microcontroller.it - T&T PIC - Darlington array

La configurazione open collector è un classico tra i driver utilizzati per comandare carichi con tensioni e/o correnti superiori alle possibilità di un microcontroller.

Anche se la corrente gestibile dalle uscite digitali dei microcontroller è dell'ordine dei 25 mA, una buona pratica è quella di non eccedere i 25-50 mW per il carico su un pin (ovvero 5-10 mA a 5V).
E', però, probabile che il circuito attorno al microcontroller richieda di comandare un carico superiore, sia in corrente che in tensione. Ed è anche comune che il microcontroller si trovi a dover pilotare più di un carico, come nel caso di strip di LED, display a segmenti, relè, motori a passi, ecc.

A questo scopo sono stati realizzati array di transistor che, in un unico package, integrano più di un darlington e le le resistenze e i diodi necessari.

Tipicamente si tratta di integrati in package DIL a 16-18 pin contenenti rispettivamente 7 o 8 driver completi. Sono componenti molto noti e comuni, con la sigla originale iniziante per ULN.

Ad esempio, il componente ULN2003 è composto da 7 driver open collector.

Ogni canale realizza un low side switch con due transistor NPN in configurazione darlington.

L' integrato contiene altresì le resistenze necessarie al darlington, una resistenza di limitazione della corrente di base del primo transistor e vari diodi di protezione.

Quindi, un solo package DIP a 16 pin sostituisce almeno 21-42 componenti discreti.

E' evidente il risparmio di spazio sullo stampato e di tempo/costo per l' asemblaggio.

I darlington open collector sono identificati come buffer invertenti, all' uscita di ognuno dei quali si trova un diodo con i catodi in comune. Lo scopo principale di questi diodi è di proteggere i transistor dalle sovratensioni generate da carichi induttivi durante le commutazioni, collegando il comune COM alla Vcc che alimenta i carichi.

Per inciso, collegando COM alla massa, tutti i carichi saranno azionati contemporaneamente attraverso i diodi; questo può essere utilizzato come funzione di test, ad esempio nel comando di display per verificare eventuali LED interrotti.

In effetti, la famiglia ULN200x comprende diversi elementi, che si differenziano per il circuito di ingresso.
In termini elettrici, questi driver utilizzano un livello logico a bassa corrente per accendere / spegnere un transistor di potenza; le diverse versioni si differenziano tra di loro per il tipo di ingresso logico che possono trattare.

modello	darlington	impiego
ULN2002		interfaccia con PMOS a 14-25V
ULN2003		Rb= 2k7 Interfaccia con dispositivi TTL
ULN2004		Rb=10K5 Interfaccia con dispositivi CMOS alimentati tra 6 e 15V
ULN2005		Rb=1K5 Interfaccia con dispositivi high output TTL

Tutti i driver possono sopportare una tensione massima di 50V e una corrente di picco di 500mA.
Il guadagno dei darlington è tale da non superare il fan out delle porte logiche da cui sono comandati.
Il loro impiego, quindi, è molto semplice.

Ad esempio, per comandare un display ad anodo comune ( o sette stringhe di LED) che assorba una corrente superiore a quella gestibile direttamente dai pin del microcontroller, un integrato ULN2003 è l' ideale.

Con un solo componente si sostituiscono 7 transistor, le relative resistenze di base e i diodi di protezione.

Tra l' altro, la configurazione open collector consente di avere la tensione di alimentazione del display diversa da quella del microcontroller.

Così i display o i LED potranno essere alimentati a monte del regolatore di tensione del microcontroller; basterà adeguare le resistenze di limitazione in serie.
Dato che in carico non ha componenti induttive rilevanti ( a meno di lunghi collegamenti tra ULN e display). i diodi di protezione integrati possono essere utilizzati per un' altra funzione, svolta dal jumper J1:

J1	Funzione
1-2	Comune dei diodi connesso alla Vcc per protezione contro le sovratensioni da carico induttivo
2-3	Comune dei diodi collegato a massa: tutti i carichi applicati alle uscite vengono alimentati contemporaneamente attraverso i diodi. In questo caso si dispone di una funzione di lamp test che accende tutti i segmenti per verifica della loro funzionalità.

La scelta di ULN2003 è ovvia: questo componente è previsto per interfacciare logiche con livello di uscita TTL, come sono i port del microcontroller. Se si avesse a che fare con logiche diverse, si sceglierà una delle altre interfacce.

I driver darlington non hanno limiti di applicazione se non le specifiche massime di carico e tensione. Possiamo quindi utilizzarli per comandare un piccolo motore a passi.

Il comune dei diodi è collegato alla Vcc a protezione contro le sovra tensioni.
Gli ingressi dei driver non utilizzati saranno collegati a massa.

Si potranno controllare relè, lampadine, solenoidi, resistenze e ogni altro genere di carico nei limiti della portata dei driver.

A questo riguardo va tenuto presente che i dati di massima elencati all' inizio sono, perlappunto, dati di massima. Un principiante potrebbe pensare l' integrato, con 7 driver da 500 mA ciascuno possa comandare 7 * 0,5 = 3,5 A. Così non è. La tensione tra emettitore e collettore dei transistor quando sono in completa conduzione è 1.6 V a 350mA, ovvero una perdita in calore di 0.56W; se tutti i transistor fosse contemporaneamente in conduzione con questo carico si avrebbero 3,92 W di perdita in calore, il che farebbe superare ampiamente la temperatura massima di giunzione (3.92 x 70 = 274 °C).
Se consideriamo una temperatura di giunzione di sicurezza di 120°C e una temperatura ambiente di 40°C, con la resistenza termica di 70°C/W potremmo al massimo dissipare 80/70 = 1,14 Watt. -
Quindi, una corrente complessiva di 1,14 / 1.6 = 712 mA. Per ogni transistor , che è totale per tutti i dispositivi del pacchetto. Quindi una corrente per singolo elemento di circa 100 mA. Ovviamente se non tutti i driver sono in funzione, la corrente nei singoli potrà aumentare.

Per un uso continuo, osservando con cura il foglio dati, si rilevano le seguenti condizioni:

Tutto questo presuppone che i dispositivi siano accesi in modo permanente; se si tratta di un comando a impulsi il foglio dati riporta un grafico di SOA (Safe Operation Area):

Dal diagramma si può rilevare, come appena visto, che non tutte le uscite possono essere contemporaneamente in conduzione alla massima corrente, ma è necessario rispettare un massimo di potenza dissipata, limite dato dalla possibilità del package di smaltire il calore che si sviluppa per effetto Joule nelle giunzioni.

Ad esempio, 1 driver in funzione potrà portare 500 mA con un duty cycle dell' 80%, ma se i driver in funzione sono 4, il duty cycle si ridurrà a poco più del 20%.

Tutti e sette i driver in conduzione continua (duty 100%) potranno portare poco più di 100mA ciascuno, come visto nel calcolo precedente.

In ogni caso, la temperatura del package dovrà essere mantenuta ad un livello inferiore a 85 °C oppure sarà necessario un sistema di raffreddamento.

Raffreddare il package con un dissipatore esterno è sempre possibile, ma uno sguardo al foglio di dati indica la resistenza termica tra giunzione e case pari ad almeno 70 °C/W, il che rende difficoltoso lo smaltimento del calore attraverso questa via.

La scelta di 7 driver in un package deriva dalla necessità di comandare display a 7 segmenti o solenoidi di una testina di stampa ad aghi o simili.
Analoga soluzione esiste con 8 driver, dato che logicamente i port sono raccolti in gruppi di 8 bit.

Il componente adeguato ad interfacciare i port del microcontroller è indicato come ULN2803, mentre ne esistono altre versioni adatte per altre famiglie logiche.

La struttura è del tutto identica, solamente a modulo 8 invece che 7. Ovviamente al package si aggiungono due pin, passando da 16 a 18.

Il suo impiego è del tutto analogo a quello dell' ULN2003. La maggior quantità di driver consentirà di pilotare più uscite attraverso un solo circuito integrato; ad esempi sarà possibile comandare due piccoli motori a passi oppure 8 relè o 8 LED o un display a 7 segmenti + punto decimale, ecc.

Esistono anche modelli (282x) che hanno tensione di collettore di 95V; in ogni caso occorre considerare i limiti di corrente/potenza del dispositivo onde evitare di superarli.

Questi array di darlington sono molto pratici per la semplicità di uso e per il basso numero di parti da assemblare sul circuito stampato.
Si prestano molto bene al comando ON/OFF "statico", ma anche, e meglio, a comandi modulati, tipo PWM.

Varie versioni, anche con sigle diverse, ma speso pin to pin compatibili, (ULNQ, ULQ,M54566., MC1413, ecc.) sono disponibili da Toshiba, Allegro, Texas Instruments, Mitsubishi, NTE, ON Semiconductor ST e altri, specialmente nomi poco noti dalla Cina, per cui si tratta di componenti di facile reperibilità.

Versioni MOS

Nonostante la lunghissima vita e la enorme diffusione dei vari ULN, la possibilità di sostituire transistor BJT con MOSFET e con i relativi vantaggi, ha fatto si che alcuni costruttori realizzassero "versioni MOSFET" degli ULN.

I codici di questi componenti, da Texas Instruments, iniziano con "TPIC": ad esempio

TPIC2701, pin compatibile con il ULN200x, è un array di open drain capace di 60V - 0.5A.

I MOSFET finali hanno una resistenza interna tra 0.5 e 1.3 ohm.

Il vantaggio di un MOSFET non è necessariamente la capacità di corrente e/o tensione, ma la riduzione del consumo di energia: la differenza tra la tensione di saturazione di un BJT e la Rds di un MOSFET. può dare origine ad una riduzione del calore dissipato di 2-10 volte.
Ad esempio, la saturazione di un ULN2803 a 350mA può essere di 1.6V, il che da origine a 560mW in calore dissipato dalla coppia darlington.Per questi MOSFET, con resistenza peggiore a 1.3 ohm, la perdita è solo di 159 mW a 350mA.

Esiste poi una discreta varietà di dispostivi simili con un numero di canali variabile, da 2 a 6 o più.
Tanto per citarne alcuni:

Il costo di questi integrati può essere maggiore di quello delle parti staccate, ma solitamente si recupera ampiamente dato che si semplifica significativamente la progettazione e il layout dei circuiti stampati e le operazioni di assemblaggio e saldatura.

PNP

Meno noti, esistono anche array di darlington PNP. La serie commerciale più nota ha la sigla UDN.

Ognuno degli 8 driver, internamente, è realizzato così:

Esistono quindi gli equivalenti high side switch della serie ULN vista prima, ovvero da UDN2981 a UDN2984.
UDN2981/2 hanno una tensione massima di 50V e UDN2983/84 possono sopportare 80V.
UDN2981/3 accettano ingressi logici fino a 15V, mentre UDN2982/4 fino a 20V, tutti con una corrente massima di 500mA.

La struttura del darlington finale è del tutto analoga rispetto agli ULN, compreso il diodo di protezione su ogni canale di uscita (che, qui, è riferita alla massa).

L' inversione della funzione che permette al darlington di operare come high side switch, col collettore alla Vcc, dipende dal circuito di comando: la corrente che arriva dal port va a comandare un open collector NPN (limitato in corrente da un' altro NPN), mentre la corrente di base del finale di potenza dipende da un PNP. In questo modo, pur trattandosi di un high side switch, la tensione di alimentazione del carico potrà essere diversa da quella del microcontroller.

Anche in questo caso la logica di comando è positiva rispetto al carico:

Ci sono versioni a 8 canali realizzate dagli stessi costruttori dei modelli NPN o versioni a 7 canali e anche con un numero minore di uscite o correnti o tensioni più elevate, principalmente prodotti come driver per motori, lampade, solenoidi, testine di stampa, ecc.

L' impiego di questi componenti è vario, ad esempio nel campo dell'automotive o industriale, dove si preferisce un capo del carico alla massa, oppure come driver PNP per comando di multiplex di display ad anodo comune, banchi di relè, solenoidi ed, in generale, di carichi con un capo al comune negativo.
Il vantaggio consiste sempre nella drastica riduzione delle parti da assemblare sul circuito stampato.

Ecco, ad esempio, un comando realizzato con questi array integrati per 8 display ad anodo comune a sette segmenti + punto decimale, multiplexati. Si potranno utilizzare anche grandi display fino alla tensione/corrente supportata dagli ULN/UDN.

Le resistenze di limitazione possono essere inserite anche in serie agli anodi, ma quando sono accesi più segmenti su un display, la luminosità decresce.

Comandare carichi

Array di darlington: più carichi con un solo integrato.

Versioni MOS

PNP

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