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Thema: GPIO-Schutz mit simplen Dioden oder LEDs?

  1. #11
    Erfahrener Benutzer Roboter-Spezialist
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    Ich kann deinen Ausführungen leider in weiten Teilen gar nicht wirklich folgen.

    Was das damit zu tun hat, wann wo 3,3 oder 5 Volt anliegen, kann ich nicht nachvollziehen. Wenn die 5 V nicht anliegen, kann dem Pi doch sowieso nichts passieren. Und beide Fälle (0 Volt oder 3,3 Volt am Ausgang sind doch abgedeckt, ebenso wie die Schaltung als Eingang mit Pulldown.

    Wenn der Eingang beim Einschalten "schwebt" tut er das halt. Wieso dann "eine erhöhte Spannung" anliegt, versteh ich nicht. Meine Frage ist schlicht: Gibt es einen schlüssigen Grund, warum der Eingang Schaden nehmen sollte? Wenn ein Pulldown da ist, auf keinen Fall. Ohne Pulldown...? Keine Ahnung. Das müsstest du mir dann aber genauer erklären, was genau da passieren soll.

    Die Ausführungen zum Pullup sind nicht sinnvoll - warum sollte man ein active high Signal an einen Eingang mit Pullup legen? Höchstens versehentlich.
    Beim Pulldown ist die Sache klar - 5 v - Diodenspannung = Eingangsspannung. Den 1-K-Widerstand muss man natürlich auch noch berücksichtigen (Spannungsteiler).

    Das mit der niederohmigen Quelle versteh ich nicht. Selbstverständlich haut es mir den Eingang kaputt, wenn ich 5 V ohne Strombegrenzung an einen nicht 5-V-toleranten Eingang gebe.
    Was angeschlossen wird, habe ich aber doch eindeutig vorgegeben: 5 V über 1000 Ohm und eine LED. Sonst nichts.

    Die Frage ist also nach wie vor: Kann am Eingang (nicht 5-V-toleranter 3,3-V-Eingang) irgendwas kaputtgehen, wenn ich diese Anordnung aufbaue. Dabei geibt es maximal 5 Konfigurationen:
    - Ausgang low (hier sehe ich keine Gefahr)
    - Ausgang high (hier sehe ich keine Gefahr)
    - Eingang mit Pulldown (intern oder extern - spielt meiner Meinung nach kaum eine Rolle; hier sehe ich keine Gefahr)
    - Eingang mit Pullup (sinnlos - aber könnte natürlich passieren; hier sehe ich keine Gefahr)
    - Eingang ohne Pullup/Pulldown (dazu hab ich noch keine wirklich feste Vorstellung)

    - Zum letzten Fall sehe ich es aber so: Wenn der Widerstand des Eingangs endlich ist, müsste auch ein (extrem kleiner) Strom fließen, dann hätten wir wieder einen Spannungsteiler und den Diodenabfall, also kein Problem. Wenn der Widerstand des Einganges unendlich groß ist, fließt auch kein Strom - insofern keine Gefahr. Das Einzige, was mir da noch einfallen würde, ist, dass die 5 V sich vielleicht durch Leckströme der Diode am Eingang aufbauen können und dort eine Art kapazitive Spannung aufbauen, die irgendwie gefährlich sein kann. Aber damit kenn ich mich nun wirklich nicht aus. Letztlich ist der Eingang doch wahrscheinlich nichts anderes als das Gate eines Mosfet. Wenn der auf 3,3 V ausgelegt ist und man 5 V anlegen würde (bei extremer Spannungsbegrenzung durch die LED-Kennlinie und den Vorwiderstand), kann dann was passieren? Wie tolerant ist ein solcher Mosfet-Eingang bei extrem geringen Strömen?
    Nur wie gesagt - ich bin kein Elektroniker. Deshalb die Frage: Schlummert da doch eine Gefahr?

  2. #12
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein
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    Dort hatte jemand ein Schaltbild zum GPIO.

  3. #13
    Erfahrener Benutzer Roboter-Spezialist
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    Das Schaltbild kenn ich natürlich. Dem ist aber auch nicht viel zu entnehmen. Außer vielleicht
    - Der Eingang ist ein OPV, also hochohmig.
    - es gibt die bereits genannten Schutzdioden, die bei Überspannung ableiten. Jede Spannung über 3,3 V führt also zu einem Stromfluss, der wiederum den Spannungsabfall der LED zur Geltung kommen ließe, welcher wiederum die Spannung so weit drückt, dass die Schutzdioden gar nicht wirksam werden müssten... ein Kreislauf, der sich bei 3,3 V und extrem geringem Strom durch die Schutzdioden stabilisieren müsste.

  4. #14
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie
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    Hallo Gnom67,
    wenn ich nicht möchte, dass an einem Pin eine unzulässige Spannung anliegt oder Strom fliesst, dann gibt es sicher viele Möglichkeiten dies zu verhindern.
    Deine gezeigte Möglichkeit klang zunächst plausibel, hat sich aber in der Praxis "bei mir auf dem Steckbrett" nicht bewährt.
    So bleibt mir nur die Feststellung diese Schaltung als "kritisch" zu bewerten.
    Das ist ja weder bös noch negativ gemeint. Das kann ja auch funktionieren.
    Da ich aus der Medinzintechnik komme, wird jede noch so kleine Abweichung/Unzulänglichkeit als nicht akzeptabel bewertet.
    Das heisst aber nicht, dass es nicht funktionieren wird.
    Es gibt ja andere Lösungen die Eingänge zu schützen. Man könnte auch Pegelkonverter benutzen.
    Es muss nicht zwingend etwas Neues erfunden werden.
    Ich halte die Vorgehensweise für ungeeignet, für Bastelzwecke ist das vermutlich okay, warum nicht....

    Siro

  5. #15
    Erfahrener Benutzer Roboter-Spezialist
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    Ich bin nun leider jemand, den ein "bei mir hat es nicht geklappt" nicht zufriedenstellt. Ich möchte gerne genau wissen, was da passiert.

    Und es geht mir nicht darum, den Eingang zu schützen - dafür kenne ich Dutzende Lösungen.
    Mir geht es NUR darum, ob DIE VORGELEGTE ANORDNUNG eine Gefahr für den Eingang ist oder nicht.

    Ob und für was das am Ende geeignet ist, kann man meiner Meinung nach erst beurteilen, wenn man erklären kann, was da passiert. Es geht mir um die physikalische Erklärung der Spannungen und Stromflüsse und den Einfluss auf einen (3,3-V) Eingang.

    Wobei sich im Zweifel gleich die nächste Frage anschließt. Kann man 5 V an so einen 3,3 V Eingang legen, wenn nur der Strom hinreichend begrenzt ist? Ein Widerstand von 25 K am Eingang bildet mit dem Pulldown einen Spannungsteiler 2/3 - bleiben 3,33 Volt bei einem Strom von 0,067 mA. Gefahrlos? Und was ist bei den anderen Konfigurationen (Pullup/down, Ausgang)?
    Und wenn es mit 5 geht... was ist mit 7, 9, 12 oder 200 ???

    Und natülich bedient man sich, wenn man lebenswichtige Geräte baut, der bekannten und bewähten Mittel. Aber darum geht es mir wie gesagt nicht.

  6. #16
    HaWe
    Gast
    Zitat Zitat von Gnom67 Beitrag anzeigen
    Mich treibt eine Frage um, die mir vielleicht jemand beantworten kann...:

    Folgende Annahme: 5 V Spannung werden über einen 1000-Ohm-Widerstand und eine ganz normale (grüne/gelbe) LED an einen 3,3-V-Ein-/Ausgang geschaltet. Der Eingang sei nicht 5-V-tolerant (z. B. Raspberry Pi GPIO).
    Was passiert?

    Eingang (mit Pulldown-Widerstand >= 10K):
    - Es fließt ein geringer Strom (<< 1 mA) und an der LED fallen ca. 1,7 Volt ab. Am GPIO kommen 3,3 Volt an. Das wäre ungefährlich.

    Ausgang:
    - ist der GPIO auf LOW geschaltet, so fließt ein Strom von ca. 3 mA. An der LED fallen ca. 2 Volt ab. Am GPIO liegen 3 Volt an. Die LED leuchtet. Das wäre ungefährlich.
    - ist der GPIO auf HIGH geschaltet, So fließt ein Strom, der resultiert aus der Spannungsdifferenz (5 -3,3), dem Spannungsabfall der Diode (bei der geringen Spannungsdifferenz vermutlich eher bei ca. 1m7 V) und dem Widerstand.
    (5 - 3,3 - 1,7) / 1000 = quasi null. Die LED ist aus. Auch das wäre für den Eingang ungefährlich.

    Fragliche Schlussfolgerung: Kann ich einen 3,3-V-Ein-/Ausgang (GPIO) mit einer LED (alternativ einer bzw. mehreren Dioden) risikolos an 5 V anschließen?

    Wo ist da der Denkfehler?
    beim Nachrechnen sehe ich keinen Fehler, der Spannungsabfall an der Diode zusammen mit dem Vorwiderstand begrenzen Spannung und Strom.
    Die einzige Frage, die mir unklar bleibt, ist:
    wozu?
    wenn man mit 3v3 signal levels arbeitet, verwendet man 3v3 voltage levels, warum also mit 5V verbinden?

  7. #17
    Erfahrener Benutzer Roboter-Spezialist
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    Es gibt nun mal Konfigurationen, wo es einfach so ist und wo ein Level Shifter auch einen völlig falschen Effekt auf die Schaltung hätte. Es ist so gegeben und ließe sich natürlich mit passenden Schaltung an die 3,3 V anpassen. Aber meine Frage zielt darauf ab, ob so eine Anpassung überhaupt nötig ist. Die gegebene Wiederstand-LED-Kombination kann man natürlich über einen Transistor schalten.
    Die einzige Frage, die mich dabei antreibt, ist:
    wozu?
    Wenn diese Schaltung für den 3,3-V-GPIO ungefährlich ist, warum sollte man dann einen Level Shifter, Transistor oder anderes benutzen?

  8. #18
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein
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    Für solche Zwecke, wo LEDs angesteuert werden sollen, könnte auch ein ULN2803 eingesetzt werden, s. Beschreibung. Das ist ein 8Pin-DIP.
    Wozu? - Ausgänge sind als Ausgänge konzipiert und gewährleisten so einen dauerhaften Betrieb, wenn die Rahmenbedingungen eingehalten werden (wie max. zulässiger Strom).
    Wenn Du an einen Ausgang eine höhere Spannung anlegst, als der Ausgang selber hat, fließt der Strom zum Ausgang hin. Wohin fließt der dann und was ist die Folge?

  9. #19
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie
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    Ich glaube wir sprechen noch immer von einer anderen Schaltung, daher nochmal die Nachfrage:
    Meinst Du das so ?

    Anhang 35245

  10. #20
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein
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    @Siro

    Die Frage war wohl nicht nach einem "GPIO-Schutz mit simplen Dioden oder LEDs" gestellt, sondern, ob für die Beschaltung einer LED zwischen 5V und einem 3.3V-RasPi-Ausgang ein Schutz notwendig ist und wenn, was für einer. Oder ob man einfach die LED an 5V hängt, mit einem Widerstand natürlich, und dann an den Ausgang dran, der 3.3V hat. Wobei die LED vermutlich leuchten sollte, wenn der Ausgang auf 0V ist und aus sein sollte, wenn der Ausgang 3.3V hat.

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