3.3V GPIO: 5V schalten mit Status-LEDs

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Autor
3.3V GPIO: 5V schalten mit Status-LEDs

    







BID = 1119653

krutz

Gerade angekommen


Beiträge: 19
 

  


Hallo zusammen,

ich möchte 5v (bis 3A) schalten. Normalzustand soll "5V liegt an" sein, und dies per leuchtender grüner LED anzeigen.
Die 5V möchte ich per Taster und/oder 3.3V GPIO eines Raspis (max 16mA belastbar) abschalten können. Das soll dann per rot leuchtender LED angezeigt werden.

Für die 5V 3A habe ich nach einem MOSFET gesucht. Für "Normalzustand an" und "invertiere GPIO-Pegel" wählte ich einen P-Kanal. Finally soll es ein Logiclevel Mosfet sein, da ich nur maximal 5V zur Verfügung habe.
Gewählt habe ich einen AO 3415A.
Um diesen und die rote Status-LED zu schalten habe ich einen PN222a NPN Transistor davorgesetzt.
Dann noch je einen 10k pulldown für Mosfet und Transistor und Gate- bzw Basisvorwiderstände in 1k bzw 2.2k.

- Funktioniert die Schaltung so sinnvoll?
- ist der Gatevorwiderstand mit 1k sinnvoll gewählt?

Vielen Dank im Vorraus für eure Geduld!

Krutz






BID = 1119654

Offroad GTI

Urgestein



Beiträge: 12656
Wohnort: Cottbus

 

  


Zitat :
Funktioniert die Schaltung so sinnvoll?
Nein. Wenn vom GPIO nur 3,3V kommen, liegen am Emitter des NPN-Transistors minimal 3,3V-0,6V=2,7V an. Damit sperrt der P-MOSFET nicht. Macht aber nix, wenn der Transistor über den Taster angesteuert wird funktioniert es auch nicht, da durch die LED die Spannung am Emitter in jedem Fall so hoch gezogen wird, dass der P-MOSFET nicht sperren kann.


Zitat :
MOSFET gesucht. Für "Normalzustand an"
Das sind ziemliche Exoten. Braucht man so gut wie nie. Schon gar nicht für einen trivialen Schalter.

Zitat :
Gewählt habe ich einen AO 3415A.
Ist ein normaler Anreicherungstyp. Für 3A ist der auch etwas knapp bemessen. Muss es so ein kleiner SMD-Typ sein?


Zitat :
Normalzustand soll "5V liegt an" sein
Kann auch GND-seitig geschaltet werden?



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Theoretisch gibt es zwischen Theorie und Praxis keinen Unterschied. Praktisch gibt es ihn aber.



[ Diese Nachricht wurde geändert von: Offroad GTI am  4 Dez 2023 11:42 ]

BID = 1119655

BlackLight

Inventar

Beiträge: 5219

Wäre ggf. auch ein zweiter GPIO für die zweite LED frei?

Bei 15 W würde ich auch überlegen den GPIO/Raspi etwas mehr zu schützen. Optokoppler/Optofet/SSR/o.ä.

BID = 1119656

krutz

Gerade angekommen


Beiträge: 19

Vielen Dank für die schnelle Antwort und Hilfe!


Zitat :
Offroad GTI hat am  4 Dez 2023 11:28 geschrieben :


Zitat :
Funktioniert die Schaltung so sinnvoll?
Nein. Wenn vom GPIO nur 3,3V kommen, liegen am Emitter des NPN-Transistors minimal 3,3V-0,6V=2,7V an. Damit sperrt der P-MOSFET nicht. Macht aber nix, wenn der Transistor über den Taster angesteuert wird funktioniert es auch nicht, da durch die LED die Spannung am Emitter in jedem Fall so hoch gezogen wird, dass der P-MOSFET nicht sperren kann.

Oh, ja, das leuchtet mir ein..


Zitat :

Zitat :
MOSFET gesucht. Für "Normalzustand an"
Das sind ziemliche Exoten. Braucht man so gut wie nie. Schon gar nicht für einen trivialen Schalter.

Zitat :
Gewählt habe ich einen AO 3415A.
Ist ein normaler Anreicherungstyp. Für 3A ist der auch etwas knapp bemessen. Muss es so ein kleiner SMD-Typ sein?

Nein, dieser Mosfet wurde nur irgendwo empfohlen. Ein tht Mosfet würde mir besser gefallen. Mit selber Datenblätter lesen bin ich mir noch unsicher, insbesondere bei welcher Spannung an Gate bzw Basis ich voll durchschalte. Deshalb der Sanitycheck bei den Profis


Zitat :

Zitat :
Normalzustand soll "5V liegt an" sein
Kann auch GND-seitig geschaltet werden?

Ich denke ich muss die 5V direkt schalten. Konkretes Ziel: dieser "Schalter" ist in ein USB-Kabel eingeschleift, um das per USB am Raspi angeschlossene Gerät zu resetten. Die Datenleitungen und GND sind also auch verbunden, und GND über weitere Verkabelungen vielleicht ohnehin noch parallel verbunden (z.B. über die Netzwerkbuchsen oder HDMI etc).


Lieber einen NPN für den Mosfet, einen NPN für die rote LED, und einen Mosfet mit niedrigerem Logiclevel wählen? In der Mikrocontroller.net Mosfet-Übersicht fand ich noch den IRF 7410 mit 1.8V Logiclevel und 16A Schaltvermögen. SO-8 ist jetzt nicht meine präferierte Bastelbauform, ich komme aber mit klar.

Liege ich richtig, dass ich die gleiche Funktionalität auch mit PNP (als "Inverter") und einem N-Mosfet erreichen könnte? Bei den N-Mosfets in der Liste fand ich keinen mit Logiclevel unter 2.7V, genügend Source-Drain-Strom und bei Reichelt lieferbar.


Vielen Dank!

Krutz

BID = 1119657

krutz

Gerade angekommen


Beiträge: 19


Zitat :
BlackLight hat am  4 Dez 2023 12:05 geschrieben :

Wäre ggf. auch ein zweiter GPIO für die zweite LED frei?

Ja, GPIOs habe ich noch. Einer Hardwarelösung würde ich mehr vertrauen als der Software, die beide GPIOs schalten sollte.
Wenn die rote LED per zweitem GPIO geschaltet würde, würde sie bei Tastendruck nicht leuchten (sondern nur die grüne LED ausgehen).
Klar, wenn es in Hardware nicht ginge, wäre das der nächste Ansatz!


Zitat :

Bei 15 W würde ich auch überlegen den GPIO/Raspi etwas mehr zu schützen. Optokoppler/Optofet/SSR/o.ä.

Ja, guter Punkt. Den Transistor kann ich wohl direkt mit einem Optokoppler ersetzen?
Mir fehlt die Erfahrung oder Fantasie um zu erkennen, in welchem Szenario der GPIO gefährdet wäre. Wenn der 1k Basiswiderstand und der Transistor niederohmig würden?
Na, ich habe noch ein paar GPIOs übrig
Eine Polyfuse ist aber natürlich generell keine schlechte Sache.

Danke dir!

Krutz

BID = 1119658

Offroad GTI

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Beiträge: 12656
Wohnort: Cottbus


Zitat :
fand ich noch den IRF 7410 mit 1.8V Logiclevel
Ist doch gar nicht nötig. Bei 5V Versorgungsspannung hast du doch auch -5V Gate-Source-Spannung.


Zitat :
Lieber einen NPN für den Mosfet, einen NPN für die rote LED
Ja.


Zitat :
Liege ich richtig, dass ich die gleiche Funktionalität auch mit PNP (als "Inverter") und einem N-Mosfet erreichen könnte?
Jain. Wenn die Plusseite geschaltet werden soll, braucht ein N-MOSFET ja immer eine höhere Steuerspannung am Gate. Das bedeutet dann wieder höheren Schaltungsaufwand.



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BID = 1119662

krutz

Gerade angekommen


Beiträge: 19

Ich habe jetzt zwei NPN (für Mosfet und LED) eingezeichnet und den Mosfet gegen den IRF7410 ersetzt (größerer Source-Drain Strom, größere Bauform).

Der Mosfet wird erst nichtleitend, wenn Gate zu Source nahe identisch sind. Schon ab -0.5 .. -0.7V können (je nach Temperatur) bis zu 100mA (Source-Drain, bei 10V) fließen (Datenblatt S.3 Fig.3). Daher habe ich den Spannungsteiler zwischen Drain und GND nochmal ordentlich verschoben.
Habe ich das so richtig verstanden?

Zu Optokopplern:
Sehe ich das richtig, dass Zweikanal Optokoppler einen Vorwärtsstrom auf Eingangs/LED-Seite von jeweils 50mA, typ. 20mA haben, und selbst gute Einkanal Optokoppler bei 10mA bis 60mA liegen? Das fällt für den Raspi GPIO mit max. 16mA Belastbarkeit raus..

Vielen Dank für eure Hilfe!

Krutz




BID = 1119664

Offroad GTI

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Wohnort: Cottbus


Zitat :
Der Mosfet wird erst nichtleitend, wenn Gate zu Source nahe identisch sind.
Ja, typischerweise ist zum Sperren auch UGS=0V angedacht


Zitat :
Daher habe ich den Spannungsteiler zwischen Drain und GND nochmal ordentlich verschoben.
Die Grundkonfiguration entspricht deiner ersten Schaltung und ist damit immer noch falsch.
Ich mach nachher mal eine Skizze, bevor das hier in wilder Schaltplan-Raterei ausartet


Zitat :
und selbst gute Einkanal Optokoppler bei 10mA bis 60mA liegen?
Ja, das sind aber die Maximalwerte. Die funktionieren auch mit geringerem Strom. Wenn aber eh alles auf einem Potential zusammenläuft, brauchst du keine Optokoppler.



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BID = 1119665

Murray

Inventar



Beiträge: 4691

War letzte Woche auch am basteln was man nun genau nimmt um was mit den 3,3V aus einem GPIO galvanisch getrennt zu schalten.
Wollte erst über Hilfsspannung und Relais.
Dann sind mir die Photovoltaik-Relais PVR-AD2 aufgefallen was ich hier noch rumliegen habe.
Die ICs da drauf sind gar keine Optokoppler wie ich dachte sondern Solid State Relais.
ASSR-1611

Die Dinger schalten bis 2,5/5A 60V AC/DC bei Ansteuerung mit 5 mA und > 0,8V wenn ich Datenblatt richtig lese.
Hatte das nur lastlos probiert da haben 50 µA gereicht.

Naja sind wohl nicht überall erhältlich...
Aber vll.gibt es ja was ähnliches


BID = 1119667

Offroad GTI

Urgestein



Beiträge: 12656
Wohnort: Cottbus


Zitat :
Die ICs da drauf sind gar keine Optokoppler wie ich dachte sondern Solid State Relais.
ASSR-1611
Also sind sie "nebenbei" auch noch Optokoppler


Zitat :
Ansteuerung mit 5 mA und > 0,8V
Der Spannungsfall über der internen IR-LED ergibt sich wie bei jeder anderen LED durch die äußeren Umstände.

Eine galvanische Trennung wird hier ja nicht benötigt, von daher genügt ein einfacher Transistor als Schalter.



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BID = 1119675

Offroad GTI

Urgestein



Beiträge: 12656
Wohnort: Cottbus

Hier die Schaltung:




Ist der GPIO nicht angeschlossen oder der Schalter nicht betätigt, leitet Q2 und schaltet damit M1 ein und Q3 aus.
Wird der GPIO auf HIGH gesetzt oder der Schalter geschlossen, sperrt Q2 und damit M1 und Q3 wird eingeschaltet, für die rote Melde-LED.



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BID = 1119684

perl

Ehrenmitglied



Beiträge: 11110,1
Wohnort: Rheinbach

Schaurig!
Nimm einen 74HCT als Treiber. Die gibts für wenig Geld im DIP- oder SO-Gehäuse.
Die 74HCT-Serie läuft mit 5V, und bei einer Eingangsspannung von ca. 1,4V entscheidet sie sich, ob das High oder Low ist.
Mit dessen Ausgang steuerst du dann deinen MOSFET an. Ob p-Kanal oder n-Kanal ist Geschmacksache, aber generell bevorzugt man n-Kanal wegen der besseren elektrischen Daten.

Der 74HCT04 z.B. enthält 6 Inverter im 14poligen Gehäuse, der 74HCT34 invertiert nicht. Man kann auch zwei Inverter hintereinanderschalten, wenn man nur einen einzigen Buffer braucht.

Evtl kannst du damit auch LED direkt also ohne Vorwiderstand ansteuern. Schau dir die Ausgangskennlinie und die maximal zulässigen Ströme im Dateblatt an.
Aber nicht MOSFET und LED an das gleiche Gate hängen!


Weitere Typen sind. z.B. hier gelisted:
https://en.wikipedia.org/wiki/List_.....cuits

Dort sind zwar 74LS aufgeführt, aber viele davon gibt es auch als HCT.
Die 74LS sind ebenfalls leicht erhältlich, aber die Ausgangsspannung geht da nur auf etwa +3,5V hoch. Zu wenig bzw. zuviel um MOSFETs sauber anzusteuern.

BID = 1119686

BlackLight

Inventar

Beiträge: 5219


Zitat : Offroad GTI hat am  4 Dez 2023 15:43 geschrieben :
Eine galvanische Trennung wird hier ja nicht benötigt, von daher genügt ein einfacher Transistor als Schalter.
Kommt drauf an.

Meine Hauptmotivation war in Richtung Trennung der Hochstromseite vom Raspi.
Hab schon zu viele MCUs aus Dummheit/Fehler getötet (gesehen).

Hier sehe ich nicht nur den GPIO gefährdet, sondern ggf. auch die Masseverbindung. Also wenn einem der Raspi nix wert ist stimme ich dem zu.

Ansonsten würde ich mindestens Schutzwiderstände in beide Leitungen (GPIO & Masse) packen. Oder halt eine richtige Lösung. Darf am Ende aber jeder selber entscheiden.

@perl: Hier einen 74HC04/74HCT04 als Hardwarelösung nutzen finde ich sehr clever! Merke ich mir.
Hatte bisher nur zum Buffern ein Paar eingesetzt (nicht-invertierend).

BID = 1119689

Murray

Inventar



Beiträge: 4691

Gestern erst wieder gelesen das einer bei so Basteleien 2 Stück seiner RS485-TTL-Wandler abgeschossen hat weil seine 5V-Netzteile statt 5V die Netzspannung auf den Anschlüssen gebracht haben. Wenn da schon die Wärmepumpe dran gehangen hätte wäre wohl der Schaden noch grösser geworden.

Die HCT hatte ich auch schon mal gesehen als Ersatz für die üblichen Mosfet-Levelshifter bei 3,3/5V.
Ist nur die Frage wie andersrum, von 5V auf 3,3V.
Von den normalen Widerstandsspannungsteilern rät man ja wegen Stromaufnahme etc. ab. Aber vll. ist es nach so einem Puffer nicht mehr so kritisch

BID = 1119692

BlackLight

Inventar

Beiträge: 5219


Offtopic :

Zitat : Murray hat am  5 Dez 2023 10:39 geschrieben :

Ist nur die Frage wie andersrum, von 5V auf 3,3V.
Je nach Situation geht das auch mit einem 74HC. Zum Beispiel hier aus dem NXP-Datenblatt meiner 74HC04PW:



Hab das aktuell nur für 3,3 V -> 3,0 V vorgesehen, müsste das als Test aber mal für 5 V -> 3,3 V testen/umbauen.


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