CMOS 3.3V 4V Pegelwandler unbedingt notwendig ?

[Thomas G. (thomas_g760)]

Die Frage ist nicht neu, es gibt dazu viele Meinungen, mich würde aber 
eine TECHNISCHE BEGRÜNDUNG interessieren.

Szenario:

An einen Raspberry Pi soll ein sim800 (ein GPRS modem mit sim Karte) an 
die GPIOs angeschlossen werden TX RX und GND. Raspi hat 3.3V GPIOs 
(nicht 5V tolerant) und das sim800 läuft mit 4V von einer eigenen 
Batterie.
Um die Pegel braucht man sich also nicht zu sorgen, 3.3V wird als H beim 
sim800 gelten.

Der Raspi bekommt also 4V H auf dem pin TX vom sim800. Man schalte da 
einen 5k Widerstand in Reihe um den eventuellen Strom zu begrenzen.

----Frage-------------
Braucht man hier einen Pegelwandler und warum.
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Den einzigen Grund für Pegelwandler sehe ich im angeblichen 
parasitischen Thyristor der bei CMOS Ausgängen durch Überspannung an den 
Eingängen ausgelöst werden könnte.

https://en.wikipedia.org/wiki/Latch-up

Allerdings soll dieses Problem schon seit 1977 behoben sein.

Gibt es noch irgend einen anderen Grund, im obigen Szenario einen 
Pegelwandler zu verwenden? 4V - 3.3V
Es geht nicht um andere Spannungen wie 1.8V 5V.

[Clemens L. (c_l)]

Im Allgemeinen ist das Problem ist nicht Latch-Up, sondern der Strom, 
der durch die ESD-Schutz-Dioden in Vcc fließt.

Mit dem Widerstand wird dieser Strom begrenzt, aber wenn der Strom auf 
der 3,3-V-Seite nicht sofort verbraucht wird, dann erhöht sich Vcc, und 
alle durch Vcc versorgten Geräte werden gebraten.

Bei dem üblichen Stromverbrauch eines Pis ist das kein Problem.

[Bauform B. (bauformb)]

Thomas G. schrieb:
> Den einzigen Grund für Pegelwandler sehe ich im angeblichen
> parasitischen Thyristor der bei CMOS Ausgängen durch Überspannung an den
> Eingängen ausgelöst werden könnte.
>
> https://en.wikipedia.org/wiki/Latch-up
>
> Allerdings soll dieses Problem schon seit 1977 behoben sein.

Jein, die Chips sind unempfindlicher geworden, d.h. der Strom der zum 
Zünden des Thyristors nötig ist, ist größer geworden und wird in guten 
Datenblättern angegeben.

> Gibt es noch irgend einen anderen Grund, im obigen Szenario einen
> Pegelwandler zu verwenden? 4V - 3.3V

Eigentlich muss man für 4V - 0V dimensionieren und umgekehrt (3.3V - 
0V). Beim Ein- oder Ausschalten ist meistens eine Spannung schneller als 
die andere oder eine der beiden Batterien fehlt.

[Stefan F. (Gast)]

Der Latchup Effekt wird durch die inzwischen hinzugefügten Schutzdioden 
verhindert - wenn man diese nicht zu hoch belastet. Das sind in der 
Regel einstellige Milliampere.

Die Dioden vertragen meistens zumindest Kurzzeitig auch viel mehr Strom, 
verhindern dann aber den Latch-Up nicht mehr.

[Stefan V. (vollmars)]

Wer sagt denn, dass der SIM800 4V Logikpegel liefert.
Der hat natürlich einen Spannungsregler eingebaut.
Die Versorgungsspannung ist ja auch von 3,4V - 4,4V spezifiziert.
Für die Ausgangs-High-Pegel ist nur eine untere Schwelle von 2,4V 
spezifiziert, aber für die Eingänge sind es 2,1V - 3,0V.
Das sollte also eine 3V Logik sein.

Referenz: SIM800_Hardware Design_V1.09.pdf

[Thomas G. (thomas_g760)]

Richtig vollmars, das sim800 hat selbst nur 3.3V Pegel. Finde ich gut, 
daß hier auch Leute dabei sind, die Datenblätter lesen können.

Aber hier von bauformb, das ist doch mal was anderes, klingt sehr 
interessant:

> Eigentlich muss man für 4V - 0V dimensionieren und umgekehrt (3.3V -
> 0V). Beim Ein- oder Ausschalten ist meistens eine Spannung schneller als
> die andere oder eine der beiden Batterien fehlt.

Wie geht man damit in der Praxis um?

[Stefan V. (vollmars)]

Thomas G. schrieb:
> Richtig vollmars, das sim800 hat selbst nur 3.3V Pegel. Finde ich gut,
> daß hier auch Leute dabei sind, die Datenblätter lesen können.
>
> Aber hier von bauformb, das ist doch mal was anderes, klingt sehr
> interessant:
>
>> Eigentlich muss man für 4V - 0V dimensionieren und umgekehrt (3.3V -
>> 0V). Beim Ein- oder Ausschalten ist meistens eine Spannung schneller als
>> die andere oder eine der beiden Batterien fehlt.
>
> Wie geht man damit in der Praxis um?

Also zunächst mal bewegen sich die Spannungen zwischen 0V und 3,3V 
unabhängig vom jeweiligen Betriebszustand und die Massen der beiden 
System sind verbunden. Der kritische Fall ist, wenn ein Ausgang mit 
High-Pegel ein stromloses Gegenüber hat. Dann treibt dieser Ausgang über 
die Schutzdioden (falls vorhanden) die andere Versorgungsspannung. So 
etwas kommt häufig vor, sollte man berücksichtigen, beschädigt aber 
keine Bauteile, da die Ströme durch die Innenwiderstände der Ausgänge 
bzw. Eingangsschutzdioden zu gering sind. Wichtig ist dass der 
Betriebszustand des stromlosen Teils dann undefiniert ist, da die 
Versorgungsspannung zu niedrig und fluktuierend ist. Ein 
"Brown-Out-Detector" fängt das bei MCUs normalerweise ab, indem er die 
MCU im Reset-Zustand hält.

[Thomas G. (thomas_g760)]

Stefan V. schrieb:
 Dann treibt dieser Ausgang über
> die Schutzdioden (falls vorhanden) die andere Versorgungsspannung. ...

In diesem Fall (wie hier mit der Batterie für das sim800 und dem 
Raspberry) wären dann 5k Widerstände zwischen den TX, RX Leitungen 
angebracht, damit diese Fremdspeisung unterbunden wird?

[Stefan V. (vollmars)]

Also ich finde 5k jetzt übertrieben, 1k ist ausreichend. Wenn die 
Datenraten nicht zu hoch sind funktioniert es auch mit 5k.

[Thomas G. (thomas_g760)]

Ich danke Euch allen für die guten Erklärungen.

[2⁵ (Gast)]

Thomas G. schrieb:
> Man schalte da einen 5k Widerstand in Reihe [...]

Wo kommen den diese völlig realitätsfremden 5k Widerstände her, die es 
in keine E Reihe gibt?

[Thomas G. (thomas_g760)]

2⁵ schrieb:
> Thomas G. schrieb:
>> Man schalte da einen 5k Widerstand in Reihe [...]
>
> Wo kommen den diese völlig realitätsfremden 5k Widerstände her, die es
> in keine E Reihe gibt?

Aus der Tüte wo 5k draufsteht, oder aus Bielefeld.

Haben sie dir heute nicht genug Erbsen auf den Schreibtisch gekippt? 
Oder warst du heute nicht im Büro, sondern im Park?

[Bauform B. (bauformb)]

5k gibt's doch in jedem Bastlerladen ;)
https://m.reichelt.de/0-1-Metallschichtwiderstaende/2/index.html?ACTION=2&LA=2&GROUPID=8380

[Uwe (Gast)]

Hi,
>Aus der Tüte wo 5k draufsteht
naja, eventuell ist nicht das drinn was drauf steht.
Also wenn ich das richtig sehe und Ring 2 braun ist, so sind das 5,1K--- 
und das ist E-Reihe.

duck und wech.

[Thomas G. (thomas_g760)]

Uwe schrieb:
> Hi,
>>Aus der Tüte wo 5k draufsteht
> naja, eventuell ist nicht das drinn was drauf steht.
> Also wenn ich das richtig sehe und Ring 2 braun ist, so sind das 5,1K---
> und das ist E-Reihe.
>
> duck und wech.

Tatsächlich Du hast Recht, es sind 5.1k.
Jetzt kann sich der Erbsenzähler ne Flasche Sekt aufmachen.
Prost!

[Rainer V. (a_zip)]

Thomas G. schrieb:
> Tatsächlich Du hast Recht, es sind 5.1k.
> Jetzt kann sich der Erbsenzähler ne Flasche Sekt aufmachen.
> Prost!

Sekt ist OK, aber nicht wegen der Erbsenzählerei! In allen E-Reihen 
kommt die "nackte" 5 nun mal nicht vor. Und deshalb hat es mich auch 
gewundert, dass der TO da ein Tütchen 5K Widerstände auf den Tisch 
legt...50Ohm z.B. wurden und werden aus zwei 100Ohm Widerständen gemacht 
:-)
Gruß Rainer