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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Vcc bei CMOS Baustein auf Low ziehen


Autor: Bernhard G. (bgwh)
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Hallo,

Folgender Versuchsaufbau:

Brauche einen 3,3V (CMOS) zu TTL (5V) Pegelwandler. Habe dazu im 
folgenden Post http://www.mikrocontroller.net/articles/Pegelwandler 
gefunden, dass dazu der Baustein 74HCT125 Treiberbaustein verwendet 
werden kann.
Das funktioniert auch soweit.

Nun soll meine Schaltung (im Prinzip also nur der 74125 Baustein) mit 
einer 9V-Blockbatterie versorgt werden. Um die 5V zu erhalten, habe ich 
einen 7805 Baustein in Verwendung.
Da die Batterie möglichst lange halten soll, möchte ich einen Schalter 
einbauen, um die Schaltung ein/ausschalten zu können. (auch da der 7805 
doch einiges zieht)
Jetzt habe ich direkt nach der Batterie also vor dem 7805er einen 
Schalter mit Pulldown-Widerstand hineingeschalten, um so also dann die 
Versorgung für den 74125 zu unterbrechen bzw. auf LOW zu schalten.

Wenn jetzt der Schalter geschlossen ist (Vcc = 5V), schalte ich ein 3,3V 
Digitalsignal an einem der Eingänge und es funktioniert soweit 
einwandfrei.

Allerdings wenn der Schalter offen ist (Pulldown zieht auf LOW), 
Digitalsignal hängt aber weiterhin am Inputpin, geht Vcc nicht auf Low. 
Sondern es erscheint das etwas gedämpfte Inputsignal am Vcc - Pin des 
74HCT125 Baustein.
Ich habe dann direkt nach dem 7805er eine Kontroll LED angebracht und 
diese blinkt dann im "ausgeschalteten Zustand" auch dementsprechend mit 
der Frequenz des Digitalsignales.

Warum ist das so? Warum hat der Input da Einfluss auf Vcc?

Muss man das Ausschalten etwas anders realisieren? (Anm.: Ich möchte es 
nicht mit Output Enable realisieren, da ich nicht will, dass der 7805er 
Strom von der Batterie zieht.)

Bin über jede Hilfe dankbar.

lg

Autor: MaWin (Gast)
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> Warum ist das so?

Weil es Eingangsschutzdioden gibt

> Warum hat der Input da Einfluss auf Vcc?

Weil Strom vom Eingang über eine Diode in Leitrichtung nach VCC fliesst, 
und da sollte nicht zu viel Strom fliessen (sicher unter 100mA).

Deine Schaltung wandelt zwar 3.3V CMOS in TTL (wobei es nchts zu wandeln 
gibt, TTL hat eine Schaltschwelle von 1.4V), aber trennt nicht die 
Versorgungsspannung.

Bei langsamen Signalen nimmt man open collectror bzw. open Drain 
Ausgänge und auf Eingangsseite einen PullUp:
         +--4k7-- +5V
   o.c.  |
--|>-----+--- TTL

oder du nimmst "5V tolerante" Chips (die haben keine Diode nach VCC 
sondern eine Z-Diode von 5V1 nach Masse und es fliesst kein Querstrom) 
nur mal einer von tausenden als Beispiel: 
http://www.st.com/stonline/products/literature/ds/7328.pdf

Autor: Bernhard G. (bgwh)
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@MaWin: Danke für deine Antwort.

> Weil es Eingangsschutzdioden gibt
>

ah okay.
Haben alle Bausteine der HCT Logikfamilie diese Eingangsschutzdiode? 
(Hätte z.B. auch den 74HCT240 Baustein)
Das heißt immer, wenn man Vcc nicht auf einem fixen Pegel legt, wird die 
Eingangsspannung am Output erscheinen?

>
> Weil Strom vom Eingang über eine Diode in Leitrichtung nach VCC fliesst,
> und da sollte nicht zu viel Strom fliessen (sicher unter 100mA).

Über die Eingangsschutzdiode?

> Bei langsamen Signalen nimmt man open collectror bzw. open Drain
> Ausgänge und auf Eingangsseite einen PullUp:

Du meinst auf der Ausgangsseite?

> oder du nimmst "5V tolerante" Chips (die haben keine Diode nach VCC
> sondern eine Z-Diode von 5V1 nach Masse und es fliesst kein Querstrom)
> nur mal einer von tausenden als Beispiel:
> http://www.st.com/stonline/products/literature/ds/7328.pdf

Ja aber der hat ja keine TTL-kompatiblen Inputs. Sprich, wenn ich jetzt 
Vcc auf 5V hänge (damit ich 5V-Logik am Ausgang habe), wird er 3,3V 
nicht als HIGH erkennen, da 5V-CMOS erst über 3,5V als HIGH erkennt.

lg

Autor: Peter Z. (Gast)
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74LCX541 ist bestimmt eine gute Idee.

Außerdem könntest du noch an dem 7805 arbeiten. Diese Bausteine sind 
natürlich Stromfresser, es gibt sie seit mindestens 1973. Ich habe ein 
Funkschau-Heft von 1973, dort sind Schaltungen zum Nachbauen mit TTL und 
7805. Ich weiss, es gibt bessere die mit wenigen uA Strom auskommen. Ich 
kann im Moment nur keine Nummer ausspucken, niedriger Stromverbrauch war 
bei uns in der Firma nie ein Thema -- alle Geräte haben Netzanschluss. 
Andere Mitleser in diesem Forum können bestimmt gute Spannungsregler mit 
geringem Eigenverbrauch empfehlen.

Solltest du selber nicht bei z.B. www.National.com oder www.Linear.com 
etc. fündig werden, kann ich dir auch mal so aus dem Stegreif eine 
Schaltung mit 3 Transistoren aufmalen die einen sehr geringen 
Eigenverbrauch hat.
Wie lange soll die 9V-Batterie denn halten? Wieviel verbraucht deine 
Schaltung?

Autor: Bernhard G. (bgwh)
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@Peter Zz: Vielen Dank für deine Antwort.

> 74LCX541 ist bestimmt eine gute Idee.

Könnte nicht das oben erwähnte Problem mit den nicht TTL-kompatiblen 
Input-Pins auftreten?


> Außerdem könntest du noch an dem 7805 arbeiten. Diese Bausteine sind
> natürlich Stromfresser, es gibt sie seit mindestens 1973. Ich habe ein
> Funkschau-Heft von 1973, dort sind Schaltungen zum Nachbauen mit TTL und
> 7805. Ich weiss, es gibt bessere die mit wenigen uA Strom auskommen.

Ja das denke ich mir, dass es da bessere gibt. Einige uA wären okay. Da 
bräuchte ich dann echt keinen Schalter mehr.

> Wie lange soll die 9V-Batterie denn halten? Wieviel verbraucht deine
> Schaltung?

Nun ja meine Schaltung besteht eigentlich nur aus dem 7805er, einer LED 
und dem 74HCT125 Baustein.
Der 7805er hat einen Ruhestrom von 5-8mA.
Über den 74HCT125 habe ich nur folgendes Datenblatt gefunden: 
http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/philips/...
Und da steht leider nichts über die Stromaufnahme. Laut meiner Schaltung 
ist sie aber sehr gering.
Als Batterie habe ich eine mit 250mAh. Das heißt alleine durch den 
Betrieb des 7805er würde die Schaltung nur ca. 50h funktionieren. Und 
das ist eindeutig zu wenig. Die Schaltung sollte einige Wochen bzw. 
Monate funktionieren.
Also ich werde mich wohl nach einem besseren Spannungsregler umsehen.

Aber für den ersten Prototypen bin ich ganz zufrieden:
Die Pegelwandlung von 3,3V auf 5V funktioniert einwandfrei. Die 
Stromaufnahme bei ausgeschaltenen Zustand ist 0. Und naja es erscheint 
halt dann bei ausgeschaltenen Zustand eine Spannung von 1,2V am Ausgang. 
Aber die sollten nicht sonderlich stören.

Vielen Dank.

lg

Autor: A. K. (prx)
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Bernhard G. schrieb:

> Haben alle Bausteine der HCT Logikfamilie diese Eingangsschutzdiode?

Bis auf 4049 und 4050, die als Pegelwandler high=>low etwas anders 
aufgebaut sind, haben alle 74HC und 74HCT sowas, wie auch fast alles 
andere was in CMOS realisiert ist.

Autor: A. K. (prx)
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Bernhard G. schrieb:

>> Weil Strom vom Eingang über eine Diode in Leitrichtung nach VCC fliesst,
>> und da sollte nicht zu viel Strom fliessen (sicher unter 100mA).
>
> Über die Eingangsschutzdiode?

Yep, und es wäre besser sich an die dokumentierten Grenzwerte zu halten. 
Je nach Implementierung und Alter der Konstruktion gibt es bei 
Überschreitung irgendwann einen soliden Kurzschluss zwischen Vcc und 
GND.

Autor: Bernhard G. (bgwh)
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> Yep, und es wäre besser sich an die dokumentierten Grenzwerte zu halten.
> Je nach Implementierung und Alter der Konstruktion gibt es bei
> Überschreitung irgendwann einen soliden Kurzschluss zwischen Vcc und
> GND.

okay danke.
Es sollte also eher vermwieden werden, dass eine Inputvoltage anliegt, 
wenn die Schaltung "nicht in Betrieb" ist.

Autor: ... ... (docean) Benutzerseite
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einfach 100k oder so in reihe vor die eingänge... das begrenzt den strom 
durch die schutzdioden...

Autor: Michael G. (linuxgeek) Benutzerseite
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Bernhard G. schrieb:

> Nun soll meine Schaltung (im Prinzip also nur der 74125 Baustein) mit
> einer 9V-Blockbatterie versorgt werden. Um die 5V zu erhalten, habe ich
> einen 7805 Baustein in Verwendung.

Der 7805 ist schlecht geeignet bei Batterieschaltungen wegen des hohen 
Ruhestroms, wenn moeglich nimm einen LF50, der braucht zwar immer noch 
nen bissel was aber schon deutlich weniger.

Autor: A. K. (prx)
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Autor: Flow (Gast)
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Im Databook von TI "High-Speed CMOS Logic" sind im Anhang Beispiele bei 
partieller Abschaltung von Vcc beschrieben:

 1.  3-state Ausgänge des Treibers nutzen
 2.  strombegrenzender Widerstand ( <20mA )
 3.  pull-up Widerstand und Diode

Es wird auch eine Diode eingeschleift in Flußrichtung in den 
Vcc-Anschluß des IC, bei power-down fließt dann nichts vom treibenden 
Ausgang über die ESD-Dioden weg.

Autor: MaWin (Gast)
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> Haben alle Bausteine der HCT Logikfamilie diese Eingangsschutzdiode?

Ja.

> Ja aber der hat ja keine TTL-kompatiblen Inputs.

Doch, du musst sie nur mit 3.3V betreiben, TTL-kompatibel heisst 
Schaltschwelle bei 1.4V.

> da 5V-CMOS erst über 3,5V als HIGH erkennt

Du meinst CMOS-kompatibel, das heisst Schaltschwelle bei (deutlich über) 
halber Versorgungsspannung.

Wie gesagt, die sauberste Möglichkeit sind open collector Ausgänge und 
Pull-Ups auf der Versorgungsspannungsseite des Eingangs.

Denn bei einfachen Serien-Widerständen zwischen Ausgang und Eingang 
ergibt sich die merkwürde Situation:
Beide Versorgungsspannungen ein: Es fliest nur wenig Strom, der 
Betriebsstrom der Schaltung.
Eine (die falsche) Versorgungsspannung aus:
Es fliesst plötzlich mehr Strom, nämlich der über die Widerstände in den 
ausgeschalteten Schaltungenteil (und wenn der mit diesem geringen Stroma 
auskommt und sogar noch LEDs hat, können die anfangen zu glimmen, ich 
hatte mal so einen Drucker der, wenn er ausgeschaltet war und der PC an 
war, munter vor sich hinleuchtete).

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