GPIO-Schutz mit simplen Dioden oder LEDs?

[Gnom67]

Für solche Zwecke, wo LEDs angesteuert werden sollen, könnte auch ein ULN2803 eingesetzt werden...

Ich wiederhole mich ja ungern, aber ICH Suche KEINE ALTERNATIVEN, UM DEN EINGANG ZU SCHÜTZEN. Die kenne ich alle!

Ich möchte wissen, ob der GPIO bei der von mir vorgelegten Beschaltung Schaden nehmen kann.

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Ich glaube wir sprechen noch immer von einer anderen Schaltung, daher nochmal die Nachfrage:
Meinst Du das so ?

Anhang 35245

Ich glaube, ich habe in #9 hinreichend deutlichgesag: JA, GENAU SO! Du kannst das Bild noch dreimal in verschiedenen Drehungen und Wendungen zeichnen... JA, genau so ist es gemeint.

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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.

Letztlich läuft es mehr oder minder darauf raus. ja.
Bei low würde die LED leuchten, bei high wäre die Spannungsdifferenz zwischen 5 und 3,3 Volt gerade so groß wie der Spannungsabfall in der LED und sie sollte nicht oder kaum leuchten.

Es geht mir aber weniger darum, ob oder wie sie leuchtet, sondern darum, ob der GPIO bei dieser Beschaltung mit 5 V in Kontakt kommt oder ob der Spannungsabfall der LED JEDERZEIT dafür sorgt, dass die Spannung am GPIO nicht kritisch wird.

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Mir ist einfach noch nicht klar wo seine Led und wo sein Signal dranhängt.

Ich hoffe, es ist inzwischen klar.

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Für ersten Fall wäre vielleicht ein Spannungsteiler...

Nein, die Schaltung soll NICHT verändert werden. Wie oft soll ich das noch sagen?

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Ob Dir Grundlagen fehlen, ...

Ich weiß ja schon, dass hier einige dazu neigen, ihre Artgenossen für unerfahren zu halten... Du musst dir weder anmaßen, meine Fähigkeiten zu testen, noch irelevante Dinge wie Impedanzen, Innenwiderstände von Stromquellen und Kapazitäten anzubringen. Es geht hier schlicht um eine hgw LED in einem Gleichstromkreis. Wenn du dich im Glanz deiner Fachkenntnisse sonnen willst, bist du bei mir falsch.

Ich will weder Signale anlegen, noch Mosfets einbauen!!!

Ich will für die vorgelegte Schaltung einfach nur wissen, ob sie in IRGENDEINEM ZUSTAND DES GPIO (Eingang/Ausgang, mit oder ohne Pullups/Pulldowns) einen nicht 5-V-toleranten GPIO beschädigen kann.

Leider kann dazu offenbar niemand eine klare und begründete Aussage machen.

[Holomino]

Ok,
da Du meine Bereitschaft zur Hilfe scheinbar in den völlig falschen Hals bekommen hast und Deine bisherigen Ausführungen für mich einfach nur wirr scheinen, muss ich Dir sagen: Wenn Du jetzt noch ein zwischenmenschliches Problem hier aufbaust, kann ich Dir fachlich nicht helfen.

Nichtsdestotrotz, ich hab's so gelernt: Der bisher Deinen Vorstellungen scheinbar am nächsten kommende hier gepostete Schaltplan ist unvollständig, solange Innenwiderstand und Frequenz der Quelle nicht geklärt sind. Neben dem Wunsch, Deinen GPIO nicht zu zerstören sollte doch zumindest auch noch der Wunsch bestehen, den Pegel richtig zu erkennen, oder?

[Gnom67]

Betrachte einfach den statischen Zustand (f = 0 Hz) und wenn dir das zu abstrakt ist, nimm 0 < f < 1 Hz.
Und für die Stromquelle darfst du annehmen, dass der Innenwiderstand gering genug ist, um nicht relevant zu sein.

[Siro]

ich habe meine Schaltung nicht gedreht sondern das ist ein andere Variante.
Einmal liegt die LED fest an +5 Volt und einmal ist die LED der Porteingang.
Ich bin es aber auch Leid, da Du anscheinend nicht in der Lage bist ein Schaltbild zu liefern.

[Holomino]

SO kommen wir weiter:
OK, Dein GPIO ist als Input konfiguriert, der Widerstand des GPIO mit 1M angenommen. Der Vorwiderstand ist 10k, die Diode bricht bei 1,7V durch, 5V sind angelegt. Von der Quelle (0R) alleine über Vorwiderstand und GPIO-Widerstand wird der Strom auf maximal 4,95µA (5V/1,01M ohne den Spannungsabfall an der Diode) begrenzt.

Das ist ziemlich mickrig und man müsste schauen, ob der Spannungsabfall an der Diode bei so geringen Strömen noch 1,7V erreicht.
Das Diagramm "Forward Current vs. Forward Voltage" z.B. unter https://cdn-reichelt.de/documents/da...33_ENG_TDS.pdf lässt da nichts gutes erahnen. Die Kurve ist zwar nur bis ca. 1mA gezeichnet, wird aber tatsächlich zu 0 hin immer flacher.

Fazit: Es liegen mehr als 3,3V am GPIO. Wenn das trotzdem gut geht, liegt es alleine an der Schutzdiode im GPIO. Die überbrückt quasi den Innenwiderstand des GPIO, indem sie bei einem Pegel von > 3,3V anfängt zu leiten. Dann wirkt nur noch der Vorwiderstand mit 10k als Strombegrenzer, der Strom und damit auch der Spannungsabfall an der Diode werden größer. Das pegelt sich dann schätzungsweise auf 3,7..4V am GPIO ein, da auch die Schutzdiode einen Spannungsabfall bewirkt.

Also, die Sache schwimmt irgendwo zwischen kann gutgehen oder auch nicht (eigentlich liegts an der Schutzschaltung). Diese Unsicherheit wäre mit einem stinknormalen Spannungsteiler beseitigt.

(Leuchten wird die LED so auch nicht)

[Gnom67]

Ich hab schon in 9 gesagt, dass die Zeichnung stimmt. Und wenn du später statt 5 V "Signal" schreibst, ist das das gleiche. Ein 5 V Signal, statsiche 5 V oder von mir aus auch ein neiderfrequentes Signal mit einem Pegel von 5 V und sucht euch eine Frequenz raus... Es geht mir um die 5 V und die Kette Widerstand-LED und die Wirkung auf den Eingang. Ob das "Signal" oder "5 V" heißt, spielt doch gar keine Rolle - es sind 5 Volt! Erklär mir mal den Unterschied zwischen "Signal" und "5 V". Und NEIN, es geht nicht um hochfrequente Signale.

[Siro]

Anhang 35246
Für mich ist es nicht das Gleiche und die Schaltungen verhalten sich nunmal völlig unterschiedlich....

[Gnom67]

Hör auf, hier die Leute zu verwirren!
Ich beziehe mich von Anfang an ausdrücklich auf deine Schaltung in #4 und deine Schaltung in #19 ist identisch, bis auf die Bezeichnung "Signal" statt "5 V".
Alle anderen Zeichnungen sind unzutreffend!

Dein GPIO ist als Input konfiguriert, der Widerstand des GPIO mit 1M angenommen... indem sie bei einem Pegel von > 3,3V anfängt zu leiten. Dann wirkt nur noch der Vorwiderstand mit 10k als Strombegrenzer ....

Sinnvollerweise wäre hier ein Pulldown zu schalten - womit dann 10-50 KOhm gelten und nicht die 1 MOhm. Trotzdem geht es mir tatsächlich auch darum, die vielleicht ungeplanten aber eben doch (versehentlich) möglichen Konstellationen mit PullUP oder ganz ohne Pull-Widerstand zu betrachten.
Die Schutzdiode wird erst bei 3,3 V + Spannungsabfall der Diode, also bei ca. 3,7 V leiten. Bis dahin dürfte der GPIO also sicher sein. Sofern der GPIO selbst bei 1 MOhm und 3,3 V also 3,3 µA verkraftet, sollten 3,7 µA nun auch nicht das größte Problem sein.
Mein Widerstand ist 1 K, nicht 10 K.

Also für den Input sieht es so aus:
- Eingangsspannung am GPIO < 3,3 V - unproblematisch.
- Eingangsspannung am GPIO 3,3 - 3,7 Volt: Es bildet sich ein Gleichgewicht zwischen Spannungsabfall an der LED (1,7 bis 1,4 Volt) und dem Strom (bei 50 k Pulldown oder ggf. auch 10 MOhm Widerstand des GPIO). Dieses Gleichgewicht läge unter Beachtung der Kennlinie eher im unteren Bereich des Spannungsabfalls, also bei sehr geringem Strom und eher höherer Spannung am GPIO. Bis 3,7 V dürfte das aber unproblematisch sein.
- Eingangsspannung am GPIO > 3,7 Volt: Die Schutzdiode leitet, es bildet sich ein Gleichgewicht aus Spannungsabfall an der LED (< 1,3 Volt) und dem Strom (der laut Kennlinie bei unter 1,3 Volt extrem gering sein dürfte). Dieses Gleichgewicht dürfte es nicht geben, da bei durchgeschalteter Schutzdiode der Spannungsabfall und somit der Strom an der LED steigen müsste, bis die Schutzdiode wieder abschaltet.

Für den Ausgang gilt
- Ausgang low: Spannungsabfall an der LED > ca. 1,7 (je nach LED) Volt, Strom ca. (5-1,7) / 1000 = 3,3 mA. Spannung am GPIO < 3,3 V - kein Problem.

- Ausgang high: Spannungsabfall an der LED gering, angenommen 1,2 Volt, Strom sehr gering (5 - 3,3 - 1,2) / 1000 = 0,1 mA. Es müsste sich auch hier ein Gleichgewicht einstellen, das vermutlich bei sehr geringem Strom liegt. Für den GPIO dürfte das ungefährlich sein, da die wenigen mA-Bruchteile für den Treiber vernachlässigbar sein dürften. Sollte die LED trotzdem noch leuchten, könnte man mit einer weiteren Diode in Reihe die Schwellenspannung weiter erhöhen, bis kein Strom mehr fließt. Die Rückwirkung auf die obigen Fälle müsste man dann noch mal bedenken - aber eine Gefahr für den GPIO ergibt sich jedenfalls dadurch ebenfalls nicht.

Bleibt die Fragem ob es doch noch Faktoren gibt, die den GPIO bei der genannten Beschaltung gefährden.