먼저 알아둘 용어
ULN2003·달링턴(Darlington) — ULN2003은 여러 부하를 낮은 전위 쪽으로 끌어내려 구동하는 트랜지스터(transistor) 배열(array)입니다. 달링턴은 트랜지스터 두 개를 묶어 전류 증폭을 크게 하는 구성으로, 켜졌을 때의 출력 전압 강하가 0 V는 아닙니다.
COM(Common)·E·출력 C — COM은 내장 클램프(clamp) 다이오드의 공통 연결점이고 E는 공통 이미터(emitter), 출력 C는 각 채널의 컬렉터(collector)입니다. 핀(pin) 번호는 사용하는 부품과 패키지(package)의 실제 핀맵(pin map)으로 확인합니다.
플라이백(flyback)·클램프(clamp) — 코일은 전류가 갑자기 끊길 때 계속 흐르려는 전류 때문에 높은 전압을 만들 수 있습니다. 클램프는 이 전류가 흐를 경로를 주어 전압 상승을 제한합니다.
부유·듀티(duty cycle) — 부유 상태는 의도한 전위로 연결되지 않은 상태입니다. 듀티는 반복 주기 중 켜져 있는 시간의 비율로, 여러 채널의 평균 손실과 발열을 비교할 때 필요합니다.
코일 전원과 논리 전원을 먼저 구분합니다
릴레이를 여러 개 구동할 때는 채널마다 스위칭 트랜지스터와 코일 보호 다이오드를 따로 배치하는 대신, ULN2003 한 개에 들어 있는 일곱 개의 구동 채널과 보호 다이오드를 사용할 수 있습니다. 그렇더라도 제어 신호가 각 입력을 충분히 구동하는지, 출력 전류와 패키지 발열이 허용 범위인지, COM을 실제 코일 전원에 맞게 연결했는지 확인해야 합니다.
일반적인 코일 구동에서는 코일의 위쪽 단자를 코일 전원 양극에, 아래쪽 단자를 출력 C에 연결합니다. E는 코일 구동 전원의 음극 쪽 기준점에 연결하고, COM은 코일 전원의 양극에 연결하여, 코일을 끈 뒤에도 내장 다이오드를 통해 전류가 순환할 수 있게 합니다. 코일 전원이 12 V, 제어 신호가 3.3 V라고 해서 COM을 3.3 V에 붙이지 않습니다.
결선을 확인할 때에는 외형이 비슷한 모듈(module)의 그림보다 실제 부품의 내부 다이오드 방향과 기판 배선을 우선합니다. 내장 다이오드는 출력에서 COM 쪽으로 흐르는 경로입니다. 아래 설명은 이 연결의 의미를 풀이한 것이며, 특정 코일에 대한 전류 정격이나 구동 성능의 보증은 아닙니다.
켜짐과 꺼짐의 두 경로
켜져 있을 때 전류는 코일 전원 + → 코일 → 출력 C → 내부 달링턴 → E/GND(Ground)로 흐릅니다. 입력은 이 전류를 켜는 제어 경로입니다. 꺼질 때 코일 전류는 같은 방향으로 계속 흐르려 하므로 출력 전압이 올라가고, 출력에서 COM으로 향하는 내부 다이오드를 통해 코일의 위쪽 단자로 돌아갈 수 있습니다. 이를 위해 COM을 코일 전원의 양극에 연결합니다.
COM을 부유시키면 내부 다이오드가 있어도 이 경로가 끊깁니다. COM을 GND로 잘못 연결하면 출력이 양의 전압으로 올라갈 때 다이오드가 의도하지 않은 곳으로 도통합니다. 코일 전원이 12 V인데 COM을 3.3 V 논리 레일(rail)에 연결하면 그 레일로 전류를 밀어 넣을 수 있습니다. COM을 IC(Integrated Circuit)의 일반적인 전원 공급 핀처럼 해석하면 안 되는 이유입니다.
결선 확인과 동작 확인
- 내부 블록도에서 출력 다이오드의 방향, COM, E를 표시합니다.
- 코일 전원과 제어 전원의 기준을 실제 기판에서 추적합니다.
- 전원을 끈 상태에서 COM이 코일 양극에 연결되고, 논리 전원이나 접지로 잘못 이어지지 않았는지 확인합니다.
- 전압·전류를 제한한 조건에서 코일을 구동해 코일 양단 전압과 출력 전압 강하를 확인합니다.
- 꺼질 때 출력 전압과 코일 해제 동작을 확인합니다.
달링턴의 출력 전압 강하는 0 V가 아니므로 코일에 실제 걸리는 전압은 공급 전압보다 낮습니다. 하나의 출력 전류 정격을 일곱 배 해 전체 패키지의 지속 전류로 쓰지 않습니다. 동시에 켜는 채널 수, 듀티, 주변 온도, 패키지 열 특성을 대조합니다. 여러 코일이 한꺼번에 꺼질 때의 공통 클램프 경로도 확인합니다.
| 증상·가정 | 확인할 연결 또는 조건 |
|---|---|
| 내장 다이오드가 있으니 외부 확인이 필요 없습니다 | COM과 코일 양극 사이의 실제 경로 |
| 논리부가 꺼질 때 이상 전압이 생깁니다 | COM이 낮은 전압 레일(power rail)로 연결됐는지 |
| 코일이 약하게 붙거나 뜨거워집니다 | 코일 양단 전압, 출력 강하, 동시 채널 손실 |
| 릴레이(relay) 해제가 예상보다 늦습니다 | 코일 전류 감쇠와 억제 방식에 따른 해제 시간 |
입력의 두 접합 전압과 출력 포화 전압은 다른 항목입니다
일반적인 NPN 달링턴은 첫 트랜지스터의 이미터가 두 번째 트랜지스터의 베이스를 구동합니다. 입력 베이스에서 최종 이미터까지는 두 베이스-이미터 접합을 거치므로, 켜기 위해 필요한 입력 전압 여유를 단일 BJT의 접합 하나와 같다고 두면 안 됩니다. 두 접합의 전압 합은 전류·온도·소자에 따라 달라지며 1.2~1.4 V를 모든 조건의 보장된 스위칭 문턱으로 사용하지 않습니다.
TI ULN2003A 자료에는 달링턴 쌍 앞의 2.7 kΩ 입력 저항과 내부 저항·클램프 다이오드 구조가 있습니다. 따라서 입력 핀에 걸 전압을 두 접합 전압만 더해서 정하지 말고, 목표 출력 전류에서의 ON-state input voltage와 입력 전류, 출력의 VCE(sat), 동시 구동 채널의 열 조건을 각각 확인합니다. 비슷한 품명인 ULN2002A·ULN2004A의 입력 회로까지 같다고 가정하지 않습니다.
입력 쪽 여유가 충분해도 출력은 0 V가 되지 않습니다. 코일에는 공급 전압에서 출력 강하를 뺀 전압이 걸리고 그 강하는 칩의 발열에도 기여합니다. 두 트랜지스터의 전류 이득을 단순히 곱한 값으로 실제 부하 전류를 보증하거나, 작은 입력 전류 한 개만 보고 코일 구동 성공을 확정하지 않습니다.
Two base-emitter junctions explain input headroom, not a universal threshold. Check the array's input network, specified input drive, output saturation voltage and package heating separately.