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ULN2803.png

ULN2803 — L'ULN2803 est un composant classique produit par de nombreux fabricants. Ce composant permet de piloter jusqu'à 8 charges indépendantes pour une intensité pouvant aller jusqu'à 500mA sur un canal et avec une tension de coupure maximale de 40V. La limite de puissance que le circuit peut dissiper en boitier DIP se situe autour de 0,76W à une température ambiante de 85°C dans le cas du modèle produit par Toshiba qui est illustré ici. Ces caractéristiques peuvent varier légèrement d'un modèle à l'autre, et il est donc conseillé de vérifier les données constructeurs lorsque vous vous approchez de ces limites.

En électronique, on a souvent besoin de commander un périphérique d'une puissance respectable à partir d'un signal de faible puissance. Par exemple pour actionner un moteur à partir d'un micro-contrôleur. Ou pour activer un système d'éclairage grâce à un capteur de luminosité.

Il existe de nombreuses solutions à ce problème: on peut par exemple utiliser un relais ou un transistor (BJT ou MOSFET). Ou encore un driver comme le ULN2803 dont je vais parler ici.

Ce circuit regroupe dans un même boitier 8 darlingtons. Ou dit plus simplement 8 interrupteurs commandés chacun par une broche du circuit. Chacun de ces 8 canaux peut être ouvert ou fermé indépendamment des autres et, dans le cas de l'ULN2803, est capable de piloter une charge jusqu'à 40V ou 500mA. La limitation principale résidant dans la puissance totale que peut dissiper le circuit et qui se situe autour de 0,7W pour une température ambiante de 85°C.

Remarque:

Cet article parle explicitement de l'ULN2803. Mais ce qui est dit ici est tout aussi valable pour son petit frère l'ULN2003 – qui ne s'en distingue que par la présence de 7 canaux au lieu de 8.

Exemple de mise en œuvre

Avant d'entrer dans le détail du fonctionnement de l'ULN2803, voyons tout de suite un montage type. Par exemple, le schéma ci-dessous illustre l’utilisation de l'ULN2803 pour actionner simultanément deux gâches électriques. Le signal de commande est constitué par la ligne CTRL (0∼5V) qui pourrait provenir d'un capteur tout ou rien ou encore de la broche de sortie d'un micro-contrôleur. En effet, la documentation constructeur me signale qu'un canal bascule à l'état on à partir d'une tension d'entrée d'environ 2,4V (en réalité, entre 2V et 3V selon la charge). Ce qui rend l'ULN2803 tout à fait apte à être piloté par des circuits logiques TTL ou CMOS.

ULN2803 montage.png

ULN2803 utilisé pour piloter des moteurs — Dans ce montage, un ULN2803 est utilisé pour piloter le déverrouillage simultané de deux portes. Pour cela, un même signal de commande (en logique TTL 5V) actionne deux gâches électriques (alimentés en 12V continu).


Tension maximale et minimale de commande

L'ULN2803 est spécifiquement conçu pour être piloté par des circuits 5V. La documentation technique indique un maximum absolu de 30V sur une broche d'entrée.

La tension minimum pour piloter l'ULN2803 est plus difficile à déterminer. En effet, avec un point de bascule se situe entre 2V et 3V selon la charge on peut envisager de le coupler un circuit de commande en 3.3V. Par contre, dans ce dernier cas, et toujours d'après la datasheet, la charge maximale sera de l'ordre de 100mA à 200mA.

Principe de fonctionnement

Mais, que se passe-t-il donc quand le signal de commande passe au dessus de 2,4V? Et à quoi sert la broche COM? Maintenant que j'ai sorti un exemple de montage de mon chapeau, il est peut-être temps que je donne une explication.

ULN2803 montage équiv.png

ULN2803 utilisé pour piloter des moteurs – montage équivalent — En remplaçant l'ULN2803 par un montage équivalent utilisant des interrupteurs on en comprend mieux le fonctionnement. Cette version permet également de mettre en évidence le rôle des diodes de protection et de la broche COM qui doit absolument toujours être reliée à l'alimentation lorsque l'ULN2803 pilote des charges inductives (relais, moteurs, etc.)

Je disais plus haut qu'il fallait imaginer chaque canal comme un interrupteur commandé par la ligne d'entrée. Redessiner le schéma électrique en remplaçant chacun des canaux utilisés de l'ULN2803 par un interrupteur permet de rendre limpide son fonctionnement.

Si vous ignorez pour l'instant les diodes reliées à la broche COM (les liaisons en rouge sur le schéma) vous devriez constater sur l'illustration ci-contre que chaque sortie se comporte comme si en interne elle était reliée à la masse par un interrupteur normalement ouvert. Au repos, le circuit est donc ouvert et aucun courant ne circule. Par contre, lorsqu'une tension suffisante apparait sur une broche d'entrée, elle ferme l'interrupteur correspondant, ce qui permet au courant de circuler et en l’occurrence d'actionner la gâche électrique. Bien entendu, en réalité, il n'y a pas de pièces mécanique dans l'ULN2803, et ces interrupteurs sont constitués avec des transistors. Mais le principe reste le même.

Et les diodes que je vous suggérais de laisser de côté. Quel est leur rôle? Et bien, l'ULN2803 a été conçu dans l'optique de piloter des charges inductives, comme des relais, électroaimants, ampoules à incandescence, etc. Leur point commun? Être composés en partie par un bobinage. Or, les bobines ont la caractéristique de ne pas aimer qu'on leur coupe brusquement le courant. Et elles ont tendance à forcer pour entretenir ce courant une fraction de seconde après la coupure. Évidemment, ce n'est pas du goût des circuits électroniques qui se trouvent derrière elles. Les diodes sont là en protection au cas ou ce genre de courant d'induction apparaitrait – et pour le rejeter vers l'alimentation plutôt que dans les transistors de l'ULN2803 ce qui aurait pour conséquence (au pire) de les claquer définitivement ou (au mieux) d'entrainer une usure prématurée du circuit. Pour cette raison, il est nécessaire de toujours connecter la borne COM lorsque l'ULN2803 pilote des charges inductives. Et même si ce n'est pas le cas, c'est une bonne habitude de le faire quand même.

Piège:

Un des obstacle à la compréhension immédiate du fonctionnement de l'ULN2803 est que les broche O1 à O8 laissent penser que ce sont des sortie. Or, en réalité, en observant le schéma équivalent avec des interrupteurs, on se rend compte que soit le courant ne passe pas, soit le courant rentre (en considérant le sens conventionnel) par ces broches. Par contre, aucun courant n'en sort jamais.

Ce type de « sortie » porte le nom de sortie collecteur ouvert et se retrouve sur de nombreux circuits intégrés.

Puissance dissipée

Je disais en début d'article que le facteur limitant pour l'ULN2803 est la puissance totale qu'il peut dissiper. Celle-ci se situe autour de 0,76W en boitier DIP. Mais comment s'assurer qu'un montage ne dépasse pas cette limite?

Guide d'évaluation du nombre de canaux simultanés par ULN2803 en boitier DIP
Intensité par canal
(mA/ch)
Puissance dissipée
par canal (W/ch)
Nombre de canaux
simultanés maximum
10 0,015 8
50 0,075 8
60 0,090 8
70 0,105 7
100 0,155 5
200 0,300 2
300 0,450 1
400 0,600 1
500 0,750 1

Tout d'abord, il faut savoir que, contrairement à un vrai interrupteur, le montage Darlington utilisé pour chaque canal de l'ULN2803 provoque une légère chute de tension lorsqu'il laisse passer le courant. Ici, cette chute est de l'ordre de 1V à 1,5V quand on se rapproche du courant maximum de 500mA.

Une fois cela connu, et en se basant sur l'hypothèse conservative de 1,5V entre les broches On et GND, le calcul de puissance se résume à appliquer la formule classique P=U×I. Donc, si je prends l'exemple de mes gâches électriques, qui consomment 240mA sous 12Vdc, j'arrive dans le pire des cas à une puissance dissipée de 1,5V×240mA soit 360mW par ligne en fonctionnement. Sur la base d'une puissance dissipée maximale de 0,76W, j'en conclus que je peux avoir jusqu'à 0,76W÷0,360W soit pas plus de 2 gâches en fonction simultanément par ULN2803.

À titre de guide, je résume dans le tableau ci-contre les résultats obtenus quand je refais ces calculs en me basant sur différentes intensités. Ceci dit, pour vos montages, je ne saurais trop vous conseiller de faire systématiquement ce calcul pour vous assurer que vous faites fonctionner votre ULN2803 avec une marge de sécurité satisfaisante.

ULN2803 power line.png

Commande d'une application de puissance via un ULN2803 — Dans les applications qui nécessitent de la puissance ou une alimentation en courant alternatif, l'ULN2803 peur servir d'intermédiaire pour piloter le relais adéquat.


Quand l'ULN2803 ne suffit plus…

Vous avez besoin de plus de puissance? Vous souhaitez commander une charge alimentée en courant alternatif (12VAC ou 24VAC)? Vous voulez piloter un appareil reliée au secteur? Pour toutes ces applications, l'ULN2803 n'est pas adapté … enfin pas seul.

En effet, nous l'avons vu dans la section précédente, il ne peut pas directement piloter une charge de forte puissance. Mais en plus il est aussi limité à des charges alimentées par une tension positive. Par contre, ce qu'il peut faire, c'est piloter un relais intermédiaire, qui lui sera capable de commuter une charge inadaptée à l'ULN2803 seul. Le schéma ci-contre illustre un circuit typique pour ce genre d'application (ici, pour mettre en marche un chauffage électrique 2500W). Pour simplifier l'illustration, je n'y ai fait figurer qu'un seul chauffage à piloter. Dans ce cas, l'usage de ULN2803 est discutable par rapport à un transistor discret (MOSFET ou autre). Mais l'ULN2803 deviendra bien pratique si vous utilisez plusieurs de ses sorties pour piloter indépendamment différents appareils électriques.

Avertissement de sécurité

Le schémas de ce circuit vous est proposé dans un but purement pédagogique. Sa mise en œuvre ne pourrait se faire que sous votre propre responsabilité et je ne saurais être mis en cause pour les dommages au bien ou aux personnes qui pourraient en résulter.

Dans tous les cas, n'intervenez sur le secteur que si vous êtes qualifiés pour le faire et en prenant toutes les précautions nécessaires.

Ressources

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