Spis treści:
Często kiedy chcemy wysterować z poziomu mikrokontrolera bądź układów scalonych TTL/CMOS obciążenia o wysokim poborze prądu, musimy zastosować zewnętrzne układy wzmacniające sygnały sterujące. W tym artykule przedstawiamy jeden z układów scalonych stanowiących remedium na ten problem. Poznajcie ULN2803!
Najważniejsze cechy układu ULN2803
ULN2803 jest układem scalonym zawierającym w sobie drabinkę tranzystorów Darlingtona, co pozwala na uzyskanie wysokich napięć i prądów na wyjściu. Pary tranzystorów Darlingtona są wewnątrz struktury układu ULN2803 połączone równolegle, zwiększając w ten sposób wyjściową wydajność prądową układu. W strukturze układu ULN2803 znajduje się osiem par tranzystorów Darlingtona typu NPN z wyjściami wysokonapięciowymi oraz diodami przeciwprzepięciowymi połączonymi w układzie wspólnej katody – diody te, zabezpieczają wyjścia układu przed przepięciami spowodowanymi przez rozłączanie obwodów z indukcyjnościami. Wydajność prądowa pojedynczej pary Darlingtona w układzie ULN2803 wynosi około 500mA przy ciągłym poborze prądu, co oznacza że łączna wydajność prądowa układu przy ośmiu włączonych wyjściach wynosi około 4A.
Specyfikacja techniczna układu scalonego ULN2803
Specyfikacja techniczna układu ULN2803 określa następujące cechy: Maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter dla każdej pary tranzystorów Darlingtona wynosi 50V, a maksymalne obciążenie prądowe pojedynczego wyjścia każdej z pary tranzystorów Darlingtona wynosi 500mA. Maksymalne napięcie baza-emiter każdej z pojedynczych par Darlingtona wynosi 30V. Każda z ośmiu par Darlingtona wbudowanych wewnątrz układu scalonego ULN2803 ma wbudowaną diodę zabezpieczającą przed przepięciami, która może przewodzić maksymalny prąd 500mA. Czas propagacji układu ULN2803 wynosi 130ns dla zbocza narastającego oraz 20us dla zbocza opadającego. Zakres temperatur roboczych układu ULN2803 wynosi od -65*C do +150*C. Aby ten układ scalony mógł funkcjonować, nie jest wymagane podłączenie dodatkowego źródła napięcia zasilania pomocniczego, tak jak ma to miejsce na przykład w mikrokontrolerach, wzmacniaczach operacyjnych i wielu innych układach scalonych.
Zalety układu ULN2803
Układ scalony ULN2803 umożliwia przełączanie stosunkowo wysokich prądów i wysokich napięć, których wartości są niedopuszczalne w mikrokontrolerach niezbędnych, aby dostarczać sygnały sterujące obciążeniami o wzmożonym poborze prądu. Układ scalony ULN2803 zawierający osiem par tranzystorów NPN w topologii Darlingtona oraz osiem diod zabezpieczających, umożliwia sterowanie zasilaniem w czasie rzeczywistym takich obciążeń jak lampki kontrolne żarnikowe, przekaźniki, styczniki, silniki, elektromagnesy a także innych obciążeń, w których kluczowym parametrem jest ich indukcyjność.
Zamienniki układu scalonego ULN2803
Nie ma obecnie dostępnego zamiennika układu ULN2803 który jest z nim zgodny wyprowadzeniami, ale można spotkać zamienniki o podobnej funkcjonalności, które co prawda różnią się układem wyprowadzeń z obudowy, np. ULN2003 i ULN2004. Możemy także zabudować odpowiednik tego układu scalonego oparty na dyskretnych tranzystorach MOSFET lub ośmiu dyskretnych tranzystorach Darlingtona NPN, które będą zachowywały się dokładnie tak samo jak te wtopione w strukturze układu scalonego ULN2803 – należy tu jednak pamiętać o podłączeniu także diod przeciwprzepięciowych.
Zastosowania układu scalonego ULN2803
Układ scalony ULN2803 może być użyty na wiele sposobów – za jego pomocą możemy na przykład sterować obciążeniami zawierającymi indukcyjność. Drabinka tranzystorów Darlingtona NPN umieszczona w układzie ULN2803, w istocie działa jak osiem niezależnych przełączników, które mogą być włączane i wyłączane zgodnie z naszym projektem – każda pojedyncza para tranzystorów Darlingtona NPN może obsługiwać obciążenia o wzmożonym poborze prądu na podstawie niskonapięciowych sygnałów logicznych podawanych na wejścia układu ULN2803. Jeśli chcemy sterować wieloma obciążeniami jednocześnie z poziomu układu ULN2803, może sterować nimi niezależne – do ośmiu odbiorników jednocześnie.
Co więcej tranzystory MOSFET lub tranzystory Darlingtona NPN w postaci dyskretnej, mogą być z powodzeniem przez ten układ zastąpione. Możemy go także wykorzystać do sterowania w układach programowalnego podziału obciążenia – jeśli przykładowo mamy do wyjścia układu podłączone obciążenia o zróżnicowanym poborze prądu, możemy wówczas połączyć układ w sposób przełączanej macierzy przełączników aby można było obsługiwać obciążenia o dużej mocy.
Tranzystory bipolarne NPN w układzie Darlingtona - zasada działania
Układ scalony ULN2803 w swojej strukturze zawiera osiem par tranzystorów bipolarnych NPN połączonych w układ Darlingtona, które dostarczają odpowiednio duże wzmocnienie prądowe niezbędne do zasilania obciążeń podłączonych na wyjściu. Typowo, pojedyncze tranzystory są wykorzystywane do wzmacniania prądu, ale tranzystory Darlingtona umożliwiają jeszcze większe wzmocnienie prądu, dzięki specjalnemu połączeniu w kaskadę. Tranzystory Darlingtona stanowią dwa tranzystory bipolarne NPN, które działają na zasadzie dwustopniowego wzmocnienia prądowego. Kiedy prąd sterujący do bazy pierwszego tranzystora, na jego wyjściu otrzymujemy zwiększony proporcjonalnie prąd. Następnie ten wzmocniony prąd jest podawany na bazę drugiego tranzystora, którego obwód kolektor-emiter umożliwia jeszcze większe wzmocnienie prądowe.
Kiedy natomiast nie ma przyłożonego prądu do bazy tranzystora Darlingtona, jego wyjście wówczas zachowuje się jak rozwarty przełącznik powodując że prąd w docelowym obwodzie nie płynie. Co więcej, z uwagi na technikę półprzewodnikową, czas włączania i wyłączania jest nieporównywalnie krótszy niż ma to miejsce w przekaźnikach elektromagnetycznych, co jest kluczowe gdy zależy nam na zachowaniu jak najwyższej precyzji sterowania.
