Для управления мощными нагрузками посредством слабых сигналов используются транзисторные ключи. Если в схеме содержится несколько нагрузок сравнимой мощности, удобно иметь такие ключи в интегральном исполнении – несколько в одном корпусе. Такую возможность разработчикам представляет серия микросхем ULN200x, в которую входит элемент ULN2003A.
Особенности микросхемы
При анализе внутренней структуры микросхемы, приводимой в datasheet, можно выяснить, что внутри корпуса содержится 7 инвертирующих усилителей, предназначенных для работы в ключевом режиме. Выходы каждого усилителя оснащены защитными диодами, демпфирующими выброс отрицательной полярности при коммутации индуктивной нагрузки.
Каждый усилитель представляет собой транзисторный ключ, состоящий из двух триодов структуры NPN, включенных по составной схеме (схема Дарлингтона). Такое включение позволяет получить высокий коэффициент усиления и позволяет работать с малыми входными токами. Схема выполнена с открытым коллектором, что позволяет коммутировать нагрузку, питаемую от напряжения до 50 вольт.
Схема Дарлингтона имеет и недостатки, среди которых основными являются пониженное быстродействие и увеличенное напряжение насыщения коллектор-эмиттер.
На вход ULN2003A можно подавать сигналы уровней TTL (+5 вольт) и КМОП. Это позволяет использовать микросхему в цифровых схемах, для управления потребителями, например, непосредственно от вывода микроконтроллера.
Параметры ULN2003A
В первой таблице собраны предельные характеристики ULN2003A в соответствии с datasheet. Эксплуатация при таких параметрах не предусмотрена и может привести к выходу микросхемы из строя.
| Предельные характеристики | ||
|---|---|---|
| Параметр | Значение | Размерность |
| Выходное напряжение (Vo) | 50 | вольт |
| Входное напряжение (Vin) | 30 | вольт |
| Продолжительный выходной ток (Ic) | 500 | миллиампер |
| Продолжительный ток базы (Ib) | 25 | миллиампер |
| Эксплуатационные пределы температуры окружающей среды (Tamb) | минус 20..+85 | град.С |
| Температура хранения (Tstg) | минус 55..+150 | град.С |
| Температура перехода (Tj) | +150 | град.С |
Следующая таблица содержит электрические параметры микросхемы. Они измерены при температуре окружающей среды +25 градусов, если не указано иное.
| Электрические характеристики | ||||
|---|---|---|---|---|
| Параметр | Значение | Размерность | Условия тестирования | |
| Ток утечки выхода (Icex) | не более 50 | микроампер | Vce=50 В | |
| не более 100 | микроампер | Vce=50 В, Tamb=70 град.С | ||
| Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (Vce (sat)) | не более 1,1 | вольт | Ic=100 мА, Ib=250 мкA | |
| не более 1,3 | вольт | Ic=200 мА, Ib=350 мкA | ||
| не более 1,6 | вольт | Ic=350 мА, Ib=500 мкA | ||
| Входной ток Iin(on) | не более 1,35 | миллиампер | Vi= 3,85 В | |
| не более 1,45 | миллиампер | Vi= 12 В | ||
| Входной ток Iin(off) | не более 1,35 | миллиампер | Ic=350 мА, Tamb=70 град.С | |
| Входное напряжение включения (Vin (on)) | не более 2,4 | вольт | Ic=200 мА, Vce=2 В | |
| не более 2,7 | вольт | Ic=250 мА, Vce=2 В | ||
| не более 3 | вольт | Ic=300 мА, Vce=2 В | ||
| Входная емкость (Ci) | не более 25 | пикофарад | ||
| Время задержки на включение (Tplh) | не более 1 | микросекунд | от 0,5 Vi до 0,5 Vo | |
| Время задержки на включение (Tphl) | не более 1 | микросекунд | от 0,5 Vi до 0,5 Vo | |
| Ток утечки защитного диода (Ir) | до 50 | микроампер | Vr= 50 В | |
| до 100 | микроампер | Vr= 50 В, Tamb=70 град.С | ||
| Падение напряжения на защитном диоде в прямом направлении (Vf) | не более 2 | вольт | При прямом токе 350 мА | |
Корпус и расположение выводов
Микросхема выпускается в двух вариантах корпуса:
- Для поверхностного монтажа TSSOP-16.
- Для монтажа в отверстия (through hole) DIP-16 (PDIP-16, CDIP-16).
Оба корпуса имеют одинаковую распиновку и электрические параметры.
Назначение выводов понятно из внутренней структуры микросхемы. Буквами B с соответствующей цифрой обозначены входы микросхем, буквами С – выходы. Буквой E обозначена общая шина.
Аналоги и варианты замены
При выборе замены в первую очередь надо обратить внимание на другие микросхемы серии ULN2003. Например, ULN2003AG ничем не отличается от ULN2003A, за исключением отсутствия свинца. Для микросхем ULN2003APG (DIP-16) и ULN2003AFWG (SOL-16) нормируется рассеиваемая мощность и рекомендован уменьшенный выходной ток (350 мА и 300 мА соответственно). Замена возможна, если фактический ток через нагрузку не превышает этих значений. В этом случае литера G также гарантирует отсутствие свинца.
Другие микросхемы линейки могут отличаться корпусом. Например, ULN2003L выпускается в SMD-исполнении в корпусе с увеличенным шагом между выводами (кейс имеет большую длину). Такая замена возможна до проектирования печатной платы или с использованием переходников.
Из микросхем других серий в качестве аналога можно рекомендовать TPIC270.
Во многих случаях подойдут элементы линеек:
- ULN2001;
- ULN2002;
- ULN2004.
Однако в каждом случае надо анализировать datasheet и принимать решение о замене после изучения условий работы микросхемы.
Из отечественных элементов подойдет К1109КТ22. Эта микросхема выпускается в корпусе DIP и ее цоколевка совпадает с ULN2003A.
Применение и практические схемы включения
Стандартная ULN2003A схема включения несложна – управляющий сигнал подается на вход, нагрузка включается между шиной положительного напряжения и выходом. При этом надо соблюдать некоторые условия:
- вывод 9 соединять с источником питания нагрузки, тем самым защитные диоды будут включены параллельно потребителю, и выходные транзисторы будут защищены от отрицательных выбросов при коммутации индуктивной нагрузки;
- внешние диоды при этом устанавливать нет необходимости;
- нельзя превышать предельное напряжение выхода или подавать его в обратной полярности.
Пример подключения с соблюдением этих условий показан на рисунке. Для простоты показано использование только одного канала, управляемого от выхода ТТЛ-микросхемы.
Индуктивная нагрузка подключена к открытому коллектору выходного транзистора, а другим выводом – к источнику питания. К нему же присоединен и внутренний защитный диод, поэтому в дополнительной внешней защите нет необходимости.
В другой схеме, данной в даташит, ULN2003A управляет лампами накаливания. Производитель считает, что их индуктивная составляющая невелика, защищать выходы не нужно. По этой причине защитные диоды используются нестандартно – для создания цепи проверки исправности ламп.
Производитель рекомендует применять микросхему для:
- управления электромагнитными реле;
- управления шаговыми и бесколлекторными двигателями постоянного тока
- управления светодиодами.
На самом деле, этими областями сфера применения ULN2003A не ограничивается. Ее можно применять там, где требуется управление мощной нагрузкой посредством слаботочных сигналов, а этот сектор электроники безграничен.
