ULN2003A

ULN2003A Datasheet

การคำนวณสำหรับ ตู้น้ำ BWT-ISOLATE V1 จะคำนวณอุณหภูมิ 40 องศา

 

คุณสมบัติ

  • Collector Current 500mA
  • VCC(max) 50V
  • เป็นวงจร แบบ Not gate คือเข้า 1 ออก 0 , เข้า 0 ออก
  • ถ้าต้องการกระแสมากกว่า 500 มิลลิแอมป์สามารถที่จะใช้วิธีการขนานช่องได้
  • การเลือกช่องควรคำนึงถึงกระแสที่ไหลในแต่ละช่องด้วยถ้าอยู่ห่างกันก็จะดีต่อการระบายความร้อน

  • VI(ON) แรงดันไฟฟ้า จะต้องสูงกว่า 2.4V เพื่อให้เอาต์พุตเปิดได้ ที่เงื่อนใข VCE = 2V , IC = 200mA ค่าเหล่านี้แสดงค่าสูงสุดเท่านนั้นห้ามเอามาใช้งานจริง ในการใช้จริงแรงดันจะต้องมากกว่านี้ ต้องดูกระแส IC ด้วย ถ้าต้องการกระแส IC มาก ก็จะต้องคำนวณให้แรงดันมาตามด้วย ดูจากตรารางกระแส และกราฟประกอบ
  • Ii(off) กระแสไฟปิดขั้นต่ำ ดังนั้นค่ากระแสอินพุทต้องมากกว่า 65uA ถึงจะสั่งให้ ON ได้
  • II กระแสไฟเข้า ทดสอบที่ VI = 3.85V รองรับกระแสสูงสุดที่ 1.35mA
  • ในการออกแบบโดยทั่วไปกระแส II(on) = ~350uA @ Vin = 2.4V และ
    II(on) สูงสุด = ~750uA @ Vin = 2.4V
    II = 650uA รองรับกระแสสูงสุดได้  IC  = 500mA
  • VEC ที่ยอมรับได้ไม่เกิน 2V เวลาใช้งานจริงต้องน้อยที่สุด

เราสามารถขนานช่อง 7 กับช่องที่ไม่ได้ใช้ (1 หรือ 2) เพื่อเพิ่มการรองรับกระแส และความทนทานเพิ่มเติม

สูตรหา RIN ยังไม่ยืนยันว่าใช้งานได้มั้ย ปรกติ RB ภายในคือ 2.7k ohm จะมีแรงดันตกคร่อมที่นี่ 1.4V

ถ้าอินพุท 24V และต้องการให้แรงดันอินพุทเป็น 5V สามารถหาค่า RIN ได้จาก
RIN=2.7k*((24V-5V)/(5V-(0.7+0.7)) = 14.25k

ถ้าอินพุท 12V และต้องการให้แรงดันอินพุทเป็น 5V สามารถหาค่า RIN ได้จาก
RIN=2.7k*((12V-5V)/(5V-(0.7+0.7))) = 5.25k

ไดโอดที่ต่อคร่อม โหลด

  • โดยทั่วไปไม่จำเป็นต้องเพิ่มไดโอดเสริมรูปแบบใดๆ จากเอาต์พุตไปยัง COM เนื่องจากไดโอดดังกล่าวจะซ้ำกับไดโอดแคลมป์ภายใน
  • แต่ถ้าใส่ มันจะไม่ก่อให้เกิดปัญหา หรืออันตรายใดๆ และอาจเป็นประโยชน์ในการป้องกันเพิ่มเติม หากกำลังขับโหลดแบบเหนี่ยวนำสูงโดยการแบ่งกระแสส่วนเกินให้ไปอยู่ภายนอกไอซี
  • ถ้าใส่ควรใส่ไดโอดที่มีความเร็วสูง เช่น ชอตกีไดโอด Schottky เพราจะเร็วกว่าไดโอดภายใน
  • หากไม่ได้ขับโหลดแบบเหนี่ยวนำ ไม่มีประโยชน์ที่จะใช้ไดโอด

มาลองคำนวณตามสูตรหาค่า RIN ตามสูตรด้านบน โดยใส่ค่า RIN ที่ขา B ของ ULN2003A ที่เขาใส่มา 6.8K และจะหาแรงดันตกคร่อมระหว่างขา B กับ E โดยให้ X แทนแรงดัน

6.8k = 2.7k((11.854V – X) / (X – 1.4V))  (กดจากเครื่องคิดเลขแต่รอนานหน่อย)
X = 4.371V ใกล้เคียงกับที่วัดได้ ในการวัดจริง VCE ของ วัดได้ 93mV จึงมีผลน้อยมากที่จะทำให้การคำนวณคลาดเคลื่อน

MCU ขับ EL817C ขับ ULN2003A

จากรูปวัดกระแสจริงจากวงจรด้วยมิเตอร์ ตรงขา C ของ ULN2003A วัดได้ 28.65mA มันจะลดลงเรื่อยๆเหมือนเกิดความร้อนที่ขดลวดทำให้ค่าความต้านทานที่ขดลวดรีเลย์เพิ่มขึ้น(เคยเอาไปตากแดดแล้วค่าความต้านทานเพิ่มขึ้น) จึงทำให้กินกระแสน้อยลง

มาลองคำนวณเปลี่ยนกระแส IF เพื่อควบคุมกระแส IC ของออปโต้ ให้ได้ตามดาต้าชีทของ ULN2003A คำนวณที่ 40 องศา

จากกราฟของ EL817C รูป Figure 3. Current Transfer Ratio vs Ambient Temperature ที่เส้น IF = 0.5mA 40 องศา ค่า CTR 0.0.33 เท่า

คำนวณที่ IF = 0.5mA
ค่าการส่งผ่านกระแส (CTR=200~400%)*0.33เท่าพอดี = 66~132%
IF=0.5mA*(66~132%) = 330uA~660mA
นำไปคำนวณหาค่า RF ที่ VCC = 4.984V , VF = 1.044V , กระแส 0.5A ได้ 7.88k ไม่มีเลย
ใส่ 7.5K ซึ่งจะได้กระแสที่ IF=0.525mA

คำนวณที่ IF = 0.525mA
ค่าการส่งผ่านกระแส (CTR=200~400%)*0.33เท่าพอดี = 66~132%
IF=0.525mA*(66~132%) = 364.5uA~693mA
ใส่ตัว RF ที่ใกล้เคียงที่สุดที่มีขาย 7.5k Ohm ซึ่งวัดกระแสจริงได้ 0.517mA
ตามรูปวัดค่าจริงทุกจุด

 

จากการทดสอบและวัดจริง ป้อนแรงดันและกระแส IF = 517uA และวัดกระแสเข้า IB ได้ 398.1uA แสดงว่าค่า CTR ได้ไม่ถึง 1 เท่า แล้วยังมีสิ่งที่เปลี่ยนไปคือ VCE ของ Op-to วัดได้ 6.63V เพิ่มขึ้นอย่างมาก ส่วนกระแสที่ไหลเข้าขา C ของ ULN2003A วัดได้ 28.4mA ไม่แต่กต่างกับครั้งก่อน

ต่อมาเราจะลดค่าความต้านทานของโหลดตรงรีเลย์(400 Ohm) โดยใช้ตัว R แทน เพื่อให้กระแสที่โหลดเพิ่มขึ้นจนถึง 500mA ตามดาต้าชีท วัดกระแสที่ไหลเข้าขา C ของ ULN2003A และบันทึกผล

ที่โหลด R = 50 โอห์ม วัดกระแสที่ไหลเข้าขาULN2003A = 208mA แรงดัน VRL = 10.41V
ที่โหลด R = 30 โอห์ม วัดกระแสที่ไหลเข้าขาULN2003A = 329mA แรงดัน VRL = 10.51V
ที่โหลด R = 20 โอห์ม วัดกระแสที่ไหลเข้าขาULN2003A = 518mA แรงดัน VRL = 10.62V

จากการทดสอบกับตัวอาร์โหลด 20 โอห์ม ULN2003A สามารถรองรับกระแสได้ประมาณ 500mA ตามดาต้าชีท โดยป้อนกระแสที่ขา B ของ ULN2004A ที่ 394uA


การคำนวณสำหรับ ตู้น้ำ BWT-ISOLATE V1 จะคำนวณอุณหภูมิ 40 องศา

  • EL817C ต้องทำงาน Saturation ที่ IF = 1mA , VCE = น้อยกว่า 0.2V , ต้องการกระแสประมาณ 500uA
  • ULN2003A ต้องทำงาน Saturation ที่ขา B ต้องการกระแสประมาณ II = 500uA เพื่อรองรับโหลดสูงสุด IC = 350mA แต่ใช้งานจริงรีเลย์กิน 30mA

 

 

จากกราฟของ EL817C รูป Figure 3. Current Transfer Ratio vs Ambient Temperature ที่เส้น IF = 1mA ค่า CTR 0.45 เท่า (ที่ 40 องศา)

คำนวณที่ IF = 1mA (ที่ 40 องศา)
ค่าการส่งผ่านกระแส (CTR=200~400%)*0.45เท่า = 90~180%
IF=1mA*(90~180%) = 900uA~1.8mA แต่ค่าที่เราต้องการคือมากกว่า 650uA เพราะว่า II = 650uA รองรับกระแสสูงสุดได้  IC  = 500mA

เมื่อจะใช้กระแส IF=1mA แล้วต้องดูแรงดัน VF จากกราฟ Figure 1 ของ EL817C (ที่ 40 องศา)เพื่อเอาแรงดันมาคำนวณหาค่าตัวต้านทาน ดูในกราฟได้ 1.069V

R = (4.984V – 1.069V) / 1mA = 3915 Ohm ใส่ 3.9k แทน

ส่วนฝั่งเอาพุทของออปโต้ วัดแรงดันได้ 181mV กระแส 722uA(ไม่ได้ตามที่คำนวณเนื่องจากต้องเพิ่มค่าตัว R เพื่อจำกัดกระแสไม่ให้เกิน 750uA ที่ขาเบสของ ULN2003)

Figure 1 อุณภูมิที่ 25 – 40 องศา แรงดันน่าจะแกว่งอยู่ในช่วง 1.050V – 1.069V และอุณหภูมิยังมีผลกำอัตตรา CTR ด้วย

Figure 5 จากกราฟกับที่วัดจริงไม่ตรงกันมีความคลาดเคลื่อนอยู่ ไม่เป็นไปตามเส้น 1mA

ต่อมาจะมาพิจรณาที่ ULN2003A บ้าง II = 650uA จะรองรับกระแสสูงสุดได้  IC  = 500mA ซึ่งเป็นกระแสสูงสุดของ ULN2003A  ดังนั้นในการออกแบบจะต้องให้  ULN2003A  ทำงานที่จุด Saturation กระแส II ขั้นต่ำต้องเป็น 650uA  แต่ไม่ควรเกิน 750uA จากการออกแบบเราจะได้ค่า II = 722uA ซึ่งเหมาะสมกับการใช้งาน และแรงดัน VI(ON) = 3V

จากกราฟ Figure 5-1 ช่วงการใช้งานอยู่ในจุด Saturation ที่ดี

จากกราฟ Figure 5-6 กระแสและแรงดันอยู่ในจุดกึ่งกลางระหว่าง Maximum และ Typical พอดี