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In diesem Artikel werfen wir einen Blick auf den ULN2003 IC anhand seiner technischen Dokumentation, einschließlich der Anschlüsse der Schaltung und ihrer Funktionen.
Elektronische Steuerung von induktiven Lasten
Wenn Sie schon einmal versucht haben, einen Elektromotor, wie z.B. einen Standard-DC-Bürstenmotor oder einen Schrittmotor, mit einem Mikrocontroller, wie z.B. einem PIC, AVR, Raspberry Pi oder STM32, zu steuern, sind Sie sicherlich schon auf das Konzept der PWM-Treiber gestoßen.
Warum brauchen wir PWM-Controller? Genau für die Motorsteuerung, und zwar aus zwei Hauptgründen: Erstens sind Mikrocontroller Schaltungen, die in der Regel mit sehr niedrigen Spannungen arbeiten, z.B. 1,8V (BeagleBoard), 3,3V(Raspberry Pi), 5V(Arduino UNO R3), während Elektromotoren, die von diesen Mikrocontrollern gesteuert werden, Strom mit höheren Spannungen benötigen, z.B. 9V, 12V oder 24V.
Zweitens sind Elektromotoren induktive Lasten, die beim Schalten der Wicklungen eine rückpolarisierte elektromotorische Kraft mit Werten erzeugen, die ein Vielfaches der Nennversorgungsspannungen dieser Motoren betragen, was zu einer Beschädigung des Mikrocontrollers führen kann, der den Motor steuert. Aus diesen Gründen verwenden wir Treiberschaltungen, um zwischen dem Mikrocontroller und dem Motor zu vermitteln. Wir finden viele Lösungen dieser Art in Form von integrierten Schaltungen, eine davon ist der ULN2003.
Wenn wir uns die technische Dokumentation dieses ICs ansehen, können wir feststellen, dass der Einzelausgang dieses Chips Spannungen bis zu 50V verarbeiten kann und eine Dauerstromfähigkeit von bis zu 500mA hat. Aus diesen Gründen ist dieser Chip gut für die Steuerung kleiner Elektromotoren geeignet. Wir können diese Schaltung auch verwenden, um größere Elektromotoren zu steuern, aber in diesem Fall ist es notwendig, zusätzliche Zwischenrelais zu verwenden – in diesem Fall sendet der Mikrocontroller ein Signal an den ULN2003-Treiber, der Signale in Form von Spannungen an die Spulen der Relais ansteuert, deren Stromkreise (Arbeitskontakte) mit den Motoren verbunden sind – denken Sie daran, dass die Spule des Relais auch induktiv ist und beim Ausschalten Überspannung erzeugt. Wir können also verschiedene Arten von induktiven Lasten wie Motoren, Relais, Schütze, Elektromagnete und andere induktive Komponenten mit der ULN2003-Schaltung verwenden.
Parameter des integrierten Schaltkreises ULN2003
Der ULN2003 IC ist in einem 16-Pin-Gehäuse untergebracht, wobei sowohl SMD- als auch THT-Versionen erhältlich sind. Der Chip enthält sieben Transistorpaare, die in einer Darlington-Schaltung arbeiten – jedes der Darlington-Paare ist durch Überspannungsdioden geschützt, so dass der ULN2003-Treiber gleichzeitig bis zu sieben Lasten induktiver Natur verarbeiten kann – jedes der Darlington-Paare im Inneren des ULN2003-IC hat eine maximale Dauerstromfähigkeit von bis zu 500mA, und der Spitzenstrom, den jeder Ausgang kurzzeitig liefern kann, beträgt 600mA, während die maximale Ausgangsspannung für jedes der im Chip integrierten Darlington-Paare 50V beträgt.
Darlington Paar
Der ULN2003 Schaltkreis hat in seiner Struktur sieben identische Punkt-zu-Punkt-Paare von Transistoren, die in einer Darlington-Anordnung verbunden sind – ein einzelnes Darlington-Paar besteht aus zwei bipolaren Transistoren, die eine zulässige Betriebsspannung von 50V zwischen Kollektor und Emitter des letzten Transistors im Paar und einen maximalen Dauerausgangsstrom von 500mA und bis zu 600mA in der Spitze (z.B. beim Einschalten einer Last am Ausgang) haben. Die Transistoren, die ein Darlington-Paar bilden, haben einen gemeinsamen Emitter und einen Ausgang vom Typ offener Kollektor.
Überspannungsschutzdioden
Der ULN2003 IC verfügt über eingebaute Überspannungsdioden, die jedes der sieben Darlington-Paare vor Schäden durch die rückpolarisierte elektromotorische Kraftschützen, die beim Ausschalten von Schaltungen mit Induktivitäten entsteht. Das bedeutet, dass wir, wenn wir Relais oder Motoren an den Ausgang der Schaltung angeschlossen haben, keine zusätzlichen Überspannungsdioden anschließen müssen, da diese standardmäßig in die Schaltungsstruktur des ULN2003 eingebaut sind.
Praktische Anwendungen des integrierten Schaltkreises ULN2003
Der ULN2003-Treiberchip hat eine breite Palette praktischer Anwendungen sowohl in der Amateur- als auch in der professionellen Elektronik. Zu den wichtigsten Anwendungen gehören Puffer in Logikschaltungen, Treiber für Kommunikationsleitungen, die Steuerung von Relais und Schützen, die Steuerung von Anzeigelampen, die Steuerung von segmentierten LED-Anzeigen sowie die Steuerung von Elektromotoren, insbesondere von DC-Bürstenmotoren und Schrittmotoren.
ULN2003 - Steuerung von LED-Anzeigesegmenten
Eine der häufigsten Anwendungen für den ULN2003 ist die Steuerung von LEDs, einschließlich LEDs, die Sieben-Segment-Anzeigen sind. Die Steuerung kann implementiert werden, indem Mikrocontroller-Pins, die als Ausgänge konfiguriert sind, mit den Steuereingängen des ULN2003-Chips verbunden werden, während die Anoden der LEDs, aus denen die Anzeigesegmente bestehen (bei einer LED-Anzeige mit einer gemeinsamen Kathode), mit den Ausgängen des ULN2003-Chips verbunden werden. Wenn wir einen hohen logischen Zustand an die entsprechenden Eingänge der Schaltung anlegen, dann erscheint ein hoher logischer Zustand an den entsprechenden Ausgängen – z.B. verursacht ein hoher Zustand am Eingang IN1 einen hohen Zustand am Ausgang OUT1 und beleuchtet das LED-Segment, dessen Anode mit diesem Ausgang verbunden ist, und entsprechend verursacht das Herunterziehen des logischen Zustands am Eingang IN1 auf einen niedrigen Pegel einen niedrigen Pegel am Ausgang OUT1 und löscht das Ziel-LED-Displaysegment. Beachten Sie, dass wir den Mikrocontroller so programmieren müssen, dass er die entsprechenden Eingänge des ULN2003 Chips und die an seinen Ausgängen angeschlossenen Segmente ansteuert, um das entsprechende Zeichen (z.B. die Zahl “3”) anzuzeigen.
