Transistor-Schalter schaltet auch bei Low-Pegel durch

[Sebastian L. (arakis)]

Hallo,
ich habe eine Transistor-Schaltung wie im Anhang und möchte damit einen 
3.3V to 5V Levelshifter realisieren.

Leider schaltet die Schaltung auch auf 5V-High, wenn 3.3V-Low (ca. 
0.85V) angelegt sind. Mit höherem R2 klappt es zwar teilweise, müssen 
dann aber schon fast 1-2M OHm sein, jedoch ist der High-Pegel dann max. 
4V. Das ist für den Ziel-IC viel zu wenig.

Ich möchte mit einem 3.3V Signal einen TPIC6C596N steuern. Ein 
dedizierter Level-Shifter ist zwar bereits bestellt ( SN74LVC8T245 / 
74HCT125 ), möchte aber nicht so lange warten :)

Lieben Gruß,
Sebastian

[Helmut S. (helmuts)]

Mach einen zusätzlichen Widerstand mit 5,1kOhm von der Basis von T1 nach 
Masse.

[Sebastian L. (arakis)]

Hallo Helmut,
das war ja mal eine prompte Antwort! Danke, klappt prima! Hoffe es dass 
ich es dennoch richtig vertanden habe, siehe Anhang.

Ich muss jeztzt nur kurz checken, ob der TPIC6C596N einen quasi 0V Pegel 
akzeptiert als Low.

Lieben Gruß,
Sebastian

[Dietrich L. (dietrichl)]

Zusätzlich zu den 5,1kOhm von Helmut S. sollte da noch ein Widerstand 
zwischen Basis und Emitter von Q3 sein (z.B. 1kOhm?), um den Transistor 
auch sicher und schnell abschalten zu können.

Gruß Dietrich

[Sebastian L. (arakis)]

Hallo  Dietrich,
danke für den Tipp. Werde mir gleich mal im Simulations Osziliskop den 
Unterschied ansehen. Meintest du das so wie im Anhang (Clipboard14.png) 
?

Und natürlich möchte ich auch verstehen, "warum" was so funktioniert wie 
es soll. Ich würde sagen, den zusätzliche 5.1k Ohm sorgt dafür, dass 
mehr Spannung abgeführt wird.

Doch wie funktioniert das mit dem 1k Ohm Widerstand? (Sinn, Zeck, 
Funktionsweise)

PS: Kann man hier im Forum keine Anhänge bearbeiten? Ich konnte gerade 
nur eins hinzufügen, anstatt ein bestehendes Löschen/Ändern.

Lieben Gruß,
Sebastian

[Dietrich L. (dietrichl)]

Sebastian Loncar schrieb:
> Und natürlich möchte ich auch verstehen, "warum" was so funktioniert wie
> es soll. Ich würde sagen, den zusätzliche 5.1k Ohm sorgt dafür, dass
> mehr Spannung abgeführt wird.

Bei Low=0,85V fließt ohne die 5,1k immer noch Strom in die Basis und 
steuert den Transistor an.
Zum sicheren Abschalten muss die Spannung an der Basis aber klein genug 
sein. Dazu dient der Spannungsteiler aus R2 und R4, der die 
Eingangsspannung etwa drittelt.
Zu sehr darf der Teiler die Spannung aber auch nicht reduzieren, sonst 
wird der Transistor bei "High" nicht mehr sicher eingeschaltet.

> Doch wie funktioniert das mit dem 1k Ohm Widerstand? (Sinn, Zeck,
> Funktionsweise)

Statisch betrachtet: Q1 hat einen Kollektor-Reststrom. Der fließt in die 
Basis von Q3 und steuert den Transistor ein wenig an. R5 leitet diesen 
Strom an der Basis vorbei.
Dynamisch betrachtet: Der Transistor hat eine Basis-Emitterkapazität. Um 
Q3 schnell abzuschalten, muss diese Kapazität auch schnell entladen 
werden. Dies geschieht über R5. Der Wert von R5 bestimmt die 
Zeitkonstante der Entladung (t = R5 * Cbe).
Allerdings: Im Falle "Einschalten von Q3" reduziert der Strom durch R5 
den Basistrom von Q3. Entsprechend muss das bei der Berechnung von R3 
berücksichtigt werden.

Gruß Dietrich

[Thomas S. (thom45)]

Dietrich L. schrieb:
> Zusätzlich zu den 5,1kOhm von Helmut S. sollte da noch ein Widerstand
> zwischen Basis und Emitter von Q3 sein (z.B. 1kOhm?), um den Transistor
> auch sicher und schnell abschalten zu können.

Und dass danach nicht die Basis in der Luft hängt. In der Regel 
funktioniert es trotzdem, ist aber schaltungstechnisch unsauber.

Gruss
Thomas

[Sebastian L. (arakis)]

Hallo Dietrich,
danke für deine Ausführliche Erklärung. Und ich habe sie sogar 
verstanden :) Aber sowas muss man ja erstmal wissen. Ich habe schon 
unzählige Beiträge über Transistoren gelesen, aber das wurde darin nie 
erwähnt.

Daher mal der Praxistest: Siehe da, Theorie stimmt! Habs mit meinem 
Fluke MM "grob" getestet, und mit 1K Widerstand (R5) ist die Flanke viel 
steiler.
(520.jpg=Ohne R5, 521.jpg=Mit R5).

Lieben Gruß,
Sebastian

[Sebastian L. (arakis)]

Tja, die Flanke scheint zwar mit dem R5 steiler zu sein, leider ist sie 
noch "viel" zu flach. Ich musste die Frequenz auf 750 ms Schaltzeit 
drosseln (750ms warten vor jeder HIGH/LOW-Änderung), damit es nicht zu 
Fehlern kommt.

Normalerweise habe ich Schaltzeiten von 1ms.

Ich denke mal da hilft wohl doch nur warten auf meine SN74LVC8T245 /
74HCT125 Komponenten.

PS: Das Fluke ist zwar kein Osszi, aber die Flanke ist flach genug, dass 
sie im Trend-Verlauf zu sehen ist. Weiß eigentlch jemand wie hoch der 
Abtastintervall beim Trendverlauf ist?

Lieben Gruß,
Sebastian

[Timm T. (Gast)]

Sebastian Loncar schrieb:
> Ich musste die Frequenz auf 750 ms Schaltzeit
> drosseln (750ms warten vor jeder HIGH/LOW-Änderung), damit es nicht zu
> Fehlern kommt.

Nee, da stimmt was nicht. Die Schaltung ist zwar nicht die Schnellste, 
aber so lange Anstiegszeiten darf die nicht haben. Lädst Du da irgendwo 
einen Kondensator mit?

[Sebastian L. (arakis)]

Ne, aber ich hätte eine Idee in anderer Richtung. So wie ich das sehe, 
geht der LOW-Pegel nicht weit genug runter, er ist ganz oft zwischen 0.8 
bis gar 1.5V. Die Schaltung oben macht alles richtig, wenn ich am 
Schalter nichts anschließe, ist der LOW-Ausgangspegel entsprechend sehr 
niedrig (quasi 0V).

Ich habe festgetellst, dass ein I/O-Eingang(!) vom TPIC6C596N die 
Spannung verursacht. Und da liegt meine nächste Vermutung, dass es daran 
liegen könnte, weil ich ganz zu beginn mal GND und VCC vertauscht habe. 
Stellte es zwar fix fest, die ICs waren lediglich warm geworden, und ein 
"manueller" Test (I/Os mit jumber wires betätigt) war erfolgreich.

Ich werde mich mal dran setzen und die 11 TPIC6C596N's entlöten.

Lieben Gruß,
Sebastian

[Sebastian L. (arakis)]

So, erfolgreich entlötet und erstmal nur einen (neuen) eingesetzt. 
Spannung am I/O-Eingang ist 0.15-0.2V bei LOW (auch wenn kein Kabel dran 
ist), und 5V bei HIGH.

Es klappt aber leider noch immer nicht. Schlimmer: Der IC reagiert "gar 
nicht mehr" auf Ansteuerung vom Controller. Was mich stuzig macht: Per 
Hand klappt es! Die CLK/RCLK-Eingänge mit VCC berühren, VCC lösen, mit 
GND berühren und wieder lösen.

Was ich auch nicht verstehe: Warum muss ich bei der manuellen Methode 
nach jeder VCC-Berührung der I/O-Pins dann auch noch mal GND kurz ran?

Lieben Gruß,
Sebastian

[F. F. (foldi)]

Was ich nicht verstehe, ohne nun auf das neuere Problem einzugehen, 
wieso die Basis von Q1 auch ohne die 5kOhm noch Strom bekommen soll, wo 
sie doch einen Taster hat?

Ich gehe mal davon aus, dass der Taster S1 gedrückt werden muss, um die 
Schaltung in Betrieb zu nehmen (auch wenn er dann falsch gezeichnet 
ist), aber egal ob Öffner oder Schließer, er trennt in jedem Fall die 
Basis von Q1 von der Stromquelle von V3.

Die aufgetretenen Probleme, dass der Transistor leitend bleibt, kenne 
ich dann eher bei Fet's. Bei einem BC337 und BC327 ist mir das völlig 
fremd.

[F. F. (foldi)]

Sebastian Loncar schrieb:
> So, erfolgreich entlötet und erstmal nur einen (neuen) eingesetzt.
> Spannung am I/O-Eingang ist 0.15-0.2V bei LOW (auch wenn kein Kabel dran
> ist), und 5V bei HIGH.
>
> Es klappt aber leider noch immer nicht. Schlimmer: Der IC reagiert "gar
> nicht mehr" auf Ansteuerung vom Controller. Was mich stuzig macht: Per
> Hand klappt es! Die CLK/RCLK-Eingänge mit VCC berühren, VCC lösen, mit
> GND berühren und wieder lösen.
>
> Was ich auch nicht verstehe: Warum muss ich bei der manuellen Methode
> nach jeder VCC-Berührung der I/O-Pins dann auch noch mal GND kurz ran?
>
> Lieben Gruß,
> Sebastian

Vielleicht ist ja dein uC geschossen, durch den falschen Anschluss?
Du bist ja schon auf dem richtigem Weg, einzelne Teile der Schaltung zu 
isolieren. Außerdem sind Sockel, zumindest in der Basisversion einer 
neuen Schaltung, eine nützliche Sache, da man so nicht löten muss und 
einfach besser Fehler findet.

[Sebastian L. (arakis)]

Hallo,
das mit den IC Sockeln ist eine gute Idee, werde mir mal ein paar 
zulegen.

Der Taster war nur zu Diagnosezecken in der Simulations-Schematic. Im 
Anhang habe ich es noch mal ins reine gezeichnet. R5 soll übrigens 1K 
sein, habs falsch eingetragen / falsche Datei hochgeladen.

Messungen:

SIPO-RCK-3.3V in Low: 0,15-0,85V
SIPO-RCK-3.3V in HIGH: 3.3-3.5V

Wenn am TPIC6C596 angeschlossen:
SIPO-RCK-5V in Low: 0.1-0.2V
SIPO-RCK-5V in HIGH: 5V

Wenn nicht am TPIC6C596 angeschlossen:
SIPO-RCK-5V (Ausgang von Q3) in Low: 0V
SIPO-RCK-5V (Ausgang von Q3) in HIGH: 5V

Wenn nicht am TPIC6C596 angeschlossen, dann ist am Pin vom TPIC6C596:
SIPO-RCK-5V (Eingang von TPIC6C596): 0.1-0.2V
(Warum ist da Spannung, obwohl da nichts angeschlossen ist, außerdem ist 
es doch ein "Eingang"?)

Ist Q3 an TPIC6C596 aneschlossen, klappt "nichts". Halte ich jedoch das 
VCC-Kabel dran, und dann dass GND-Kabel (manueller HIGH-LOW-Pegel, z.B. 
betätigen der Clock), funktioniert es.

PS: Die anderen Datenleitungen sind natürlich auch angeschlossen!

Lieben Gruß,
Sebastian

[Dietrich L. (dietrichl)]

Sebastian Loncar schrieb:
> Wenn nicht am TPIC6C596 angeschlossen, dann ist am Pin vom TPIC6C596:
> SIPO-RCK-5V (Eingang von TPIC6C596): 0.1-0.2V
> (Warum ist da Spannung, obwohl da nichts angeschlossen ist, außerdem ist
> es doch ein "Eingang"?)

Das sind MOS-Eingänge. Die Restströme können bei einem hochohmigen 
Messgerät diese Spannung erzeugen.
Allgemein: MOS-Eingänge dürfen nie unbeschaltet bleiben, da die Pegel 
sonst undefiniert sind.

> Ist Q3 an TPIC6C596 aneschlossen, klappt "nichts". Halte ich jedoch das
> VCC-Kabel dran, und dann dass GND-Kabel (manueller HIGH-LOW-Pegel, z.B.
> betätigen der Clock), funktioniert es.

Wenn Du mit Q3 an den RCK-Eingang gehst ohne Ziehwiderstand nach GND 
(wie es in der letzten Schaltung aussieht) , kann es auch nicht gehen. 
Denn wenn Q3 abgeschaltet ist, hängt der RCK-Eingang quasi in der Luft: 
s.o. "unbeschalteter MOS-Eingang". Der Widerstand muss die Restströme 
von Q3 und dem RCK-Eingang ableiten (statisch) und die Kapazitäten Q3 
und dem RCK-Eingang entladen (dynamisch).

Übrigens: in der Simulation hattest Du 68 Ohm als Last. Wozu brauchst Du 
soviel Strom? Für die RCK-Eingänge jedenfalls nicht. In dem Fall ist 
nämlich nicht gut, den Q3 mit soviel Basisstrom "vollzupumpen". Das mach 
ihm beim Abschalten auch langsamer.

Gruß Dietrich

[Sebastian L. (arakis)]

Hallo Dietrich,
es klappt!!

Jetzt "verstehe" ich auch warum ich bei der manuellen Methode auch noch 
immer kurz mit GND ran musste, damit der Low-Pegel auch wirklich 
akzeptiert wurde.

Worin liegt eigentlich der genaue Unterschied zwischen TTL-Signalen und 
CMOS/MOS-Signalen, abgesehen von 3.3V und 5V HIGH-Pegel?

Was die 68 Ohm angeht: War nur eine Beispiellast.

Lieben Gruß,
Sebastian

[Dietrich L. (dietrichl)]

Sebastian Loncar schrieb:
> Worin liegt eigentlich der genaue Unterschied zwischen TTL-Signalen und
> CMOS/MOS-Signalen, abgesehen von 3.3V und 5V HIGH-Pegel?

TTL-Pegel an den Eingängen:
Low  <= 0,8V
High >= 2,0V
Das gilt für die klassischen Logikfamilien mit bipolaren Transistoren 
z.B. 74LSxx und für CMOS-Familien mit TTL-Pegeln z.B. 74HCTxx (das "T" 
steht für TTL).
Bei den Logikfamilien mit bipolaren Transistoren fließt beim Low-Pegel 
Strom aus dem Eingang heraus nach GND; bei der 74LS-Serie ist das 
-0,36mA.
Die CMOS-Familien sind dagegen hochohmig am Eingang. Da fließt kein 
Strom (außer Reststrom).

Bei CMOS-Familien z.B. 74HCxx (außer HCT, s.o.) oder die 4000er-Familie 
sind die Pegel an den Eingängen üblicherweise:
Low  <= 0,3 * Vcc
High >= 0,7 * Vcc
Da es CMOS-Eingänge sind fließt auch nur Reststrom (s.o.).

Es gibt auch Hersteller mit anderen Daten; daher gilt immer: Datenblatt 
des verwendeten Herstellers heranziehen!

Gruß Dietrich

[Axel S. (a-za-z0-9)]

Sebastian Loncar schrieb:

> ich habe eine Transistor-Schaltung wie im Anhang und möchte damit einen
> 3.3V to 5V Levelshifter realisieren.
> Leider schaltet die Schaltung auch auf 5V-High, wenn 3.3V-Low (ca.
> 0.85V) angelegt sind.

Die einzig interessante Frage in diesem Zusammenhang wurde noch gar 
nicht gestellt:

Woher kommt denn dieser ominöse "3.3V Logikpegel" bei dem L eine so hohe 
Spannung ist? 3.3V heißt heute doch praktisch immer CMOS und da ist ein 
L-Pegel < 10% der Betriebsspannung. Bei einem L-Pegel von 0.85V (oder 
gar 1.5V wie später geschrieben) ist da irgendwas im Argen.


XL