ZHCT930 May 2025 ULN2003A
低壓小功率的步進(jìn)電機(jī)被廣泛用于家電領(lǐng)域，為了控制此類電機(jī)，我們通常使用達(dá)林頓晶體管來實現(xiàn)對其的驅(qū)動。TI的ULN2003A達(dá)林頓晶體管不僅成本低而且設(shè)計簡單，在家電行業(yè)里廣受好評。
ULN2003A達(dá)林頓晶體管是一個 "開關(guān)陣列"，控制邏輯由 MCU 產(chǎn)生，它本身不產(chǎn)生控制信號，作用是：放大 MCU 的控制信號、電流驅(qū)動電機(jī)線圈，從而將低電平信號驅(qū)動較高電壓/電流的負(fù)載。ULN2003A內(nèi)部有7個通道，單個通道輸出額定為500mA的集電極電流，以下為單個通道達(dá)林頓晶體管的內(nèi)部框圖。
圖 1 單個通道達(dá)林頓晶體管的內(nèi)部原理框圖每個達(dá)林頓晶體管對都串聯(lián)了一個2.7kΩ的基極電阻，這種設(shè)計使得ULN2003A能夠在5V的工作電壓下直接與TTL和CMOS電路連接，無需額外的邏輯緩沖器。MCU發(fā)送控制信號給ULN2003A的輸入端口，當(dāng)輸入信號為高電平時，相應(yīng)的輸出通道會導(dǎo)通，允許電流流過，輸出端口上的電壓接近電源電壓，從而驅(qū)動負(fù)載工作。四相八拍步進(jìn)電機(jī)常用來作為負(fù)載。
四相八拍（Half-Step）是步進(jìn)電機(jī)的一種驅(qū)動方式，特點如下所示：
- 電機(jī)有4個相位（A、B、C、D）;
- 控制時通過特定的 8 步激勵序列，逐步切換線圈導(dǎo)通;
- 每走8步，電機(jī)轉(zhuǎn)動一個完整的"電氣周期";
由此，ULN2003A連接四相八拍步進(jìn)電機(jī)的示意圖如下所示：
圖 2 ULN2003A連接四相八拍步進(jìn)電機(jī)的示意圖四相八拍步進(jìn)電機(jī)采用單相勵磁（1相通電）和雙相勵磁（2相通電）交替進(jìn)行的控制策略，來實現(xiàn)更精細(xì)的步距角控制，控制邏輯如以下表格（1 表示通電，0 表示不通）：
| 拍數(shù) | IN1 | IN2 | IN3 | IN4 | 說明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | A相通電 |
| 2 | 1 | 1 | 0 | 0 | A+B相通電 |
| 3 | 0 | 1 | 0 | 0 | B相通電 |
| 4 | 0 | 1 | 1 | 0 | B+C相通電 |
| 5 | 0 | 0 | 1 | 0 | C相通電 |
| 6 | 0 | 0 | 1 | 1 | C+D相通電 |
| 7 | 0 | 0 | 0 | 1 | D相通電 |
| 8 | 1 | 0 | 0 | 1 | D+A相通電 |
這個激勵順序不斷循環(huán)，電機(jī)會按設(shè)定的方向、速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，如下圖電機(jī)轉(zhuǎn)動方向，反轉(zhuǎn)時，控制時序倒過來控制即可。
圖 3 四相八拍步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動示意圖同時，四相八拍步進(jìn)電機(jī)的A、B、C、D相的輸入波形如下圖所示，單相雙相交替導(dǎo)通，有序運行。
圖 4 四相八拍步進(jìn)電機(jī)四相輸入波形圖然而，在實際驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)時，可能因為電機(jī)功率較大需要更高的電流，單顆ULN2003A可能無法可靠驅(qū)動，就需要用到兩顆ULN2003A芯片一起并聯(lián)驅(qū)動。常見的方法是把A、B兩相接其中一個ULN2003A，C、D兩相接另一個ULN2003A，但是這樣會造成一些隱患。我們從圖三和圖四可以看到，以A相和B相為例，當(dāng)這兩相同時通電時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向45°，AB相存在交疊導(dǎo)通的狀態(tài)如下圖。
圖 5 四相八拍步進(jìn)電機(jī)AB兩相輸入交疊如果A相和B相由同一個ULN2003A驅(qū)動，在雙相勵磁（如A+B）時，芯片需要同時提供兩倍的電流（如500mA×2=1A），可能超出芯片的總電流承受能力，導(dǎo)致過熱損壞或者驅(qū)動能力下降（輸出電壓降低，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩不足）。同時，如果A相和B相同時導(dǎo)通時，可能會因為芯片內(nèi)部電路限制導(dǎo)致電流分配不均，影響電機(jī)運行平滑性。從下圖6驅(qū)動電流和占空比的關(guān)系可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度為70°C的時候，N=1和N=2在相同的占空比的情況下，ULN2003A支持的最大驅(qū)動電流不一樣，所以在僅A相導(dǎo)通和A相與B相同時導(dǎo)通的時候驅(qū)動電流有可能會分配不均，進(jìn)而導(dǎo)致芯片發(fā)熱甚至影響電機(jī)運行。所以，A相和B相不適合同時由一個ULN2003A驅(qū)動。
圖 6 最大集電極電流與占空比之間的關(guān)系(TA = 70°C)進(jìn)而從圖三來看，步進(jìn)電機(jī)的A相和C相是錯相的(相位差180°)，它們是同一繞組的互補(bǔ)端，磁場方向相反，并且不能同時導(dǎo)通，同時導(dǎo)通會導(dǎo)致磁場抵消或短路。因此，倘若將步進(jìn)電機(jī)的A相和C相同時連到同一ULN2003A上，那么工作時A相和C相分開導(dǎo)通，就不會超過ULN2003A的電流承受能力，并且不會存在A相斷電，C相導(dǎo)通或者A相導(dǎo)通，C相斷電的瞬間，可以減少相互干擾。當(dāng)然，B相和D相也同理。
綜上所述，正確方式應(yīng)該如下圖所示：
圖 7 兩顆ULN2003A控制四相八拍步進(jìn)電機(jī)示意圖圖示中兩顆ULN2003A分別接電機(jī)A、C相和B、D相，這樣兩相不會同時由同一ULN2003A驅(qū)動, 這種分組方式可以分擔(dān)功率損耗，改善散熱，可確保電機(jī)運行穩(wěn)定、高效，同時保護(hù)驅(qū)動芯片。
以上總結(jié)了ULN2003A的特點，以及使用TI的ULN2O03A如何控7制步進(jìn)電機(jī)的方法。當(dāng)然，鑒于ULN2003A自身的特點，它不僅可以用在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動上還可以驅(qū)動繼電器，燈和顯示屏以及用作邏輯緩沖器，更多的使用場景值得我們發(fā)現(xiàn)和探索。