en ULN2003A gir en treg, tapsrik overgang og hørbar støy fra lasten.

5. COM-pinnen og induktive laster

Hver utgang har en klemdiode med katoden på COM-pinnen. Diodene fungerer bare hvis COM er koblet til samme forsyning som lasten:

Klemmspenningen er forsyningen pluss ett diodespenningfall, så en 12 V-spole klemmes nær 13,2 V — trygt for en 50 V-utgang. Strømmen sirkulerer gjennom spolen og dioden til den avtar; driveren ser bare spenningsfallet over spolens resistans.

Hvis COM kobles til en 5 V-skinne mens spolen drives fra 12 V, blir dioden reversforspent av feilen og gjør ingenting. Dette er en vanlig koblingsfeil på kort med flere spenningsskinner, og symptomet er en driver som bare svikter på kanalen med 12 V-reléet.

Blandede forsyninger i én kapsel

Klemdiodene deler en felles katode, så COM for hver kanal må kunne føre strømmen fra sin egen spoleforsyning. Hvis én kapsel driver både 5 V- og 12 V-reléer, kan COM ikke kobles til begge skinnene gjennom de interne diodene.

To akseptable løsninger: bruk separate pakker per forsyningsskinne, eller legg til eksterne klemdioder per kanal og la COM være uforbundet (eller koble den til den høyeste forsyningsskinnen og godta at kanalene på den lavere forsyningsskinnen ikke lenger klemmer internt). Den første er enklere og billigere enn å feilsøke en ødelagt driver.

Dette er også grunnen til at relékort ofte grupperer utganger etter spolespenning i stedet for etter funksjon: pakken er et delt termisk og elektrisk domene, ikke sju uavhengige drivere.

6. Hva som svikter ute i felt

Tilfelle 1: reléklapring på en 5 V-forsyningsskinne

Reléet trekker til, spolen varmes opp, motstanden øker, spenningen over spolen faller, og ankeret faller ut. Driveren er uskyldig; spenningsfallet på 0,9 V fjernet marginen. Kontroller reléets må-trekke-til- og må-slippe-spenninger, ikke bare «5 V-spole».

Tilfelle 2: «ULN blir varm med bare to reléer»

To 12 V-reléer på 120 mA hver: 2 × 0.12 × 1.0 = 0.24 W – ikke varmt. Den vanlige virkelige årsaken er en tredje kanal som driver en last som ikke var regnet med, eller en solenoid på 400–500 mA på én kanal (0.6–0.8 W alene). Mål strømmen per kanal i stedet for å anta noe ut fra reléets datablad.

Tilfelle 3: driveren dør når reléet slipper

COM står flytende, eller klemdioden er ikke koblet til spolens forsyning. Spolens lagrede energi finner en vei gjennom Darlington, og 50 V-ratingen overskrides ved første slipp. Dette er den vanligste ødeleggende feilen for denne komponenten.

Tilfelle 4: trinnmotordriver som «fungerer, men koker»

En unipolar trinnmotor drevet via ULN2003A ved 400 mA per fase er et vanlig hobbydesign. Fire faser med 1.2 V spenningsfall er 1.9 W – det dobbelte av SOIC-effektbudsjettet. Kortet går, motoren roterer, og driveren svikter om sommeren. Løsningen er enten lavere strøm, en kjøleribbe med DIP-pakken, eller en dedikert trinnmotordriver.

Det tilfellet er verdt å huske, fordi det består alle funksjonstester: utgangene svitsjer, motoren går i trinn, og ingenting ser galt ut før omgivelsestemperaturen stiger.

7. Alternativer etter krav

Hvem bør ikke bruke ULN2003A:design med 1.8 V-logikk; enhver kanal over 250 mA kontinuerlig i en forseglet boks; laster som trenger et lavside-spenningsfall under 0.5 V; og kort der COM ikke kan nå spolespenningen.

Hvis du trenger mer termisk margin innenfor samme fotavtrykk, dobler PDIP-versjonen budsjettet ved å halvere RθJA. Hvis kortet er forseglet, bør du behandle SOIC-tallet som optimistisk og redusere med 20 %.

VårPDIP-16-versjoner på lager for gjennomhullsbygging;SOIC-16-versjoner volumdelen. For kontroll av datokode og ekthet på drivere, se vårsporbarhetsprosess.

8. Verifisering

Benkjekkliste

1. Mål VCE(sat) ved faktisk lastestrøm og beregn effekt per kanal.
2. Legg sammen alle aktive kanaler og kontroller mot kapslingens budsjett for verste tilfelle omgivelsestemperatur.
3. Mål kollektoren med oscilloskop ved avslåing: med COM tilkoblet skal spenningstoppen begrenses nær Vs + 1.2 V.
4. Kontroller reléets must-operate-spenning mot Vcoil = Vs − VCE(sat).
5. Bekreft logisk høy på inngangspinnen under drift, ikke bare på MCU-pinnen.

For low-side MOSFET-versjonen av samme problem, se2N7002-veiledning for gate-drivning; for tilførselssiden av et relékort,TP4056-termisk aritmetikkbruker samme metode.

9. Designgjennomgang i tre spørsmål

Gjennomregnet eksempel: firekanals 12 V relékort

Fire 12 V-releer ved 90 mA, 3.3 V logikk, SOIC-16, forseglet kapsling ved 55 °C omgivelsestemperatur:

P per kanal = 90 mA x 0.95 V = 0.086 W
Total       = 4 x 0.086 = 0.34 W
dT          = 0.34 x 88.6 = 30 K
Tj          = 55 + 30 = 85 C  (grense 125 C)
Spole ser   = 12 - 0.95 = 11.05 V

Konklusjon: komfortabelt. COM til 12 V, én 10 kOhm nedtrekksmotstand per inngang.

Bytt nå til 5 V-releer ved 90 mA på samme kort, behold 12 V-forsyningen og legg til en 5 V-regulator: spolespenningen blir 4.05 V, og releets må-aktiveringsspenning må være under dette. Termisk endres ingenting, og det er derfor denne feilen overlever testing og feiler i felt.

1. Hva er summen av I × VCE(sat) over alle aktive kanaler?Sammenlign det med kapslingsbudsjettet i tabell 2.
2. Hvilken spenning ser releet faktisk?Trekk fra metningsfallet før du kontrollerer må-aktiveringsgrensen.
3. Hvor går spolestrømmen ved utkobling?Hvis COM ikke er på spoleforsyningen, er svaret "gjennom driveren".

10. FAQ

Kan ULN2003A drive et 12 V-relé fra en 3,3 V GPIO?

Ja. Inngangsmotstanden trekker omtrent 0,7 mA ved 3,3 V, noe som er nok til å mette Darlington-transistoren for reléstrømmer i området 50–150 mA. Utgangssiden ser 12 V, som er innenfor 50 V-ratingen.

Hvorfor får reléet mitt bare 4.1 V fra en 5 V-forsyning?

Fordi driveren har et typisk spenningsfall på 0.9 V ved 80 mA. Hvis reléets må-driftsspenning er nær 4.2 V, blir det marginalt. Bruk enten et 5 V-relé med lavere terskel eller en MOSFET med lavere spenningsfall.

Hvor mange kanaler kan jeg bruke samtidig?

Ved 80 mA, alle sju, uansett pakke. Ved 200 mA gir SOIC-16-budsjettet rom for omtrent fire; ved 350 mA bare to. Beregn summen, ikke den per-kanal-spesifiserte verdien.

Trenger jeg eksterne frihjulsdioder?

Nei, hvis COM er koblet til spoleforsyningen. Hvis COM ikke kan tilkobles, eller lasten ikke er en enkel spole, må du legge til eksterne dioder.

Fungerer det med 1.8 V logikk?

Så vidt. Inngangsstrømmen faller til omtrent 0.15 mA, noe som kanskje ikke metter en tung last. Bruk en nivåskifter eller en logikknivå-MOSFET i stedet.

Hvorfor slås utgangen på under reset?

Inngangen er en motstand til basen uten intern pull-down. En flytende MCU-pin kan slå kanalen på. Legg til en 10 kΩ pull-down på hver inngang som må forbli av.

Kan jeg parallellkoble to kanaler for mer strøm?

Anbefales ikke. Darlington-transistorene deler ikke strømmen jevnt, og hver kanal har sin egen VCE(sat) og termiske bane. Bruk en MOSFET eller en driver dimensjonert for strømmen.

Er ULN2003A det samme som ULN2003V12?

Nei. V12-varianten er en lavere spenning, lavere spenningsfall-enhet konstruert for 3.3 V og 5 V relédrift. Kontroller inngangsmotstanden og utgangsspesifikasjonene før du erstatter i begge retninger.

11. Kilder

• Texas Instruments,ULN200x, ULQ200x høyspennings- og høyestrøms-Darlington-transistormatriser— VCE(sat)-punkter, 2.7 kΩ inngang, RθJA per kapsel, 125 °C konstruksjonsgrense.
• Texas Instruments,ULN2003V12-datablad— referanse for 7-kanals sink-driver for relé og induktive laster.
• Electronics StackExchange,Styre et 12 V-relé fra 3.3 V-logikk.
• Electronics StackExchange,Relékontakt som henger, og driverproblem.