Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik 74HC165 5V Inputs bei 3.3V VCC


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von Niclas S. (Gast)


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Hallo zusammen,

kann man ein 74HC165 Input Shift Register mit 3,3V VCC betreiben und an 
den Inputs 5V anlegen, ohne dass etwas Schaden nimmt?

Was würde da passieren, hat das hier schon mal jemand so gemacht, oder 
ist das sicher Quatsch so ohne Level Shifter?

Im Datenblatt werden unter "High-level input voltage" jeweils nur MIN 
Werte genannt, also nicht MAX=VCC oder so.

Ich konnte im Netz dazu nichts finden.

von Rufus Τ. F. (rufus) (Moderator) Benutzerseite


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Niclas S. schrieb:
> kann man ein 74HC165 Input Shift Register mit 3,3V VCC betreiben und an
> den Inputs 5V anlegen, ohne dass etwas Schaden nimmt?

Nein. Im Datenblatt ist klar angegeben, daß die Spannung an einem 
Eingang nicht höher sein darf als die Versorgungsspannung.

Du betreibst den Baustein außerhalb der Spezifikation.

von Niclas S. (Gast)


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...Datenblätter müsste man verstehen können. Danke für den schnellen 
Tip! Jetzt habe ich es auch gefunden.

"Input Voltage MIN:0 Max:VCC"

von Alter Sack (Gast)


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Ich habe mal einen D1700 RTU von DGHcorp mit einem MC68HC705 uC drin, in 
den Fingern gehabt. Die digital Inputs waren von der Außenwelt 
minimalistisch über 100kOhm an die uC Pin gelegt. Die Eingänge sollen 
angeblich bis 30V aushalten können. Wie man im Schaltbild sieht sind 
dann noch Schutzdioden von Vdd auf Masse in Serie. So ähnlich könntest 
Du es auch beim HC165 machen.

Hier ist ab Seite 10 Näheres:

https://www.dghcorp.com/manuals/d1700.pdf

von Axel S. (a-za-z0-9)


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Rufus Τ. F. schrieb:
> Niclas S. schrieb:
>> kann man ein 74HC165 Input Shift Register mit 3,3V VCC betreiben und an
>> den Inputs 5V anlegen, ohne dass etwas Schaden nimmt?
>
> Im Datenblatt ist klar angegeben, daß die Spannung an einem
> Eingang nicht höher sein darf als die Versorgungsspannung.
>
> Du betreibst den Baustein außerhalb der Spezifikation.

Das ist formal richtig. Noch hilfreicher wäre gewesen, auf die 
Schutzdioden hinzuweisen, die die meisten 74HCxxx IC von ihren Eingängen 
nach GND und nach Vcc haben. Und daß die Einschränkung aus dem 
Datenblatt für den Fall gilt, daß man Spannung niederohmig an die 
Eingänge legt.

Denn es ist nicht die Spannung, die die IC beschädigt, sondern der dann 
fließende hohe Strom durch die Schutzdioden. Wenn man den Strom 
begrenzt, wofür regelmäßig ein simpler Vorwiderstand reicht, dann kann 
man von 5V nach 3.3V auch ohne extra Pegelwandler kommen.

von HildeK (Gast)


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Axel S. schrieb:
> Denn es ist nicht die Spannung, die die IC beschädigt, sondern der dann
> fließende hohe Strom durch die Schutzdioden. Wenn man den Strom
> begrenzt, wofür regelmäßig ein simpler Vorwiderstand reicht, dann kann
> man von 5V nach 3.3V auch ohne extra Pegelwandler kommen.

Exakt. Bei TI und Nexperia sind da 20mA in den abs. max. Ratings 
angegeben.
TI gibt deshalb wohl auch keine Maximalspannung an, Nexperia schreibt 
aber trotz der Angabe "max. VCC" auch: "The input and output voltage 
ratings may be exceeded if the input and output current ratings are 
observed."

von Niclas S. (Gast)


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Perfekt, genau sowas habe ich gesucht. Danke für die tollen Antworten!
Ein Vorwiderstand wäre natürlich deutlich einfacher umzusetzen und 
flexibler als ein Pegelwandler.

Rufus Τ. F. schrieb:
> Du betreibst den Baustein außerhalb der Spezifikation.

HildeK schrieb:
> "The input and output voltage
> ratings may be exceeded if the input and output current ratings are
> observed."

Da Letzteres als Fußnote bei den Absolute Maximum Ratings steht, müsste 
das   dann doch Teil der Spezifikation sein. Somit wäre eine 
entsprechende Umsetzung (5V Input über Vorwiderstand bei 3,3V VCC, so 
dass <20mA fließen) dann eigentlich ebenfalls innerhalb der 
Spezifikation, verstehe ich das richtig?

Ich habe meinen aktuellen Aufbau (74HC165 an einem 3.3V ATmega328P) mal 
ans Oszilloskop angeschlossen und die Signale CLK, SH, QH und einen 
Input am HC165 unter die Lupe genommen.

Außerdem messe ich mit einem Multimeter den Strom, der durch den Eingang 
des HC165 fließt. Das ist sehr wenig, im Mikroamperebereich.
Wenn ich die Spannung des Inputsignals erhöhe steigt dieser Strom auch 
etwas, aber deutlich weniger als erwartet. Von 2µA auf 5µA bei 4,3V 
Signalspannung.

Allerdings steigt die Spannung am QH-Ausgang deutlich von 2,6V auf 3,6V, 
was deutlich außerhalb der Spezifikation für die Eingänge am ATmega328P 
liegt.

Wenn man nur die Begrenzung des Stroms am Eingang des HC165 ganz simpel 
betrachtet, sollten 10kO größzügig ausreichen - die Spannung an QH 
steigt dann aber immer noch beträchtlich.
Erst mit einem deutlich größeren Vorwiderstand von 1MO bewegt sich an QH 
praktisch nichts mehr.

Wie würdet ihr das bewerten, ist das eine sinnvolle Betrachtung und wie 
groß würdet ihr den Vorwiderstand dimensionieren?

von Axel S. (a-za-z0-9)


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Niclas S. schrieb:
> messe ich mit einem Multimeter den Strom, der durch den Eingang
> des HC165 fließt. Das ist sehr wenig, im Mikroamperebereich.
> Wenn ich die Spannung des Inputsignals erhöhe steigt dieser Strom auch
> etwas, aber deutlich weniger als erwartet. Von 2µA auf 5µA bei 4,3V
> Signalspannung.

Deine Messung ist Mist :)

Du hättest mindestens noch die Betriebsspannung des HC165 messen sollen. 
Denn die Schutzdiode geht vom Eingang des IC zu dessen Vcc Pin. Wenn es 
keinen Verbraucher an Vcc gibt, der den über die Schutzdiode 
eingespeisten Strom an Vcc abnimmt, dann steigt einfach Vcc auf die 
Eingangsspannung minus die Flußspannung der Schutzdiode.

> Allerdings steigt die Spannung am QH-Ausgang deutlich von 2,6V auf 3,6V

Ja. Aber nur als Folge davon, daß Vcc des HC165 auf 3.6V angestiegen 
ist. Und in kompletter Übereinstimmung zwischen Theorie und Praxis 
ergeben sich die 3.6V gerade aus 4.3V - 0.7V.

> was deutlich außerhalb der Spezifikation für die Eingänge am ATmega328P
> liegt.

Für diese Eingänge gilt exakt das gleiche wie für die Eingänge des 
HC165. Die haben Schutzdioden nach Vcc eingebaut. Bei 3.6V vs. 3.3V 
leitet die Schutzdiode aber noch nicht.

> Wenn man nur die Begrenzung des Stroms am Eingang des HC165 ganz simpel
> betrachtet, sollten 10kO größzügig ausreichen

Es gibt mehrere Faktoren zu berücksichtigen. Wenn du 10K Vorwiderstand 
und 5V Eingangsspannung hast, dann fließen pro derart geschütztem 
Eingang des HC165 bis zu (5V - 3.3V - 0.6V) ÷ 10K = 110µA in die Vcc 
Schiene. Bei 8 Eingängen also knapp 1mA. Du mußt mindestens 1mA auf 3.3V 
verbrauchen, sonst steigt Vcc einfach an.

Außerdem bilden die 10K mit den Eingangs- und parasitären Kapazitäten 
einen Tiefpaß. Je schneller du Signaländerungen erfassen willst, desto 
mehr stört der Vorwiderstand.

> Wie würdet ihr das bewerten, ist das eine sinnvolle Betrachtung und wie
> groß würdet ihr den Vorwiderstand dimensionieren?

Kommt drauf an. Mit einem PISO Scheiberegister wird man ja ohnehin nur 
sehr langsame Signale abtasten wollen. Schalter oder Taster z.B. Da kann 
man auch 100K oder noch mehr nehmen.

Es gibt auch andere Schutzmöglichkeiten. Z.B. so:
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        .-|>|-*
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o--[R]--*-----)---------- IC-Eingang
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  .-|>|-´     |      
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        .-|>|-*
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o--[R]--*-----)---------- IC-Eingang
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  .-|>|-´     Z  3V Zener      
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 ===         ===

Pro Eingang ein Vorwiderstand und zwei Dioden. Eine nach GND, um 
negative Eingangsspannungen abzublocken, die andere auf eine 3V Z-Diode. 
Für mehrere Eingänge reicht eine einzelne Z-Diode. Ein IC-Eingang sieht 
dann höchstens Zenerspannung plus eine Diodenflußspannung.

von Erich (Gast)


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Niclas S. schrieb:
> kann man ein 74HC165 Input Shift Register mit 3,3V VCC betreiben und an
> den Inputs 5V anlegen, ohne dass etwas Schaden nimmt?

Genau dafür gibt es den 74LV165
https://assets.nexperia.com/documents/data-sheet/74LV165.pdf

Ist diese Lösung vielleicht zu einfach?

von HildeK (Gast)


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Niclas S. schrieb:
> Da Letzteres als Fußnote bei den Absolute Maximum Ratings steht, müsste
> das   dann doch Teil der Spezifikation sein. Somit wäre eine
> entsprechende Umsetzung (5V Input über Vorwiderstand bei 3,3V VCC, so
> dass <20mA fließen) dann eigentlich ebenfalls innerhalb der
> Spezifikation, verstehe ich das richtig?
Ja, richtig verstanden. Nur sollte man schon deutlich unter den 20mA 
bleiben; die sind auch nicht notwendig.
Für langsame Signale reicht deutlich weniger als 1mA, bei schnelleren 
muss man austarieren, aber mehr als 10mA würde ich nicht nehmen, wenn 
die Maximum Ratings 20mA max. angeben. Das hängt natürlich auch davon 
ab, was der treibenden Ausgang kann.

Niclas S. schrieb:
> wie
> groß würdet ihr den Vorwiderstand dimensionieren?
Ich habe jetzt nichts gelesen über die Geschwindigkeit des Signals. Die 
untere Grenze ist im Bereich von 220Ω-330Ω, anfangen würde ich mit 1k. 
Wenn 10k auch noch gehen, dann 5k nehmen :-).
Ich bin mehr für niederohmige Lösungen, wenn keine Batterieversorgung 
vorliegt ...

Axel S. schrieb:
> Du mußt mindestens 1mA auf 3.3V
> verbrauchen, sonst steigt Vcc einfach an.

Kann manchmal das Problem sein. Ein Z-Diode mit 5.1V oder 5.6V über der 
Versorgung kann hier schützen, sollte das der Fall sein.
Hat man ein synchrones Schaltnetzteil als Versorgung stellt sich das 
Problem nicht, nur bei Linearregleren.

von Dietrich L. (dietrichl)


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Niclas S. schrieb:
> Ein Vorwiderstand wäre natürlich deutlich einfacher umzusetzen und
> flexibler als ein Pegelwandler.

Der Pegelwandler kann aber auch ein Spannungsteiler sein. Das ist immer 
noch recht einfach, denn dann brauchst du nur noch einen zweiten 
Widerstand...

von Niclas S. (Gast)


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Axel S. schrieb:
> Deine Messung ist Mist :)

Hehe, mit Mist lässt sich manchmal auch noch was anfangen ;)

Durch deine Erklärung verstehe ich nun zumindest in etwa was da vor sich 
geht.

Die Variante mit der Zener Diode finde ich sehr interessant. Die würde 
ich zur Absicherung von externen Eingängen verwenden, gerade auch wegen 
des Verpolungsschutzes. Ist gemerkt.

Erich schrieb:
> Genau dafür gibt es den 74LV165
> https://assets.nexperia.com/documents/data-sheet/74LV165.pdf
>
> Ist diese Lösung vielleicht zu einfach?

Super Lösung! Das wäre perfekt (von meinem Vorrat an HC165s mal 
abgesehen). Ich wusste gar nicht, dass es die gibt. Ich habe bisher vor 
allem Softwareentwicklung gemacht und taste mich projektweise an die 
Elektro- und Mikrocontrollertechnik heran.


HildeK schrieb:
> Ich habe jetzt nichts gelesen über die Geschwindigkeit des Signals.

Das Signal ist der Ausgang eines optischen Unterbrechungssensors. Da 
kommt es auf +-100ms nicht an.

Dietrich L. schrieb:
> Der Pegelwandler kann aber auch ein Spannungsteiler sein.

Ah ja, das wäre auch sehr einfach. Toll, auf wie viele Arten man ein 
Problem lösen kann.

von (prx) A. K. (prx)


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Alternativ kann man auch einen CD4050 oder 74HC4050 vorschalten. Dessen 
abweichende Eingangsbeschaltung lässt bis 15V zu, ohne dass dabei Strom 
fliesst.

: Bearbeitet durch User
von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Axel S. schrieb:
> Es gibt auch andere Schutzmöglichkeiten. Z.B. so:
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 o--[R]--*-----)---------- IC-Eingang
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  ===         ===

Warum verwendest du nicht einfach jeweils eine Zenerdiode pro Eingang? 
Dann hast du nur halb so viele Dioden.

von Fred (Gast)


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Gegebenenfalls könnte auch ein entsprechendes Schieberegister mit 
Voltage Translation helfen:

Beitrag "Schieberegister mit Voltage Level Transation"

von Maxim B. (max182)


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Niclas S. schrieb:
> kann man ein 74HC165 Input Shift Register mit 3,3V VCC betreiben und an
> den Inputs 5V anlegen, ohne dass etwas Schaden nimmt?

Hallo,
74HC165 nicht. Nimm lieber 74VHC165 oder 74LVC165. Die sind dafür extra 
gerechnet, bei niedriger VCC bis 5,5V Vin zu nehmen.

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