ULN2803 » Aufbau und Funktionsweise des Schaltbausteins anschaulich erklärt
Wenn es darum geht, mit einem Einplatinencomputer mehrere Anzeige-LEDs oder auch unterschiedliche große Lasten zu schalten, wird in der Elektronik sehr gerne auf den Schaltbaustein ULN2803 zurückgegriffen. Der Grund dafür liegt im deutlich einfacheren Schaltungsaufbau. Wir zeigen, wie das Treiber-IC bzw. der Schaltbaustein funktioniert und wie er richtig angeschlossen wird.
In der Digitalschaltechnik müssen oftmals leistungsstarke Signallampen oder unterschiedliche Relais angesteuert werden. Da die Ausgänge der digitalen Schaltungen diese Verbraucher größtenteils nicht direkt schalten können, müssen sogenannte Schalttransistoren verwendet werden. Im Falle eines Lauflichts mit 8 Kanälen sind das 8 Schalttransistoren, 8 Leuchtdioden und 8 Vorwiderstände. Wenn induktive Lasten wie Relais geschaltet werden müssen, wird pro Spule noch eine zusätzliche Freilaufdiode benötigt.
Sicher, die Komponenten fallen preislich nicht unbedingt ins Gewicht, denn sie werden größtenteils für wenige Cent gehandelt. Vielmehr ist der nicht unerhebliche Platzbedarf das große Problem. Und genau hier spielt der Schaltbaustein ULN2803A seine Stärken aus. Denn die integrierte Schaltung (IC) beinhaltet 8 Schaltstufen inkl. der dazugehörigen Freilaufdioden.
Ein ULN2803A mit DIP-Gehäuse in einer Platine verbaut.
Trotz der kompakten Bauweise können mit jeder der 8 Schaltstufen Ströme von bis zu 500 mA geschaltet werden. Aber auch die Schaltspannung kann bei Bedarf recht hoch gewählt werden. Denn die Spannungsfestigkeit der Ausgänge liegt bei bis zu 50 Volt (V).
Die Bezeichnung Schaltbaustein verdeutlicht, dass in diesem IC mehrere elektronische Schalter integriert sein müssten. Und genau so ist es auch. Das Treiber-IC beinhaltet insgesamt 8 Schaltstufen, die jeweils einen Eingang mit dem gegenüberliegenden Ausgang verbinden. Dadurch wird das Platinenlayout deutlich vereinfacht.
Da bereits ein geringer Steuerstrom ausreicht, um einen höheren Laststrom zu schalten, wird diese Stromverstärkung als Dreieck dargestellt. Was der kleine Kringel nach dem Dreieck bedeutet, erklären wir im nachfolgenden Abschnitt zur Funktion des ICs.
Jeder Ausgang des ICs ist zusätzlich über eine separate Freilaufdiode mit dem gemeinsamen COMMON-Anschluss (COM) verbunden. Das ULN2803A ist mit einem DIL-18 Gehäuse oder auch als SMD-Bauteil erhältlich.
Anschlussbelegung mit schematischer Innenbeschaltung beim ULN2803A.
Der ULN2803 besitzt auf einer der beiden schmalen Gehäuseseiten eine halbkreisförmige Markierung. Wenn das Bauteil mit der Markierung nach oben ausgerichtet ist, befindet sich links davon der Anschluss (PIN) 1.
Der Pin 1 ist gleichzeitig auch der Eingang der ersten Schaltstufe. Die weitere Nummerierung der Pins erfolgt entgegen dem Uhrzeigersinn. Demzufolge liegt der Ausgang der ersten Schaltstufe auf Pin 18.
Als Stromverstärker bzw. elektronischer Schalter dienen jeweils zwei Transistoren, die in einer Darlington-Schaltung angeordnet sind. Darum wird das Bauteil zum Teil auch als ULN2803A Darlington Transistor Array, Schalttransistor Array oder einfach nur als Transistor Array bezeichnet.
Wobei der Begriff Transistor Array lediglich die Anreihung von Transistoren zum Ausdruck bringt. Neben den Transistor Arrays gibt es auch Resistor Arrays, die mehrere Widerstände beinhalten. Und bei Gleichrichter Dioden Arrays sind mehrere Dioden in einem Gehäuse untergebracht.
Eine Darlington-Schaltung besteht aus zwei bipolaren Transistoren. Der linke Transistor (V1) arbeitet als Emitterfolger, wodurch der Eingangswiderstand sehr hoch ist.
Der rechte Transistor (V2) fungiert als Leistungstransistor, der für die hohen Schaltströme zuständig ist.
Dadurch kann mit einem geringen Steuerstrom ein hoher Laststrom geschaltet werden.
Bei einem Darlington-Transistor sind die beiden Transistoren in einem Gehäuse untergebracht. Allerdings verdoppelt sich bei einem Darlington-Transistor mit Silizium-Technologie die Basis-Emitter-Spannung auf ca. 1,4 V. Bei einem Standard-Transistor beträgt sie rund 0,7 V.
Bei einem voll durchgeschalteten Darlington-Transistor kann die Kollektor-Emitter-Spannung noch bis zu 2 V betragen.
Vereinfachtes Ersatzschaltbild eines Darlington-Transistors.
Unterschiedliche Ausführungen
Die integrierte Schaltung ULN2803A ist ein Bauteil aus einer ganzen Serie von UNL28XX ICs, die gleichartig aufgebaut sind und auch gleich funktionieren. Die kleinen aber feinen Unterschiede liegen lediglich in der Eingangsimpedanz bzw. in der Verwendbarkeit mit anderen Komponenten. Dadurch ist der interne Aufbau der Darlington-Schaltung leicht unterschiedlich:
Treiberbaustein ULN2801A
Jeder Treiber/jede Schaltstufe des ICs ist für PMOS-/CMOS-Pegel geeignet.
Treiberbaustein ULN2802A
Jeder Treiber/jede Schaltstufe des ICs ist für 14 – 15 V PMOS-Pegel geeignet.
Treiberbaustein ULN2803A
Jeder Treiber/jede Schaltstufe ist für 5V TTL-/CMOS-Pegel geeignet.
Treiberbaustein ULN2804A
Jeder Treiber/jede Schaltstufe ist für 6 – 15 V CMOS -/PMOS-Pegel geeignet.
Treiberbaustein ULN2805A
Jeder Treiber/jede Schaltstufe ist für High Out TTL-Pegel geeignet.
Hinweis:
Die Dioden mit den gestrichelten Linien sind empfohlene Schutzdioden.
Die Funktion einer Darlington-Schaltstufe im Schaltbaustein ULN2803 ist anhand des Prinzip-Schaltbildes recht einfach erklärt:
Prinzip-Schaltbild einer Darlington-Schaltstufe mit schematischen Darstellungen der Spannungsverläufe im Schaltmoment..
Ohne Steuersignal am Eingang sperren die beiden NPN Transistoren V1 und V2 und die LED am Ausgang leuchtet nicht. Da kein Strom fließt, fällt über den Vorwiderstand und die LED keine Spannung ab und am Ausgang (Out) steht die Betriebsspannung +U in voller Höhe an.
Wird nun am Eingang (In) ein positiver Impuls angelegt, wird dieser an die Basis des Transistors V1 weitergeleitet. Dadurch wird die Kollektor/Emitter-Strecke vom Transistor V1 niederohmig. Der dadurch ansteigende Kollektor/Emitter-Strom sorgt dafür, dass am Emitter von V1 die Spannung steigt. Da die Basis vom Transistor V2 mit dem Emitter von V1 verbunden ist, steigt auch an der Basis vom Transistor V2 die Spannung.
Ab einen Wert von 0,6 – 0,7 V schaltet auch der Transistor V2 die Kollektor/Emitter-Strecke niederohmig. Die LED beginnt zu leuchten und der Vorwiderstand RL begrenzt den Strom durch die LED.
Hinweis:
Da ein positiver Spannungsimpuls am Eingang einen Spannungsrückgang am Ausgang zu Folge hat, spricht der Fachmann davon, dass das Eingangssignal umgedreht (invertiert) wird. Bei der Darstellung der schematischen Innenbeschaltung (siehe 2. Abbildung von oben) wird dies durch einen kleinen Kreis nach dem Stromverstärkerdreieck zum Ausdruck gebracht.
Anstelle einer ohmschen Last, wie z.B. eine LED mit Vorwiderstand oder einer Glühlampe, kann der Schaltbaustein ULN2803 auch induktive Lasten wie Relais, Magnetventile oder Schrittmotoren schalten. Allerdings müssen sich Strom, Spannung und auch die Leistung immer innerhalb der im Datenblatt angegebenen zulässigen Grenzwerte befinden.
Die maximale Schaltspannung beträgt 50 V, der maximale Dauerstrom pro Schaltstufe beträgt 500 mA. Die max. Verlustleistung pro Schaltstufe liegt bei 1 W und die max. Verlustleistung des kompletten ICs beträgt 2,25 W.
Bei Bedarf lassen sich Schaltstufen auch parallel schalten, um z.B. die Schaltströme aufzuteilen. Weitere Informationen sind den technischen Daten bzw. dem Datenblatt des Herstellers zu entnehmen.
Für die Einsteiger im Bereich der Elektronik ist es überraschend, dass das Bauelement keine Versorgungsspannung im herkömmlichen Sinn benötigt. Es gibt zwar mit Pin 9 einen Anschluss für Ground (GND) oder Masse, aber ein Pin Vcc für einen Plusanschluss ist am IC nicht vorhanden.
Dieser ist auch nicht erforderlich, da die NPN Darlington Schalttransistoren über die jeweiligen Verbraucher ihre Schaltspannung erhalten. Diese Spannung wird dann vom Driver lediglich gegen Masse geschaltet.
Anschluss von ohmschen Lasten
Beim Schalten von ohmschen Lasten werden lediglich die erforderlichen Eingänge (Pin 1 – 8) und die Ausgänge (Pin 11 – 18) beschaltet. Der GND-Anschluss (Pin 9) wird mit Masse (Minuspotential) verbunden. Der gemeinsame COMMON-Anschluss (Pin 10) muss in diesem Fall nicht belegt werden.
Anschluss von induktiven Lasten
Falls induktive Lasten wie Relais oder Motoren geschaltet werden, muss der COMMON-Anschluss (Pin 10) mit dem Plus-Anschluss der Versorgungsspannung der Motoren bzw. der Relais verbunden werden. Im Ausschaltmoment schließen dann die jeweiligen Dioden im IC die entstehende Selbstinduktionsspannung kurz.
Wichtig:
Falls der Schaltstrom eines Ausgangs mit maximal 500 mA nicht ausreichend sein sollte, können auch mehrere Ausgänge parallel betrieben werden, um einen Verbraucher mit mehr als 500 mA Stromaufnahme zu schalten.
Auch möglich: Die zu schaltenden Verbraucher können bei Bedarf mit einer höheren Spannung als im Steuerkreis betrieben werden. Wenn die Steuerelektronik mit 5 V betrieben wird, kann man problemlos z.B. Relais mit 12 V Spulenspannung schalten. In diesem Fall muss lediglich das Massepotential beider Stromkreise miteinander verbunden werden.
Unser Praxistipp
Auch wenn pro Kanal eine Freilaufdiode im Schaltbaustein integriert ist, setzen Entwicklungsingenieure trotzdem noch gerne Freilaufdioden in unmittelbarer Nähe der Relais oder Motoranschlüsse ein. Besonders bei großen Induktivitäten ist diesen praxiserprobte Maßnahme sehr sinnvoll.
Die Dioden D1 und D3 sind die Freilaufdioden für die beiden Relais am rechten Bildrand.
Um den Schaltbaustein bzw. das Treiber-IC ULN2803 testen zu können, benötigt man eine Signalquelle, die ein Ansteuersignal mit 5 V liefert. Das kann ein Einplatinencomputer (Raspberry oder Arduino), eine TTL-Schaltung oder eine sonstige Steuerelektronik sein. Für unseren Funktionstest haben wir einfach den Schaltungsaufbau aus unserem Artikel zum Schieberegister 74HC595 erweitert.
Dank dem Schaltverstärker ULN2803 können auch Verbraucher mit höherem Leistungsbedarf problemlos angesteuert werden.
Da das Schieberegister keine hohen Ströme schalten kann, mussten wir Low Current-LEDs für die Anzeige verwenden. Mit Hilfe des Treiberbausteins ULN2803 können wir mit dem Schieberegister nun auch lichtstarke Glühbirnchen ansteuern.
Um den Aufbau auf der Steckplatine übersichtlich zu halten, wurden lediglich vier Glühbirnchen verwendet. Zudem sind die Glühlampen an der gleichen Spannungsversorgung angeschlossen, wie das Schieberegister.
Die ersten vier Ausgänge des Schieberegisters 74HC595 sind mit den zufällig gewählten Eingängen 1, 3, 5 und 7 des Schaltbausteins verbunden.
An den Ausgängen 1, 3, 5 und 7 des Schaltbausteins ist jeweils ein Birnchen angeschlossen. Der zweite Kontakt der vier Birnchen-Fassungen ist mit dem Plus-Anschluss der Versorgungsspannung verbunden.