- 3D-Druck Einstieg und Tipps         
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Thema: GPIO-Schutz mit simplen Dioden oder LEDs?

  1. #41
    Erfahrener Benutzer Roboter Experte
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    Zitat Zitat von Gnom67 Beitrag anzeigen
    Wenn du mir helfen möchtest, dann beantworte meine Frage und begründe deine Antwort.
    Kannst du nicht? Schade. Dann nutze deine kostbare Zeit doch einfach anderweitig.
    Kann ich wirklich nicht. Für Sonderpädagogik bin ich zu alt.

  2. #42
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie
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    Herr Von und Zu Gnom67,
    Du hast es es bis jetzt nicht geschaft eine Schaltung zu beschreiben oder mal aufzuzeichnen.
    Du scheinst auch völlig Beratungsresistent zu sein.
    Auf welchem Stern lebst Du eigentlich.....
    Ich kann nur hoffen, dass durch diesen, meinen negativen Kommentar ich hier endlich aus diesem Forum ausgesperrt werde.
    Ist das ein Verarschungsforum, oder wa soll das hier....

    Siro

    Ich bin raus. keinen Bock auf diesen MÜLLL......

  3. #43
    Erfahrener Benutzer Begeisterter Techniker
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    Ich wüsste nicht, wie oft ich noch auf die Richtigkeit DEINER ZEICHNUNG aus Beitrag #4 verweisen müsste, bis du es begreifst. Und auch beschrieben ist mein Anliegen hinreichend.

    Du kannst dich gerne abmelden, wenn es dir nicht passt, dass jemand hier klare Antworten und Begründungen erwartet, statt sich auf die gebetsmühlenartigen Wiederholungen irgendwelcher Halbwahrheiten zu berufen. Offenbar besteht ein gefestigter Glaube darein, dass der GPIO Schaden nimmt... aber begründen kann es keiner hier. Es gilt die alte Regel, dass nicht sein kann, was nicht sein darf. Allerdings überzeugt mich diese Haltung wenig.

    Da hilft übrigens auch geballte Polemik nicht. Sie offenbart nur eine bemitleidenswerte Melange von Eitelkeit und Unwissenheit.

  4. #44
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein Avatar von Moppi
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    Zitat Zitat von Gnom67 Beitrag anzeigen
    Offenbar besteht ein gefestigter Glaube darein, dass der GPIO Schaden nimmt... aber begründen kann es keiner hier.
    Ich hatte in meinem Beitrag #33 dazu etwas ergänzt. Wiederholung: Wenn Schutzdioden verbaut sind, sollte dort kein Schaden entstehen, Du brauchst nur einen Widerstand, um den Strom durch diese Dioden zu begrenzen. Falls keine vorhanden wären und also das Bild von 2017 falsch wäre, könntest Du außen am GPIO-Pin eine Schutzdiode ergänzen. Holomino hat in #32 auch auf die Schutzdioden hingewiesen. Siro hatte auch schon geschrieben, dass er denkt, dass dem GPIO nichts passiert.
    Geändert von Moppi (04.10.2020 um 07:38 Uhr)

  5. #45
    Erfahrener Benutzer Begeisterter Techniker
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    Leider bewegt sich trotzem alles im Bereich von relativ oberflächlichen Mutmaßungen. Auf meine Beschreibung möglicher Mechanismen ist bisher niemand eingegangen. Stattdessen blafft man mich an, ich hätte eine "eingeschränke Sicht auf Elektronik" sei "beratungsresistent", "selber Schuld, wenn [...] der Raspi abbrennt" und ein Fall für die "Sonderpädagogik". (Der eine oder andere hier sollte vielleicht mal über sein Menschenbild reflektieren.)

    Dass die Schutzdioden gewisse Grenzen haben, ist klar. Sie können Spannungsspitzen von mehreren Hundert Volt über sehr kurze Zeiträume ableiten. Prinzipiell muss es aber auch eine Belastungsgrenze für einen dauerhaften Strom durch diese Dioden geben. In welcher Größenordnung die liegen könnte, wäre interessant. Für den Broadcom-Chip des Pi gibt es keine öffentlich bekannten Spezifikationen. Aber vielleicht hat ja jemand grundlegende Kenntnisse, wie solche Schutzdioden in Prozessoren dimensioniert sind.
    Ich habe die Aussage gefunden, dass in Prozessoren die Gate-Transistoren größer gebaut werden als die Strukturen im inneren des Chips, um sie robuster zu machen. NXP beschreibt das in einem Dokument von 2017, das Strukturbreiten von 350-55 nm auflistet - der Chip auf dem Pi3B+ hat 40 nm, der auf dem Pi4B hat 28 nm. Einerseits werden die immer kleineren Strukturen immer empfindlicher andererseits ist es naheliegend, die IO-Komponenten bei neuren Chips nicht weniger robust auszulegen als bisher.
    Für einen 328P ist ein Injection Current von +/-1 mA bei Vcc=5V und +/-5 mA bei Vcc=0V angegeben. Nach dem, was ich über Injection Current gelesen habe, würde das für diesen Chip bedeuten, dass man 1 mA durch die Schutzdioden leiten kann. Betreibt man den 328P an 5 Volt und legt 6 Volt an einen Eingang, dann müsste man den Strom auf 1 mA begrenzen. Dazu wäre ein Widerstand nötig mit (6 - 5 - 0,4) / 0,001 = 600 Ohm.
    Überschreitungen des Injunction Current Limits kann zu Fehlfunktionen führen (wie vielleicht die von Siro bemerkten Fehlfunktionen des ADC). Ich habe auch gelesen, dass es für schnelle transiente Spannungsspitzen (ESD) zusätzliche Schaltkreise (neben den Schutzdioden) gibt. Das deutet darauf hin, dass die Schutzdioden "langsamere" Spannungsspitzen oder auch dauerhafte Ströme bewältigen können. Innerhalb der Schwelle, die von den Dioden abgedeckt wird, ist keine Strombegrenzung nötig (Vcc - 0,5 V bis Vcc +0,5 V beim 328P).
    Das Dokument von NXP beschreibt, dass das Injection Current Limit für den Worst Case (nämlich den ausgeschalteten Prozessor - Vcc = 0 V) ausgelegt sein sollte. Demnach müsste ein 6 V Signal mindestens mit einem 6-K Widerstand abgesichert sein. Im eingeschalteten Zustand (Vcc = 5 V) könnte man dann sogar 11 V anlegen. Das gleiche Dokument sagt übrigens auch, dass 1 mA für das Current Injection Limit eine allgemein annehmbare Größe ist. (Beim 328p ist das Injection Current Limit für Vcc = 0 Volt größer als für Vcc = 5 V, nämlich 5 mA gegen 1 mA. Mit einem 1-K-Widerstand wäre man also im ausgeschalteten Zustand gegen 5 V abgesichert, im eingeschalteten sogar gegen 6 Volt. NXP hat hier alledings die Diodenspannung außer Acht gelassen, die meine Meinung nach noch dazu kommen müsste - also wären 5,4 bzw. 6,4 Volt sicher.)
    Stromspitzen über diesem Wert werden in Datenblättern offenbar auch in Form zulässiger akkumulierter Überschreitungen als Zeit (z. B. 60 h) spezifiziert. Injectio Current Spitzen über 1 mA mit bekannter Länge können also über diese Zeit in eine erlaubte maximale Anzahl derartiger Spitzen über die Lebenszeit des Gerätes umgerechnet werden. Das gilt demnach auch für Over- und Undershoots auf Datenleitungen - so dass eine maximale Datenübertragungsmenge berechnet werden kann. Jedes Bit erzeugt eine Spitze im ns-Bereich... da läppern sich dann über die Terabytes auch einige Stunden Overcurrent zusammen.
    In dem Dokument wird auch explizt auf Fehlfunktionen von ADCs hingewiesen. Auch können Überschreitungen des Current Injection Limit an einem Pin die benachbarten Pins beeinträchtigen.

    Die Messkurve eines NXP-Chips zeigt die Spannungen und Ströme. Bei einem Stromlimit von hier 2,5 mA bleibt die Spannung unter dem absoluten Maximum von 6 Volt. Würde man hingegen 6 Volt ohne Strombegrenzung anlegen, würde der Strom auf 3,75 mA steigen, was die Grenzen überschreitet.

    Klicke auf die Grafik für eine größere Ansicht

Name:	Injection Current.jpg
Hits:	3
Größe:	41,7 KB
ID:	35247

    Vergleichbare 1 mA angenommen, könnte man also einen Raspberrypi GPIO an 5 V anschließen. bei Vcc = 0 V (aus) wäre ein Widerstand von 5000 Ohm ausreichend. Bei Vcc = 3,3 V (ein), würde sogar ein Widerstand von (5 - 3,3 - 0,3) / 0,001 = 1400 Ohm genügen. Der zusätzliche Spannungsabfall durch eine LED/Diode kann hier nur zu einer weiteren Senkung des Stroms führen. Wobei dann schon beim geringst denkbaren Spannungsabfall einer normalen Diode (0,4 V) der Strom mit einem 1000 Ohm Widerstand unter 1 mA liegt. Das entspricht dem Widerstand, der in der Schaltung angenommen ist. Um den Pin auch bei ausgeschaltetem Gerät zu schützen, müsste man 5600 Ohm haben. Bereits der Anschluss von 3,3 V an einen ausgeschalteten 3,3-V-Chip müsste nach dem NXP-Dokument die Limits überschreiten, da die Schutzdiode dann auf 0 V liegt und folglich ein Strom fließt. Die Begrenzung auf 1 mA wäre nur eingehalten, wenn der Widerstand mindestens (3,3 - 0,4) /0,001 = 2900 Ohm beträgt. (Das alles bezogen auf einen Input-Pin ohne Pullup/-down, was die Rechnung noch etwas ausweiten würde. Output-Pins mit ihrem Source-/Sink-Vermögen sehen noch mal ganz anders aus.) Erstaunlicherweise wurde sowas noch nie gefordert. Während eine Spannung von 1,7 V über Vcc = 3,3 V als Tabu gehandelt wird, spricht niemand über eine Spannung von 3,3 V über Vcc = 0 Volt.

    Gibt das vielleicht Anlass, sich mit dem Thema etwas tiefer auseinanderzusetzen als es sich in den obigen Schmähungen mir gegenüber manifestiert?

  6. #46
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein Avatar von Moppi
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    Das ist wie mit den nodeMCU ESP-12E, die ich verwende und den ATmega328P-PU.
    Hier begehe ich gleich mehrere Todsünden. Nicht nur dass ich die 328P mit
    3.3V und bei 16MHz betreibe, wenn ich das für richtig und besser halte.
    Sondern ich verbinde auch die Ein-und Ausgänge von einem mit 5V gespeisten
    328P-PU mit dem nodeMCU ohne einen Pegelumsetzer oder Widerstände dazwischen.
    Sowohl bei I2C, als auch bei UART-Verbindungen. Aber hier habe ich
    inzwischen eine gewisse Erfahrung und viel drüber gelesen, wie andere damit
    umgehen.
    Manchmal muss man auch was riskieren und einfach ausprobieren, mit etwas Pech
    geht das kaputt. Kann mir auch noch passieren, ist es aber bis jetzt nicht.

  7. #47
    Erfahrener Benutzer Begeisterter Techniker
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    Das ist aber nun wirklich außerhalb der Spezifikationen, wenn du ihn mit 3,3 V betreibst und 5 V an die Eingänge hängst - ohne Widerstände. Ein 1,5-€-AVR-Chip wäre kein großer Verlust - aber wenn das funktioniert, sind die Schaltkreise wohl noch um einiges belastbarer als das Datenblatt angibt.
    Dass du da keinerlei Probleme hast, erstaunt mich. Jedenfalls würde wohl die große Mehrheit in jedem themenbezogenen Forum entsetzt aufschreien, wenn sie das liest.

  8. #48
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein Avatar von Moppi
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    Umgekehrt, das nodeMCU ist 3.3V, 328P-PU entweder 3.3V oder 5V. Ein 328P bekommt nur 3.3V, aber das nodeMCU schon 5V am Eingang ab.
    Wobei es gut war, drüber gesprochen zu haben. Weil ich einen Widerstand zwischen Ausgang eines 5V-betriebenen 328P und Eingang eines mit
    3.3V betriebenen 328P vergessen habe. Liegt dran, dass ich noch nicht wusste, mit welcher Spannung ich bei dem 4ten 328P arbeiten will. Tja,
    nun sind es 5V und kein Widerstand. Werde ich sehen, ob die Schutzdioden das wegpacken, mit der Hoffnung, dass zwischen den 328P-PU kein
    besonders hoher Strom zwischen Ausgang und Eingang fließt. Die Eingänge sind ja doch hochohmiger(?). Wenn es schief geht, habe ich mir wieder
    was Brauchbares eingeprägt

  9. #49
    Erfahrener Benutzer Roboter Experte
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    Zitat Zitat von Gnom67 Beitrag anzeigen
    Gibt das vielleicht Anlass, sich mit dem Thema etwas tiefer auseinanderzusetzen als es sich in den obigen Schmähungen mir gegenüber manifestiert?
    Nein. Vollständiger Schaltplan her, statt seitenweise Prosa.
    Liefer endlich!

  10. #50
    Erfahrener Benutzer Begeisterter Techniker
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    Naja, das sind keine Vergleichbaren Fälle, denn I2C und UART arbeiten beide mit Leitungen, die Standardmäßig von einem Pullup auf ihren Pegel gezogen werden. Das Signal zieht die nur auf GND runter. Die Push-Pull-Driver eines Ausgangs dürften hier nicht aktiviert werden. Die Ströme sind hier gering.

    Wenn du einen Arduino Pin mit 5 V als Ausgang (max 40 mA) auf einen 3,3 V Eingang des MCU legst, müsste es eigentlich zum Schaden führen. Das Datenblatt des ESP8266 gibt aber dazu nicht viel her.

    Hochohmig ist nett, wenn die Spannungsgenzen eingehalten werden - dann wird auch der Strom begrenzt. 3,3 V kannst du an den ESP (als Eingang) ohne Widerstand anschließen. Wenn du aber 5 V anschließt, werden die Schutzdioden leiten und ggf. höhere Ströme zulassen. Wenn allderdings dein 328P nur den Pullup aktiviert hat und nicht den Push-Treiber, dann ist der Strom schon dadurch begrenzt. Wenn du I2C benutzt, stellt sich die Frage, welcher der beiden die Leitung mit einem Pullup hoch zieht (oder vieleicht auch beide) und wie die Treiber das Signal handhaben. Ein Push-Treiber auf I2C-Datenleitungen erscheint mir wenig sinnvoll. Bei UART hast du zwei Leitungen. Der als Input geschaltete Empfänger (Rx) kann einen Pullup setzen. Der Sender ist als output konfiguriert und wird ggf. mit dem Push-Pull-Driver 40 mA Source/Sink bei 5 V auf die Leitung hauen. Wenn der MCU das überlebt, hast du Glück. Das würd ich mich nicht trauen. Eigentlich müsste aber der Sender zwischen Output Low und hochohmig umschalten. Der Strom auf der Datenleitung dürfte durch den Sender nicht mit 40 mA gespeist werden. Ob sich die UART-Einheit des 328P daran hält, ist ne andere Frage. Aber ein GPIO ist kein UART und kein I2C - in beiden Fällen wird ja meist eine sogenannte Alternative Function auf den Port geschaltet - wie die Hardware dahinter aussieht, darüber kann man nur spekulieren, wenn die Datenblätter nichts dazu sagen.

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