Technika półprzewodnikowa zwykle kojarzy nam się z małymi tranzystorami i układami elektronicznymi, które operują na sygnałach elektrycznych o niskim natężeniu prądu i niskim napięciu zasilania. Zwykle przenoszenie dużych prądów przy napięciach znacznie przekraczających wartości napięć obsługiwanych np. przez mikrokontrolery było domeną przełączników ręcznych, przekaźników i styczników. Oczywiście w dalszym ciągu te elementy świetnie spełniają swoją rolę, ale w miarę rozwoju elektroniki, zaczęły powstawać podzespoły, które wyeliminowały konieczność stosowania elementów stykowych, a nawet mając przewagę nad nimi polegającą na możliwości ich zastosowania w układach, gdzie wymagane jest przełączanie na wysokich częstotliwościach. Do takich elementów należą m.in. tranzystory Darlingtona, które oprócz pojedyńczych elementów dyskretnych są także budulcem układów scalonych, podobnie jak zwykłe tranzystory bipolarne czy unipolarne. W tym artykule przedstawiamy układ scalony ULN2004A i porównujemy go z podobnymi mu układami scalonymi driverów opartych właśnie na tranzystorach Darlingtona.
Jak sterować elementami wykonawczymi za pomocą przyrządów półprzewodnikowych?
Elementy wykonawcze, jakie spotykamy na codzień w elektronice, są zaprojektowane tak, aby mogły wykonać określony proces. I tak, możemy spotkać silniki elektryczne, styczniki, przekaźniki, elektrozawory, lampy wyładowcze i inne elementy, które niejednokrotnie potrzebują dostarczenia energii elektrycznej o wystarczających parametrach. Co więcej, często konieczne jest podłączenie odpowiedniego sygnału sterującego danym elementem. Weźmy na przykład taki zestaw przekaźników elektromagnetycznych, który sterują silnikami elektrycznymi. Chociaż wyjścia tych przekaźników są zdolne do przenoszenia dużych ilości prądu poprzez metaliczne styki, to problem pojawia się w sterowaniu takim przekaźnikiem. Nawet jeśli cewka przekaźnika wymaga tylko zasilania napięciem 5V, to wymaga ona pobrania dużego prądu ze źródła – wyjścia mikrokontrolerów ogólnie mają ograniczoną wydajność prądową, która mogłaby się zmieścić w zapotrzebowaniu energetycznym cewek przekaźników, ale takie rozwiązanie mogłoby prowadzić do nadmiernego grzania mikrokontrolera, ale i przy braku zabezpieczeń przeciwprzepięciowych nawet uszkodzenie wyjścia mikrokontrolera. Co więcej, przekaźniki są zbyt powolne, żeby sterować prędkością silników elektrycznych. Rozwiązaniem jest użycie układu scalonego ULN2004A, który umożliwia szybkie przełączanie zasilania w sposób bezstykowy i posiada wbudowane zabezpieczenia przeciwprzepięciowe na wyjściach.
ULN2004A – charakterystyka ogólna
Układ scalony ULN2004A został umieszczony w obudowie do montażu powierzchniowego jak i przewlekanego. Wewnątrz struktury tego układu scalonego, zostało umieszczonych siedem par tranzystorów NPN w układzie Darlingtona – na każdej parze Darlingtona umieszczono diody przeciwprzepięciowe, co pozwala na jednoczesne wysterowanie do siedmiu elementów wykonawczych. Każda wbudowana para Darlingtona NPN oferuje maksymalny prąd roboczy ciągły do 500mA, a maksymalny prąd szczytowy do 600mA. Z kolei maksymalne napięcie robocze na wyjściu dla każdej z par Darlingtona wbudowanych w układ, wynosi 50V. Na wyjściach zastosowano diody zabezpieczające, które skutecznie rozładowywują energię pola magnetycznego uwalnianą przy wyłączaniu obciążeń indukcyjnych (np. silników, transformatorów, przekaźników) chroniąc układ przed nieraz opłakanymi skutkami przepięć wyłączniowych.
ULN2004 i podobne układy scalone – podobieństwa
Oprócz układu scalonego ULN2004, na rynku możemy spotkać również układy scalone, które mają bardzo podobne oznaczenia i funkcjonalność, a wśród nich ULN2001A, ULN2002A i ULN2003A. Tu również podobnie, wewnątrz ,,kości” znajdziemy siedem niezależnych par tranzystorów Darlingtona NPN, z których każda może dostarczyć duży prąd na wyjściu niezbędny do sterowania różnymi elementami wykonawczymi, w tym takich które stanowią obciążenie o charakterze indukcyjnym. Projektanci układu wzięli pod uwagę zjawiska przepięciowe występujące przy wyłączaniu obwodów z indukcyjnościami, wbudowując diody zabezpieczające przed przepięciami, które mogłyby uszkodzić strukturę półprzewodnikową tranzystorów. Prąd jaki może dostarczy pojedyncza para Darlingtona wbudowana w układzie ULN2004A oraz w ULN2001, ULN2002A, ULN2003A wynosi 500mA w trybie ciągłym. Co więcej, pary Darlingtona można podłączać równolegle z obciążeniem, dzięki czemu można sumować wydajność prądową wbudowanych tranzystorów, co pozwala na wysterowanie obciążenia o łącznym poborze prądu ciągłego do 3,5A. Do obciążeń jakie mogą być sterowane z opisywanych zestawów par tranzystorów Darlingtona, należą m.in. układy przekaźnikowe i przekaźnikowo-stycznikowe, stateczniki lamp wyładowczych i inkandescencyjnych, wyświetlacze LED i lampy NIXIE, drivery linii oraz bufory logiczne.
ULN2004 i podobne układy scalone – kluczowe różnice
Ogólna funkcjonalność kości ULN2001, ULN2002A, ULN2003A i ULN2004A jest podobna, ale istnieją pomiędzy nimi różnice, które mogą mieć istotne znaczenie w niektórych projektach. I tak, ULN2001A jest układem ogólnego przeznaczenia, który może współpracować z układami scalonymi zarówno wykonanymi w technologii TTL jak i CMOS. Natomiast układ ULN2002A jest zaprojektowany do współpracy z układami PMOS, które pracują w przedziale napięć od 14V do 25V. Każde z wejść tego układu jest wyposażone w diodę Zenera i rezystor szeregowy, co zabezpiecza przed pobraniem zbyt dużego prądu. W kolejnym układzie z tej rodziny, tj. ULN2003A, znajdziemy na każdym wejściu rezystor szeregowy 2,7k – wartość ta została dobrana właśnie tak w procesie technologicznym, aby umożliwić bezpośrednią współpracę układu z układami scalonymi TTL/CMOS zaprojektowany do pracy przy logice 5-woltowej. Wreszcie, w układzie ULN2004A użyto na wejściach wewnętrznych rezystorów szeregowych 10,5k, co umożliwia współpracę z układami CMOS zasilanymi napięciami z przedziału od 6V do 15V. Dzięki temu, układ ULN2004A ma niższy pobór energii względem ULN2003A i może współpracować z względnie niższymi napięciami zasilania.
