В статье представлены основные технические характеристики ULN2003A, её схема включения и особенности эксплуатации. Рассмотрены возможные альтернативы и ближайшие по параметрам аналоги. Показаны варианты применения в наиболее популярных, в настоящее время, конструкторских решениях.
Цоколевка
ULN2003A оснащена DIP-корпусом с шестнадцатью металлическими выводами для дырочного монтажа. С 1 по 7 контакты – входы, с 10 по 16 — выходы, 8(E) – земля и 9(COM) – необходим для питания (общий катод). Внешний вид и назначение выводов представлены на рисунке.
Основные характеристики
Согласно техническим характеристикам, ULN2003A представляет собой микросхему, в состав которой входит семь мощных биполярных составных NPN-транзисторов Дарлингтона, соединённых по схеме с общим эмиттером. Каждый из них способен выдерживать до 50 В, ток до 0.5 А, c максимальной мощностью до 5 Вт. Встроенные защитные диоды на выходе предотвращают от возможных всплесков обратного напряжения в индуктивной нагрузке и других негативных факторов.
Абсолютные параметры
Абсолютные характеристики ULN2003A:
- напряжение: входное (VI) до 30 В; выходное (VO) до 50 В;
- ток: коллектора (IC) 0.5 А, пиковый (IC.Max) 0.6 А; базы (IB) до 25 мА;
- температура: окружающей среды (ТА) от -40 до +85 oC; кристалла (TJ) до +150 oC; хранения (TSTG) от -50 до +150 oC;
- максимальная рассеиваемая мощность (P) до 1.25 Вт.
Меры безопасности
При предельно возможных 0.5 А рассматриваемое устройство начинает ощутимо греться (свыше 70 oC) и может выйти из строя. Поэтому, для его стабильной работы желательно придерживаться пределов от 250 до 300 мА. Также необходимо учитывать, что управляющий ток напрямую зависит от входного напряжения, при максимальных 3.8 В он не должен превышать 1.3 мА.
Схемы включения ULN2003A
Знакомство со схемами включения ULN2003A начнём с изучения ключевых компонентов внутренней архитектуры микросхемы и принципов её работы. Как уже говорилось ранее, устройство состоит из 7 микросборок (каналов), каждая из которых способна работать самостоятельно и независимо друг от друга с нагрузкой до 500 мА.
На одну из микросборок возможно подключить небольшую нагрузку, например такую как: светодиодные лены, газоразрядные лампы, всевозможных реле, сервоприводы и др. Подавая на каждый из входов микросхемы небольшие по уроню сигналы возможно обеспечить управление подачей напряжения (от внешних источников) на семь разных устройств с более высокой потребляемой мощностью.
Наиболее интересных результатов для указанных выше задач можно добиться с применением заранее запрограммированного микроконтроллера(вроде Arduino и др.) Применяя контроллер и задействуя несколько входов/выходов микросхемы, возможно обеспечить функционирование довольно сложных внешних устройств, с более высокой потребляемой мощностью.
Схема одного канала
Каждый из каналов ULN2003A включает в себя сборку из двух транзисторов, подключённых по схеме Дарлингтона, и небольшую электронную обвязку. Резистор на 2.7 кОм ограничивает ток через базу. Два сопротивления на 7.2 кОм и 3 кОм необходимы для защиты силовых ключей от открывания обратным коллекторным током.
В указанной выше сборке присутствуют всего 3 диода. Один из них защищает вход, а два других — выход устройства от отрицательной разности потенциалов и превышения напряжения.
Функциональная схема ULN2003A
Имея представление о структуре одной микросборки, можно представить, каким образом ULN2003A функционирует в целом. Вывод 8(E) обычно подключается к земле и является общим эмиттером для всех транзисторов в сборке. 9 (COM) соединён с катодом защитных диодов, он необходим для подключения индуктивных нагрузок.
Управление простейшей нагрузкой
Изучение принципов работы ULN2003A можно начинать с подключения небольшой нагрузки. Самую простейшую конструкцию возможно собрать применяя обычный диод индикаторного типа с параметрами на 2.2 В, 10 мА. Пример управления представлен на рисунке ниже.
Устройство рассчитано на работу с помощью цифровой TTL-логики, с номинальным уровнем до 3.3 В. Поэтому для подачи управляющего сигнала можно использовать пару (соединенных последовательно) обычных пальчиковых батареек по 1.5 В с кнопкой разрыва цепи питания. Прикладывая (убирая) напряжение на входы возможно наблюдать за включением (выключением) светодиода, подключенного к соответствующему выходу.
В рассматриваемом примере подавать плюс на выход 9 (Com) с источника питания необязательно, так как светодиод в слаботочной цепи будет работать в любом случае. Однако при включении более мощной или индуктивной нагрузки такое соединение необходимо.
Подключение LED-ленты
Для управления с помощью ULN2003A включением/выключением светодиодной лентой потребуется дополнительное внешнее питание порядка 5~24 В. В настоящее время в продаже встречаются разнообразные конфигурации LED-лент, как однотонного белого свечения, так и многоцветного (RGB). Не все из них подходят для работы с рассматриваемой микросхемой.
Подберем одноцветную светодиодную ленту подходящую по своим параметрам для подключения. Для примера можно взять один метр LED-ленты SMD 3528 60 LED/m (60 диодов на метр) со стандартным напряжением питания 12 В, мощностью потребления до 4.8 Вт. Таким образом, максимальное потребление при включении не будет превышать (4.8 Вт/12 В*1 м) 400 мА.
Таким образом, на каждый из каналов микросхемы можно подключить до 1 метра (приведенной в примере) одноцветной LED-ленты. При этом стоит учитывать, что общий ток в нагрузке не должен превышать 2.5 А. Т.е. 7 отрезков ленты подключать не желательно.
Параллельное соединение
В случаях, когда мощности одного канала не хватает, в микросхеме предусмотрена возможность параллельного соединения нескольких выходов. Таким образом, достигается возможность применения более высокой нагрузки. Однако у такого наращивания есть свои пределы, которые ограничиваются силой тока в 2.5 А.
Например, при параллельном соединении нескольких каналов возможно подключать более длинные отрезки вышеупомянутой светодиодной ленты (более 5 ~ 6 м). Однако общая сила тока в цепи, при этом, не должна превышать максимальные 2.5 А.
Подключение RGB-ленты
Необходимо задействовать 3 микросборки из состава ULN2003A для управления многоцветной RGB-лентой. Примером такого изделия является SMD 5050 60 LED/m. Если очень грубо, то в одном такой ленте содержится стразу три вышеупомянутых SMD3528, с соответствующими параметрами и внешними контактами (проводами).
Подключение шагового двигателя
Для работы шагового двигателя (например 28-BYJ48) необходимо задействовать сразу 5 выходов микросхемы. Вручную прикладывать напряжение к каждому из её входов для управления в данном случае бесполезная затея. Подача слабых сигналов, для этих целей, чаще всего осуществляется при помощи заранее запрограммированного микроконтроллера (Arduino и др.)
Пример такого решения представлен на рисунке ниже. Для функционирования двигателя и модуля управления используется питание (+5 В), подаваемое с микроконтроллера Arduino UNO.
Порядок программирования популярных микроконтроллеров, вроде Arduino, несложная задача и посильна даже начинающему радиолюбителю. В настоящей статье данная тема не рассматривается.
Аналоги
Начиная с 1970-х годов для замены ULN2003A были разработаны разнообразные аналоги. Однако, несмотря на схожесть по параметрам, по известности и популярности они до сих пор не дотягивают до оригинальной версии. Дешивизна, простота в использовании, надёжность и широкая доступность последней остаются бесспорной до настоящего времени.
Назовём несколько из ближайших современных аналогов для рассмотренного устройства. К ним можно отнести: KID65003AP, MC1413L. У отечественных производителей хорошей альтернативой считается К1109КТ22.
Производители
В настоящее время производство рассмотренного устройства осуществляется под брэндами: ST Microelectronics, Texas Instruments, ON Semiconductor, Toshiba и др. Многие китайские компании осуществляют выпуск аналогичных по характеристикам копий. Скачать более подробное техописание (datasheet) можно в этом разделе.
