ULN2003A - Darlington Transistor Array (IC)

Ein ULN2003A ist ein integrierter Schaltkreis mit 7 bipolaren NPN-Darlington-Transistoren mit offenem Kollektor und gemeinsamen Emitter. Damit kann man eine Spannung bis 50 Volt (V) und einen Strom bis 500 Milliampere (mA) pro Ausgang schalten. Eine Besonderheit ist die bereits integrierte Freilaufdiode an den Ausgängen. Dadurch kann man problemlos Relais, Motoren und andere induktive Lasten schalten.

Die Eingänge eines ULN2003A eignen sich für die Ansteuerung mit TTL- (Transistor-Transistor-Logik) und CMOS-Signalen (Komplementär-Metalloxid-Halbleiter) bis maximal 5 Volt.

Die Verwendung eines ULN2003A macht immer dann Sinn, wenn ...

• ... mehr als ein Mikrocontroller- oder GPIO-Ausgang mit einem Transistor beschaltet werden soll.
• ... die zu schaltende Spannung größer ist als des Mikrocontroller- oder GPIO-Ausgangs.
• ... der zu schaltende Strom größer ist als der Mikrocontroller- oder GPIO-Ausgang schalten kann.
• ... Relais angesteuert werden sollen.
• ... Motoren gesteuert werden sollen.

Ein ULN2003A ist nicht die einzige und vor allem nicht die ultimative Lösung. Ein moderner MOSFET schaltet viel besser. Zum Beispiel ein IRLML2502 oder UML2502 mit zusätzlicher Freilaufdiode. Wenn es ein IC sein soll dann ein TPL7407L, das mit einem ULN2003A identisch belegt ist.

Eingänge beschalten

Die Eingänge arbeiten mit Standard-TTL-Signalen. Also bei High-Pegel mit 5 Volt und bei Low-Pegel mit 0 Volt. Typischerweise wird ein TTL-Eingang eine anliegende Spannung bis 2 Volt runter als High-Pegel erkennen. Das bedeutet, dass ein High-Pegel eines GPIO-Ausgangs mit 3,3 Volt vom ULN2003A-Eingang als High-Pegel erkannt wird.

Ein ULN2003A benötigt an den Eingängen weder einen Pullup- noch einen Pulldown-Widerstand. Ein offener Eingang wirkt als Low (0 oder L).

Ausgänge beschalten

Welche Spannung geschaltet werden soll hängt von den angeschlossenen Verbrauchern ab. Diese Spannung muss in der Regel aus einer eigenen Spannungsversorgung bereitgestellt werden.
Aufgrund der integrierten Darlington-Stufe haben die Ausgänge bei einen Low-Pegel nie ganz 0 Volt, sondern etwa 0,9 Volt. Unter Umständen ist das beim Dimensionieren nachfolgender Schaltungsteile zu berücksichtigen.
Werden alle 7 Transistorstufen dauerhaft durchgeschaltet (Tastverhältnis 100%), darf jede Stufe nur mit max. 160 mA belastet werden.
Es empfiehlt sich einen Blick ins Datenblatt zu werfen.

COM-Anschluss (Pin 9): Freilaufdiode aktivieren

Der Anschluss Pin 9 (COM) ist der gemeinsame Anschluss der integrierten Freilaufdioden. Dieser Anschluss muss nur dann beschaltet werden, wenn an den Ausgängen induktive Lasten angeschlossen sind. Zum Beispiel Relais oder Motoren. Sollte das der Fall sein, dann wird Pin 9 typischerweise mit der Versorgungsspannung der angeschlossenen Verbraucher verbunden.

Masse bzw. Ground (GND)

Der Anschluss Pin 8 ist der gemeinsame Masse-Anschluss bzw. Ground (GND) für die sieben Eingänge und die sieben Schaltstufen. In der Regel muss auch der Ground einer separaten Versorgungsspannung damit verbunden werden.

Der ULN2003A wird typischerweise mit einem TTL-Signal von 5 Volt angesteuert. Die Eingangsspannung darf aber auch geringer sein. Die kleinste Eingangsspannung ist 2,4 Volt. Das wäre immer noch TTL-kompatibel. Deshalb funktioniert ein ULN2003A auch mit Mikrocontrollern, die nur 3,3 Volt können. Das funktioniert aber nur dann, wenn man folgende Einschränkungen berücksichtigt.

Da es sich bei den Darlingtons im ULN2003A um bipolare Transistoren handelt, werden die mit Strom gesteuert. Das würde bedeuten, dass der Strom am Ausgang vom Strom am Eingang abhängig ist. Aber, das heißt nicht, dass der Strom im Transistor von der Eingangsspannung unabhängig ist. Im Datenblatt auf Seite 6 befindet sich eine Tabelle (Table 4.), in der auflistet ist, welche Eingangsspannung in Abhängigkeit vom gewünschten Ausgangsstrom mindestens nötig ist.

Für den ULN2003A gelten folgende Werte:

• Ausgangsstrom I_C = 200 mA erfordert eine Eingangsspannung U_in >= 2,4 V
• Ausgangsstrom I_C = 250 mA erfordert eine Eingangsspannung U_in >= 2,7 V
• Ausgangsstrom I_C = 300 mA erfordert eine Eingangsspannung U_in >= 3,0 V

Das bedeutet, dass die oft angegebenen 500 mA am Ausgang nur möglich sind, wenn die Ansteuerung mit einem TTL-Signal von 5 Volt erfolgt. Ein Mikrocontroller der mit 3,3 V steuert, der erreicht an einem ULN2003A ausgangsseitig nur etwas über 300 mA.