Frage:
Sie möchten einen Signalpegelwandler bauen, um den 20-V-Eingang auf 3,3 V zu reduzieren. Bin ich auf dem richtigen Weg?
nageeb
2013-10-04 12:16:21 UTC
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Ich arbeite mit meinem RaspberryPi an einem kleinen Haustierprojekt und möchte es an einige Sensoren anschließen. Der Ausgang der Sensoren liegt normalerweise bei 0 V, aber wenn der Sensor ausgelöst wird, steigt er auf 20 V an. Die GPIO-Ports des RaspberryPi akzeptieren nur eine maximale Spannung von 3,3 V, daher habe ich untersucht, wie die Eingangsspannung am besten von 20 V auf 3,3 V gesenkt werden kann, damit die GPIO-Ports meines Pi nicht beschädigt werden. Der Pi muss nichts zurückschicken, es ist nur eine Einbahnstraße in den Pi, und die Leitung geht nur auf 20 V, wenn der Sensor ausgelöst wird.

In meiner Forschung habe ich über eine Schaltung gelesen bestehend aus einem variablen LM317-Regler und 2 Widerständen, die mir die 20 V bis 3,3 V geben könnten, die ich brauche. Ich mache mir jedoch Sorgen um die Art von Wärme, die bei einem so großen Spannungsunterschied abgegeben werden könnte.

Ich habe versucht, so klar wie möglich zu sein, und habe auch ein praktisches Dandy-Schema meiner Bedeutung beigefügt.

schematic

simulieren diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab sup>

Um die Dinge zu ergänzen, füge ich wahrscheinlich weitere 20-V-Verbindungen hinzu andere Io-Ports auf dem Pi, wahrscheinlich bis zu 15, also überlege ich mir auch, wie die kombinierte Hitze aussehen könnte ...

Bin ich auf dem richtigen Weg und ist die Hitze nur etwas, was ich bin werde ich arbeiten müssen? Oder gibt es da draußen eine bessere Lösung?

Was für eine Linie. Sind das Ausgänge oder Eingänge oder beides?
Das Gerät gibt 20 V an den Pi aus. Nur eine Richtung.
Sie benötigen eine Signallogikpegelumwandlung (20 V -> 3,3 V, wenige mA), keine Leistungsumwandlung (Hunderte von mA oder Ampere).
Ja. Ich habe meine Frage umformuliert, um sie etwas klarer zu machen ...
Fünf antworten:
Andy aka
2013-10-04 13:11:50 UTC
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Wenn es sich um Signale an den Pi handelt, verwenden Sie einen Widerstand Potentialteiler. Ein 1k Ohm über dem Eingang und 0 V des pi und ein 9k Widerstand vom pi Eingang zu einem Hochspannungslogiksignal reduzieren diese Spannung um zehn zu eins. Sie sollten nach einer Reduzierung von etwas weniger als 10: 1 suchen. Können Sie das selbst herausfinden? Siehe den Link.

enter image description here

Würde das Vout nicht direkt an Vin binden?
@nageeb. Vout würde durch den 9k-Widerstand von Vin getrennt sein. Der 1k verbindet sich vom pi-Eingang mit Masse und wirkt so als 10-zu-1-Dämpfer.
@nageeb Ich habe Ihr Diagramm mit den vorhandenen Widerständen hinzugefügt. Denken Sie daran, dass Sie einen anderen Wert für die 9k berechnen müssen, um 3V anstelle von 2V zu erhalten, aber ich gehe davon aus, dass Sie diesen Wert durchdenken können. Lassen Sie mich wissen, wenn Sie hier Hilfe benötigen.
Also suche ich einen 5K Widerstand ... Scheint einfach genug. Ich versuche es mal. Vielen Dank!
Klingt ungefähr richtig, aber auf der sicheren Seite irren und wählen Sie 5k6. Es wird immer noch in Ordnung sein.
Ist diese Lösung auch eine gute Wahl, wenn das Signal eine Wellenform mit einer Frequenz von beispielsweise 10-30 kHz ist?Wird die Lösung ein Signalrauschen verursachen.Die Widerstände sind keine wirklich präzisen Komponenten.
@MitjaGustin-Widerstände führen thermisches Rauschen ein, und bei einer Bandbreite von 100 kHz würde dieses Rauschen etwa 4 uV RMS betragen.Klein genug?Du entscheidest.Widerstände sind sehr gut (oder können eingeschaltet sein) und bei Bedarf können 0,1% Widerstände verwendet werden.
Das Oszilloskop zeigt eine gerade Linie für ein Rechtecksignal ohne Spannungsteiler und eine verrauschte Linie (sehr kleine Welligkeiten) für ein Signal, das aus dem Spannungsteiler kommt.Es sieht aus wie hochfrequentes Rauschen.Ich benutze 555 Timer.
@MitjaGustin Diese Frage wurde bereits 2013 beantwortet und akzeptiert. Wenn Sie eine verwandte, aber nicht identische Frage haben, stellen Sie diese bitte formell als neue Frage, die den von Ihnen verwendeten Schaltplan enthält, und stellen Sie einen Querlink zu dieser Frage bereit.
John U
2013-10-04 17:30:41 UTC
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Die beiden bisher veröffentlichten Lösungen ignorieren einen Faktor - die Isolation. Es mag wichtig sein oder auch nicht, aber ich würde einen Optokoppler (EG a 4n25) nur zur Beruhigung verwenden (und sie sind spottbillig).

Die LED-Seite kann von 20 V angesteuert werden Signal mit einem geeigneten Widerstand.

Die Sensorseite benötigt nur ein Pullup oder Down (je nachdem, wie Sie es verdrahten) zum Pin des Pi. Tatsächlich könnten Sie ohne Pullup-Widerstand davonkommen, wenn die CPU des Pi über interne Pullups verfügt, aber ich vermute, dass diese sehr schwach sind und es nicht gut ist, sich auf diese Dinge zu verlassen.

Auf diese Weise wird Ihr Pi nicht "knallig", wenn Ihr Eingangssignal versehentlich 25 V oder 50 V oder 500 V oder -5 V beträgt.

Um eine Beispielschaltung hinzuzufügen, ersetzen Sie 3 V3 durch 5 V. liefern. D1 ist optional, aber es ist schön, es zum Schutz vor Rückspannungen zu belassen:

enter image description here

Ich sehe hier die Verwendung des OptoIsolator, bin mir aber nicht sicher, ob er in meinem Fall anwendbar ist. Wie / Wo wird die 3,3 V (5 V in diesem Schema) berücksichtigt? Ich glaube, ich war in meiner Frage möglicherweise nicht klar genug und habe sie umformuliert und einen Schaltplan beigefügt.
OK, es funktioniert so: Ihre 20 V gehen in das "12 V" -Ende und lassen die LED im Opto aufleuchten. Dadurch leitet der Transistor im Opto Elektrizität, wodurch der E / A-Pin auf Masse gezogen wird. R2 stellt sicher, dass es wieder auf 3v3 geht, wenn die LED erlischt. R1 begrenzt den Strom durch die LED. D1 bedeutet, dass nichts Schlimmes passiert, wenn ein Trottel die Dinge falsch herum verbindet. Die Tatsache, dass die Verbindung durch Licht aktiviert wird und keine direkte elektrische Verbindung besteht, bedeutet, dass der 4n25 sterben könnte, wenn die Dinge am 20-V-Ende schlecht laufen, aber Ihr Pi weiterlebt.
Ich mag die Idee der Isolation, sie ist sehr beruhigend. Ich verstehe also, dass diese Schaltung die E / A am Pi effektiv invertiert. Wenn also der Eingang am Pi auf Hi geht, geht er auf Low. Und ich muss zusätzlich 5 V liefern, um diese Schaltung zu ermöglichen, oder?
@nageeb the 5v ist nur, weil John diesen Schaltplan aus einem anderen Beitrag wiederverwendet hat. Verwenden Sie stattdessen einfach 3.3v. Und ja, die Eingangspegel sind umgekehrt. Andernfalls können Sie den Kollektor des Optokopplers direkt an 3,3 V und den Emitter über den Widerstand an Masse anschließen. Verbinden Sie dann den Eingang mit dem Emitter, wie folgt: http://i.stack.imgur.com/KTH7Z.png Dies wäre ein nicht invertierender Eingang.
Ich mag diese Lösung, aber sie scheint für meine aktuellen Anforderungen etwas übertrieben zu sein. Wenn dieses Projekt in Produktion geht, muss ich das Spiel möglicherweise auf so etwas ausweiten. Danke für deinen Rat!
Passerby
2013-10-05 03:22:58 UTC
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Während der Optokoppler die beste Wahl ist, wenn Sie eine Isolierung benötigen, stehen andere Optionen zur Verfügung.

Eine einfache 3,3-V-Zenerdiode und ein Strombegrenzungswiderstand sind eine andere. Im Gegensatz zu einem Spannungsteiler hängt der Ausgang vom Verhältnis zwischen Widerständen und Eingangsspannung ab (bei 20 V ist ein 10: 1-Teiler 2 V aus, aber wenn 20 V zu 30 V werden, sind es 3 V. Dies kann ein Problem bei Spannungsspitzen sein), ein Zener Die Diode sollte immer eine höhere Spannung abklemmen.

enter image description here

R1 sollte etwa 10 k oder höher sein. Dies sollte den Strom auf 2 mA oder weniger begrenzen.

Dies ist, was Rasp Pi Websites empfehlen, soweit ich das beurteilen kann. Es scheint auch eine gute Idee zu sein, den Strom auf unter 0,5 mA zu begrenzen, und vielleicht hilft auch ein Ausgangswiderstand von einigen hundert Ohm. Nach allem, was ich sagen kann, ist der RP ein zerbrechliches kleines Ding, aber es scheint keine Herstellerspezifikationen zu geben.
@Andyaka Broadcom veröffentlicht keine Spezifikationen für ihre SOCs. Oder irgendetwas wirklich.
sehr seltsam - und ich dachte daran, einen zu bekommen.
@Andyaka nicht wirklich. Broadcom ist nur der Ansicht, dass ihre direkten Kunden, OEMs, Zugriff auf Datenblätter und unter NDA haben sollten. Aus dem gleichen Grund sind Broadcom-Router schlecht, wenn überhaupt unter dd-wrt oder openwrt unterstützt.
Matt Young
2013-10-05 03:00:00 UTC
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Ich mache das ziemlich regelmäßig in den Produkten, die ich entwerfe.

schematic

simuliere diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab sup>

Für Ihre Anwendung sollten Sie eine Schottky-Diode verwenden, um sicherzustellen, dass die Logik niedrig ist. Wenn Sie wirklich sicher sein möchten, fügen Sie ein Paar Klemmdioden hinzu.

@ThePhoton Deshalb habe ich gesagt, dass die Verwendung eines Schottky einen kleinen Vorteil haben kann. Ich habe es vorgeschlagen, weil ich weiß, dass es funktioniert.
Wenn Sie die Diode kurzschließen, beträgt die niedrigste am Eingang gesehene Spannung 1,65 V, da die beiden 10-k-Widerstände die 3,3-V-Schiene halbieren.
@Andyaka Das wäre, weil ich es falsch gezeichnet habe, behoben.
johnfound
2013-10-04 13:06:13 UTC
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Zum Konvertieren von Signalpegeln von 20 V auf 3,3 V benötigen Sie LM317 nicht. Das einfachste (und sehr gute) Schema für solche Dinge ist das folgende:

schematic

simulieren diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab sup>

Dieses Schema bietet einen zusätzlichen Vorteil, der den 3,3-V-Eingang vor äußeren Einflüssen schützt, z. B. vor hohen negativen oder positiven Spannungsspitzen, statischen Entladungen usw.

Abhängig von der Nennleistung R1 kann der Schaltplan kurzzeitig Eingangssignalen von bis zu mehreren hundert Volt und einer statischen Entladung von mehreren tausend Volt standhalten, ohne die Niederspannungslogik zu beeinträchtigen.

Es funktioniert folgendermaßen:

    Wenn die Eingangsspannung höher als 3,3 V + 0,6 V = ca. 4 V ist, öffnet die Diode D1 und klemmt die Spannung im Punkt 1 auf ca. 4 V

    Wenn die Eingangsspannung niedriger als -0,6 V ist, öffnet die Diode D2 und die Spannung in Punkt 1 wird auf ca. -0,6 V geklemmt. Wenn das Signal niemals unter Null geht, ist D2 immer geschlossen und kann sicher entfernt werden. (Aber dann gibt es keinen Schutz für negative Eingangssignale.)

  1. Auf diese Weise wird die Eingangsspannung von 0 bis 20 V auf -0,6 ... + 3,9 V eingestellt ist sicher für alle 3,3-V-CMOS-Geräte. Solange diese Spannung etwas höher als die logische CMOS-Leistungsspannung ist, fließt ein kleiner Strom durch die Eingangsschutzdioden der CMOS-ICs - er wird durch die Differenz zwischen der Durchlassspannung der Siliziumdioden (D1 und D2) bestimmt ) und die von der CMOS-Technologie verwendeten Schottky-Schutzdioden und den Widerstand von R2. Dieser Strom beträgt ungefähr wenige mA. Wenn dies zu groß ist, können D1 und D2 in Niedrigstrom-Schottky-Dioden geändert werden, wodurch der Eingangsstrom nahe Null wird.

    2. ol>

    Weitere Informationen zum CMOS-Schutz finden Sie hier Schaltpläne im folgenden Fairchild-Anwendungshinweis.

    Zusätzliche Informationen: Solange einige Leute glauben, dass das obige Schema den Raspberry Pi GPIO-E / A-Fehler verursachen kann, habe ich einige Anstrengungen unternommen und GPIO-Elektrospezifikationen gefunden. Nach diesem Dokument sind die Eingangsschutzdioden nicht schottky, sondern Silikon. Auf diese Weise funktioniert der obige Schaltplan auch mit einem kleineren Eingangsstrom als erwartet.

    Zusätzlich habe ich den Wert von R2 auf 10k erhöht, um die Zuverlässigkeit des Schaltplans (im Preis der maximalen Geschwindigkeit) zu erhöhen ).

    Wie auch immer, dies ist die letzte Bearbeitung dieser Antwort durch mich.

Während gute Informationen zum Herunterfahren einer Stromquelle vorliegen, muss OP tatsächlich den Signalpegel umwandeln. Ein leistungsregulierendes LDO oder Schaltnetzteil wäre hier keine gute oder billige Lösung.
@Passerby: Entschuldigung, das Wort LM317 hat mich irregeführt. Es ist jetzt behoben.
Das Ausgangssignal beträgt + 3,9 V, nicht 3,3 V.
@Andyaka - ja natürlich. Deshalb ist R2 da. (Übrigens, überprüfen Sie die zulässigen Eingangsspannungen für die 3,3-V-Logik.)
Vielleicht können Sie einen Link angeben, der dies beschreibt?
Denken Sie daran, dass es sich hier um ein RaPi handelt, nicht um ein altes CMOS oder TTL. Ich denke, Sie werden feststellen, dass Ihre Schaltung den Pi beschädigen könnte.
@johnfound Können Sie erklären, warum die beiden Dioden vertauscht sind?
@1p2r3k4t - Ich werde die Antwort bearbeiten, um zu erklären, wie dieser Schaltplan funktioniert. Übrigens bin ich ein bisschen verwirrt. Dieser Schaltplan ist ein Klassiker und sehr weit verbreitet. Ich denke, jeder kann sich vorstellen, wie es funktioniert.
@johnfound Danke, ich dachte, Sie wollten sie als Zenere verwenden und war verwirrt. Es ist jetzt sehr klar
Ich denke wirklich, Sie müssen untersuchen, wie empfindlich der RaPi gegenüber Überspannung und Strom ist. Alles, was ich gesehen habe, deutet darauf hin, dass diese Schaltung möglicherweise schädlich für das Gerät ist.
@johnfound Das Angreifen von Benutzern ist nicht akzeptabel. Eine technische Diskussion beinhaltet nicht, jemanden anzurufen, der nichts weiß.
@Kortuk - Ich versuche nicht, unhöflich zu sein oder jemanden "anzugreifen". Ich habe den Schaltplan ausführlich erklärt und meine Antwort enthält nicht meine Erfindungen, sondern die klassische Lösung, die in jedem anständigen Elektronikbuch beschrieben ist. Wenn jemand der Meinung ist, dass diese Lösung nicht funktioniert, hat er diese Bücher wahrscheinlich nicht gelesen. Also, wie soll ich eine solche Person anrufen? Ist "Analphabet" besser?
Mein Problem und wahrscheinlich das Problem von @Andyaka ist, dass viele neue Chips strengere absolute maximale Spannungen als 0,6 V + vdd haben. Im Datenblatt der msp430-Serie wird beispielsweise die maximale Spannung an einem Pin als VDD + 0,3 V aufgeführt. Leider sind die elektrischen Spezifikationen für das RPI nicht öffentlich, so dass wir raten müssen. Wie würden Sie jemanden nennen, der das Datenblatt nicht liest? ;)
@W5VO - Es ist wichtig, warum es eine solche Grenze gibt. Denn bei höheren Spannungen öffnen sich die Eingangsschutz-Schottky-Dioden des IC und der Eingangsstrom wird zu hoch. Aus diesem Grund wird R2 im obigen Schema verwendet. Es begrenzt den Eingangsstrom des IC auf akzeptable Bereiche. Wie ich bereits in der Antwort geschrieben habe, können auch Schottky D1 und D2 verwendet werden, die die Eingangsspannung noch weiter begrenzen.
@johnfound Während diese generische Lösung für die klassische, generische 3,3-Volt-CMOS-Logik häufig genug ist, ist sie als Empfehlung für ein Gerät, für das die absoluten Maxima nicht veröffentlicht werden, nicht gerechtfertigt. Sofern Sie keinen Zugriff auf ein NDA-eingeschränktes Datenblatt für den spezifischen BroadComm-SoC haben, basiert diese Antwort auf einer Annahme, die das RPi möglicherweise schädigen könnte: Solche Annahmen sind keine Grundlage für eine technische Antwort. -1.
@AnindoGhosh - Lesen Sie die zusätzlichen Hinweise in der Antwort. Ich habe gerade einen Link zur elektrischen Spezifikation des RPi GPIO hinzugefügt.
@johnfound Ich habe die offiziellen Spezifikationen und Absmax-Werte auf der von Ihnen verlinkten Site nicht gefunden. Vielleicht habe ich diese Seite falsch gelesen, bitte zitieren Sie die (nicht spekulative) Absmax-Bewertungsspezifikation.


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