ULN2003 Schaltbaustein » Aufbau und Funktionsweise anschaulich erklärt
Schaltbausteine, wie z.B. der 7fach Baustein ULN2003 werden in der Elektronik sehr oft eingesetzt. Der Grund dafür, warum Schaltungsentwickler gerne auf den Schaltbaustein ULN2003 zurückgreifen, liegt in der vielseitigen Verwendbarkeit. Egal ob Relaiskarte, Schrittmotor oder eine einfache Füllstandanzeige, mit dem Schaltbaustein ULN2003 als Treiber lassen sich diese Schaltungsaufgaben ausgesprochen einfach realisieren. Wir erklären Ihnen, wie der integrierte Schaltkreis funktioniert, wie er richtig angeschlossen wird und was beim Einsatz zu beachten ist.
Beim Schaltbaustein ULN2003 handelt es sich um einen integrierten Schaltkreis bzw. um ein IC (Integrated Circuit). Bei einem integrierten Schaltkreis wird eine Vielzahl von einzelnen Halbleitern, wie z.B. Transistoren und Dioden, in ein gemeinsames Gehäuse integriert. Der große Vorteil bei dieser Technik ist die enorme Platzeinsparung und der minimale Aufwand bei der Außenbeschaltung eines ICs.
Mit Hilfe der integrierten Transistoren wird ein schwaches Steuersignal verstärkt, sodass neben leistungsstarken Leuchtdioden auch Relais, kleine Motoren (DC) oder Schrittmotoren betrieben werden können. Weil in den meisten Fällen mehrere Steuersignale verstärkt werden müssen, hat der Schaltbaustein ULN2003 sieben Eingänge und sieben Ausgänge. Dadurch ist man problemlos in der Lage, mit einem Arduino Board oder Raspberry Pi Board einen Schrittmotor ganz nach Belieben zu steuern.
Die beiden Hauptaufgaben des ULN2003 sind verstärken und schalten. Dies wird mit Hilfe von bipolaren NPN-Transistoren erreicht. In unserem Ratgeber zum Transistor BC 547 haben wir die grundsätzliche Funktion sowie die Verstärkereigenschaften eines Transistors anschaulich erklärt.
Wenn man zwei NPN-Transistoren (V1 und V2) direkt miteinander koppelt, so erhält man eine Darlington Schaltung. Wenn beide Transistoren in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind, spricht der Fachmann von einem Darlington-Transistor.
Grundfunktion einer Darlington-Transistoranordnung
Der große Vorteil der Darlington-Transistoranordnung ist die extrem hohe Stromverstärkung. In der Praxis reicht ein minimaler Basisstrom (IB) am Transistor V1 aus, damit der Transistor V2 durchschaltet und die Verbindung zwischen Kollektor (C) und Emitter (E) niederohmig wird. Dadurch kann eine hoher Kollektorstrom (IC) fließen.
Damit das passiert, muss die Basis-Emitter-Spannung ca. 1,4 V betragen. Bei einem einzelnen NPN-Transistor ist eine Basis-Emitter-Spannung von 0,7 V ausreichend. Zudem kann die Kollektor-Emitter-Spannung bei durchgeschaltetem Transistor je nach Stromstärke noch bis zu 2 V betragen.
Kontaktbelegung des Schaltbausteins ULN2003
Im Schaltbaustein ULN2003 sind insgesamt sieben dieser Darlington-Schaltstufen integriert. Deshalb wird der integrierte Schaltkreis ULN2003 auch als Darlington Transistor Array (engl. für Darlington Transistor Anordnung) bezeichnet. Neben Transistor Arrays werden in der Elektronik auch Widerstands Arrays oder Dioden Arrays verwendet, um Platz beim Schaltungsaufbau zu sparen.
Für eine einfache Darstellung werden die Schaltstufen bzw. Stromverstärker lediglich als kleines Dreieck gezeichnet.
Da ein Spannungsanstieg am Eingang einen Spannungsrückgang am Ausgang verursacht, wird das Signal quasi umgekehrt bzw. invertiert. Diese Signalumkehr wird durch den kleinen Kringel auf der rechten Seite des Dreiecks dargestellt.
Damit das Bauteil in der Schaltung korrekt eingesetzt wird, hat es auf einer Schmalseite eine halbkreisförmige Markierung. Der Anschluss links davon ist der Anschluss-Pin 1. Manche Hersteller markieren den Pin 1 noch mit einem zusätzlichen Punkt. Die weitere Nummerierung läuft von oben gesehen entgegen dem Uhrzeigersinn.
Die Eingänge der sieben Schaltstufen liegen jeweils auf der linken Seite des ICs und belegen die Anschluss-Pins 1 bis 7. Die Ausgänge der sieben Schaltstufen befinden sich gegenüber den Eingängen auf der rechten Seite des ICs und belegen Pin 10 bis 16.
Zusätzlich ist jeder Ausgang mit einer Freilaufdiode ausgestattet, um auch induktive Lasten wie z.B. Relais oder Motoren unbeschadet schalten zu können. Die genaue Funktion einer Freilaufdiode haben wir in unserem Ratgeber zur Diode 1N4148 genauer erklärt. Alle Kathoden der sieben Freilaufdioden sind intern verbunden und werden an PIN 9 (COM) nach außen geführt. Der Anschluss-Pin 8 dient als Masseanschluss (GND = Ground).
Unterschiedliche Ausführungen
Neben der Ausführung im bereits gezeigten DIP-Gehäuse (ULN2003A), gibt es den Schaltbaustein auch als SMD-Bauteil (ULN2003D1). Zudem zählt der Schaltbaustein ULN2003 zu einer Familie von ULN Schalt- bzw. Treiberbausteinen (Driver), die alle die gleiche Grundfunktion haben, aber für unterschiedliche Schaltungsumgebungen ausgelegt sind. Demzufolge sind zum Teil zusätzliche Dioden und Widerstände in den Darlington-Stufen integriert, um die unterschiedlichen Eingangsspannungen verarbeiten zu können.
Treiberbaustein ULN2001A
Eingänge kompatibel zu DTL-, TTL-, PMOS- und CMOS-Pegeln.
Treiberbaustein ULN2002A
Eingänge kompatibel zu 14 - 25V PMOS-Pegeln.
Treiberbaustein ULN2003A
Eingänge kompatibel zu 5V TTL- und CMOS-Pegeln.
Treiberbaustein ULN2004A
Eingänge kompatibel zu 6 - 15V CMOS- und PMOS-Pegeln.
Die einzelnen Ausführungen unterscheiden sich lediglich durch die unterschiedliche Beschaltung des Eingangs (In).
Die genaue Funktion einer Darlington-Schaltstufe in einem Schaltbaustein haben wir bereits in unserem Ratgeber zum ULN2803 genau erläutert.
Der Schaltbaustein ULN2803 ist zum ULN2003 nahezu identisch, weist aber insgesamt acht statt sieben Schaltstufen auf.
Demzufolge hat das IC ULN2803 auch zwei Anschluss-Pins mehr als das ULN2003.
Neben den Anschlüssen für die sieben Ein- und Ausgänge besitzt der Schaltbaustein noch einen Anschluss (Pin 8) für Masse bzw. Ground (GND). Dieser Anschluss ist der gemeinsame Masseanschluss für die sieben Eingänge und die sieben Schaltstufen. Für die Ansteuerung der Eingänge könnte z.B. ein Arduino dienen.
Der Anschluss Pin 9 (COM) ist der gemeinsame Anschluss der sieben Freilaufdioden und wird nur beim Anschluss von induktiven Lasten wie Relais oder Motoren benötigt. In diesem Fall wird der Pin 9 mit der Versorgungsspannung der angeschlossenen Verbraucher verbunden. Werden lediglich leistungsstarke LEDs z.B. für eine Leuchtanzeige angeschlossen, bleibt der Pin 9 unbelegt.
Zur besseren Übersicht haben wir die beiden Anschluss-Varianten noch einmal bildlich dargestellt.
Anschluss von induktiven Lasten
Anschluss von ohmschen Lasten
Wichtig:
Wie bei jedem anderen Elektronik-Bauteil muss auch beim Einsatz des Schaltbausteins darauf geachtet werden, dass die max. zulässigen Grenzwerte für Strom und Spannung nicht überschritten werden.
Wenn die Betriebsspannung für die angeschlossenen Verbraucher höher ist als die Betriebsspannung der Ansteuerelektronik, müssen lediglich die Massepotentiale der beiden Spannungen miteinander verbunden werden. Dies ist der Fall, wenn z.B. mit einem 5V Steuersignal ein oder mehrere 12V Relais oder ein 12V Motor geschaltet werden sollen.
ULN 2003 Kennlinien
Laut Datenblatt können die Darlington-Transistoren im ULN2003 Spannungen bis 50 V und Ströme bis 500 mA schalten. Kurzzeitig können die Ausgänge auch Ströme bis 600 mA aushalten. Allerdings können nicht alle Ausgänge gleichzeitig und dauerhaft mit derart hohen Werten belastet werden. Die Verlustleistung für den Schaltbaustein wäre sonst zu hoch. Deshalb reduziert sich der maximal mögliche Strom, wenn mehrere Ausgänge gleichzeitig betrieben werden.
Zudem spielt auch das Tastverhältnis eine wichtige Rolle. Je kürzer der Einschaltimpuls und je länger die Pause zwischen den Impulsen ist, desto höher kann der Stromwert sein. Bei einem Verhältnis von 1:5 bzw. 20% kann noch bei allen sieben Schaltstufen der maximale Strom genutzt werden. Mit zunehmendem Prozentwert sinkt der nutzbare Strom bzw. die Anzahl der gleichzeitig genutzten Schaltstufen, die mit 500 mA belastet werden können.
Werden alle 7 Transistorstufen dauerhaft durchgeschaltet (Tastverhältnis 100%), darf jede Stufe mit max. 160 mA belastet werden. In den Technischen Daten werden zum Teil Diagramme gezeigt, aus denen genau abgelesen werden kann, wie hoch die Belastbarkeit der einzelnen Schaltstufen bei unterschiedlichen Bedingungen ist.
Die Kennlinien zeigen die Abhängigkeit des max. zulässigen Kollektorstromes ICS vom Tastverhältnis V und der Anzahl der aktiven Ausgänge bei einem ULN2003 mit DIL-16-Gehäuse und ϑB = 70 °C.
Speziell für Schulen oder zu Ausbildungszwecken eignen sich einfache Schaltungsaufbauten mit dem Schaltbaustein ULN2003. Dies könnte zum Beispiel ein einfacher Wasserstandmelder für Regenwasser-Zisternen sein, der mit wenigen externen Bauteilen rund um den Schaltbaustein aufgebaut werden kann. Da zudem die Stromversorgung über eine 9 V Blockbatterie erfolgt, ist diese Schaltung ideal für einen praxisbezogenen Unterricht geeignet.
Die Schaltung kann wahlweise auf einer Lochrasterplatine oder auf einem Steckboard aufgebaut werden. Für einen dauerhaften Aufbau und zum Erwerb von Lötkenntnissen, wäre der Aufbau auf einer Platine vorzuziehen.
Sollte die Schaltung lediglich zum Experimentieren gedacht sein, eignet sich ein lötfreier Aufbau auf einem Steckbrett bzw. Steckboard.
Schaltungsbeschreibung der Zisternen-Füllstandanzeige
Der Aufbau der LED-Anzeige des Wasserstandmelders bzw. der Füllstandanzeige entspricht exakt den bereits erläutertem Anschlussschema für ohmsche Lasten. Je nach Bedarf können Standard-LEDs mit unterschiedlichen Farben genutzt werden, um so die Anzeige aussagekräftiger zu gestalten. Bei einer Betriebsspannung (VCC) von 9 – 12 V ergeben LED-Vorwiderstände mit einem Wert von ca. 1 kΩ eine ausreichende Helligkeit ohne zu blenden. Wenn jedoch die volle Leuchtkraft der LEDs gewünscht wird, müssen die Vorwiderstände für die jeweils verwendeten Leuchtdioden separat berechnet werden.
Auf der Eingangsseite des ICs werden isolierte Drähte genutzt, bei denen das abisolierte Kabelende als Sensor für das Wasser dient. Die Drähte werden jeweils über einen 10 kΩ Widerstand mit den Eingängen des ICs verbunden. Eine weitere Leitung (Elektrode) führt das Pluspotential (+U) der Versorgungsspannung ebenfalls in den Wasserbehälter.
Wenn die Versorgungsspannung angeschlossen wird und der Wasserbehälter leer ist, leuchten die LEDs nicht.
Sobald jedoch Leitungswasser oder Regenwasser in den Behälter eingefüllt wird, fungieren die im Wasser gelösten Salze als elektrischer Leiter.
Dadurch fließt ein minimaler Strom von der Plus-Elektrode durch das Wasser zu den Sensoren und weiter zum IC ULN2003A.
Dieser sehr geringe Strom reicht aus, um die Darlington-Schaltstufe im ULN2003 anzusteuern, damit die LED am Ausgang leuchtet.
Wenn die Eingangssensoren mechanisch in unterschiedlichen Höhen angebracht werden, kann so der Füllstand mit Hilfe der LEDs genau angezeigt werden. Bei Bedarf kann die Schaltung auch mit zwei oder drei ICs aufgebaut werden. Damit stehen dann 14 bzw. 21 unterschiedliche Messpunkte zur Verfügung, die eine sehr feine Unterteilung der Wasserstandhöhe in der Regenwasserzisterne ermöglichen.
Weitere Experimentiermöglichkeiten
Selbstverständlich sind auch komplexere Schaltungsaufbauten möglich. So könnte der Schaltbaustein ULN2003A als Motortreiber genutzt und mit einem 5V Schrittmotor oder DC-Motor kombiniert werden. Die Ansteuerung des Schaltbausteins erfolgt dann z.B. mit einem Arduino Einplatinencomputer. In diesem Zusammenhang kann dann auch gleich ein geeignetes Programm für den Arduino erstellt werden, um den Schrittmotor individuell ansteuern zu können.
Dem Experimentieren und Tüfteln mit dem ULN2003 sind technisch gesehen so gut wie keine Grenzen gesetzt.