Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Einfacher Level Shifter funktioniert nicht


von Nupsi (Gast)


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Hallo,
um von einem ESP8266 5V Logik anzusteuern, möchte ich einen Ausgangspin 
von 3.3V auf 5V shiften.

Dazu habe ich mir die obige Schaltung überlegt. Diese habe ich auf dem 
Steckbrett aufgebaut und mit dem Oszi nachgemessen.

Leider passiert nicht das, was ich erwartet hatte ;-)
Wie im Bild zu sehen, wird auf Kanal 1 ein Rechteck mit ca 3.3V 
ausgegeben. Kanal 2 sollte das gleiche Signal mit 5V Pegel sein. 
Allerdings hat es ebenfalls nur einen Hub von 3.3V und ist dazu noch um 
ca 400mV versetzt.

Ich würde mich sehr freuen, wenn ihr mir einen Tip geben könntet, wo 
mein Denkfehler liegt.


PS: Ich weiß, man kann fertige Level-Shifter Boards bei ebay für kleines 
Geld kaufen. Aber gerade als Anfänger finde ich es schön, sich etwas 
mehr mit den Grundlagen zu befassen. Dabei lernt man deutlich mehr, als 
einfach nur fertige Module zusammenzustecken...

von Sven S. (schrecklicher_sven)


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Du hast einen Spannungsfolger gebaut.
Nix Levelshifter.

von Joe F. (easylife)


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Wenn du damit leben kannst, dass das Signal invertiert wird, nimm 
einfach einen NPN Transistor (z.B. BC547).
Für nichtinvertierend: Die gleiche Stufe 2x hintereinander

von HildeK (Gast)


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Nimm einen NPN-Transistor und vertausche E und C.
Und:
Joe F. schrieb:
> Für nichtinvertierend: Die gleiche Stufe 2x hintereinander

von Michael B. (laberkopp)


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Nupsi schrieb:
> Dazu habe ich mir die obige Schaltung überlegt.

Muss man sich das Rad nochmal falsch in eckig ausdenken ?

Hältst du dich für klüger als der Rest der Menschheit ?

Kann man nicht einfach Schaltungen kopieren von Leuten die Elektronik 
verstanden haben ?

von Joe F. (easylife)


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...oder so (nichtinvertierend mit 1 Transistor).

von (prx) A. K. (prx)


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von my2ct (Gast)


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Nupsi schrieb:
> Leider passiert nicht das, was ich erwartet hatte ;-)

Deine Erwartungshaltung war falsch.

Damit dein Transistor bei Low vom ESP durchschaltet, muss Strom von 
Basis zu Emitter fließen und das bedeutet eine Flussspannung wie du sie 
aus der Eingangskennlinie des Transistors entnehmen kannst (BE-Diode). 
Dein Ausgang kann also nie unter diese Flussspannung runter gezogen 
werden.

Wenn dein ESP-Ausgang auf 3.3V geht, leitet die BE-Strecke deines 
Transistors ebenfalls, weil der Emitter über den Widerstand an 5V liegt. 
Die Kennlinie der BE-Diode sorgt dafür, dass dein Ausgang nie höher als 
die 3.3V zuzüglich der Flussspannung ansteigen kann.

> Wie im Bild zu sehen, wird auf Kanal 1 ein Rechteck mit ca 3.3V
> ausgegeben. Kanal 2 sollte das gleiche Signal mit 5V Pegel sein.

Dein Bild ist nur mühselig zu entziffern.
Welche ist Kanal 1 und welches Kanal 2?
Man kann nur raten, das evtl. A und B gemeinst sind. Nennen die Farben - 
die sind ohne Sucherei zu erkennen.

Wo sind die Nullpunkte deiner Y-Achsen?
Die Schriftgröße ist eine Zumutung, wenn man nicht gerade einen 
50"-Monitor an seinem Rechner stehen hat und das ganze Oszi-Bild 
erfassen will.

von Karl B. (gustav)


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Nupsi schrieb:
> Ich weiß, man kann fertige Level-Shifter Boards bei ebay für kleines
> Geld kaufen. Aber gerade als Anfänger finde ich es schön, sich etwas
> mehr mit den Grundlagen zu befassen.

Hi,
wie oben schon gesagt, Kriterium ist UBE.
Bewegt sich (normalerweise) zwischen 0 und 0,7 V, mehr ist nicht drin.
Beim PNP ist das genauso, nur Polarität umgedreht.
Jetzt schau Dir die Schaltung an.
Nimm einen NPN, dann kommt das schon eher hin.
(Und noch zwei Schutzdioden.)
Aber: Du hast eine Invertierung.
Oben schon gesagt.

Mit Fertiglösungen bist Du besser bedient.
Stichwort:
CD4050

https://praktische-elektronik.dr-k.de/Bauelemente/Be-CMOS-4050.html

ciao
gustav

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von my2ct (Gast)


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Das hängt immer noch vom BE-Strom , der Temperatur

Karl B. schrieb:
> wie oben schon gesagt, Kriterium ist UBE.
> Bewegt sich (normalerweise) zwischen 0 und 0,7 V, mehr ist nicht drin.

Dann ändere mal den Basis-Emitter-/Kollektor Strom oder die Temperatur. 
Besser als solche blind angewandten Daumen-Reglen ist ein Blick ins 
Datenblatt. Die Kennlinie ist oft für UBE von 0 bis 1.0V angegeben, für 
den BC560 im Schaltbetrieb z.B. in Fig.5 I_C(U_BE)
https://www.onsemi.com/pub/Collateral/BC556BTA-D.pdf

von my2ct (Gast)


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Karl B. schrieb:
> Mit Fertiglösungen bist Du besser bedient.
> Stichwort:
> CD4050

Wenn du den mit 5V betreibst, um am Ausgang ein High-Signal für 5V zu 
generieren, benötigt der laut Datenblatt bei 25°C am Eingang einen 
Mindestpegel VIH von 3,5V.
https://www.ti.com/lit/ds/symlink/cd4050b.pdf

Wie willst du den mit einem ESP8266 bei 3.3V Betriebsspannung erreichen.
Ich bezweifle, dass man mit einer so wackelig ausgelegten Bastellösung 
besser bedient ist.

von Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Michael B. schrieb:
> Hältst du dich für klüger als der Rest der Menschheit ?
Muss das anhaltende Geplenke unbedingt sein?

Nupsi schrieb:
> Ich würde mich sehr freuen, wenn ihr mir einen Tip geben könntet, wo
> mein Denkfehler liegt.
Du hast eine Kollektorschaltung bzw. einen Emitterfolger gebaut. Deren 
Spannungsverstärkung ist kleiner 1. Wenn du also ein Signal mit 3,3V Hub 
einspeist, kommt ein Signal mit maximal 3,3V Hub wieder raus.

Oder stell dir einfach mal vor, dass bei jedem "normal"  leitenden 
Transistor die Spannung am Emitter immer konstant um UBE versetzt zur 
Basisspannung ist. In deinem Fall sind die UBE die beobachten 0,4V.

von Jörg R. (solar77)


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Mit einem Optokoppler lässt sich das Problem auch lösen, ohne das Signal 
zu invertieren. Die Werte für R1 und R2 müssen noch bestimmt werden. Die 
680R für R1 sind nur grob geschätzt, hängt auch maßgeblich vom 
verwendeten OK ab.

: Bearbeitet durch User
von Markus M. (adrock)


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Ja, wie sagt man so schön: "Von hinten durch die Brust". Am besten 
gleich nen Relais nehmen :-}

Levelshifter sind Dinge mit denen man sich eigentlich garnicht befassen 
will. Mit einem 74LV4T125 (oder wenns klein sein muss 74LV1T125) kannst 
Du eigentlich alles machen:

3,3V -> 5V
5V -> 3,3V
3,3V -> 1,8V
1,8V -> 3,3V

Und er ist sogar nicht-invertierend.

Ich würde sowas nur diskret aufbauen, wenn ich gerade nichts anderes da 
habe und unbedingt weiterkommen will/muss.

: Bearbeitet durch User
von my2ct (Gast)


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Jörg R. schrieb:
> Mit einem Optokoppler lässt sich das Problem auch lösen, ohne das Signal
> zu invertieren.

Gegenüber der Stromaufnahme des ESP8266 während des Sendebetriebs fällt 
der Strom für die Optokoppler-LED auch kaum auf :-(

von Jörg R. (solar77)


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my2ct schrieb:
> Jörg R. schrieb:
>> Mit einem Optokoppler lässt sich das Problem auch lösen, ohne das Signal
>> zu invertieren.
>
> Gegenüber der Stromaufnahme des ESP8266 während des Sendebetriebs fällt
> der Strom für die Optokoppler-LED auch kaum auf :-(

Trotzdem funktioniert es. Das die Lösung sparsam beim Strom sein muss 
hat der TO nicht geschrieben.

Ich habe einfach nur ein Vorschlag gemacht, mach Du einen besseren.


Markus M. schrieb:
> Ja, wie sagt man so schön: "Von hinten durch die Brust". Am besten
> gleich nen Relais nehmen :-}

Genau. Erst einmal abwarten was andere schreiben...und dann schön 
klugscheißen;-( Kleiner ist die Lösung mit dem 74LV4T125 auch nicht, und 
75% des Chips bleiben ungenutzt.

: Bearbeitet durch User
von my2ct (Gast)


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Jörg R. schrieb:
> Trotzdem funktioniert es. ...

Es hat auch keiner etwas gegenteiliges behauptet ...

> Ich habe einfach nur ein Vorschlag gemacht, mach Du einen besseren.
Der Verweis auf den Artikel Pegelwandler mit reichlich Auswahl kam 
doch schon. Soll ich da nochmal drauf hin weisen?

von Karl B. (gustav)


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Jörg R. schrieb:
> Genau. Erst einmal abwarten was andere schreiben

Hi,
hatte einmal eine Pegel-Anpass-Schaltung verwendet, die den 
Betriebsstrom in der Summe auf 60 mA hochtrieb.
Völlig unnötig.
Der "Normale" Stromverbrauch ohne Pegelanpasser war so niedrig, dass mit 
ca. 5mA die Schaltung lief. Brauchte nur das IC von "gemeinsamer Katode" 
auf "gemeinsame Anode" presetten (und umgekehrt).
Durch die Pullups und Pulldowns fließt unnötig Strom.
Muß nicht sein, vor allem wenn es nicht nur 1 Pin ist sondern mehr.
vielleicht einmal überlegen, ob am Gesamtdesign nicht was optimiert 
werden kann. Wenn nicht, dann gibt es ja schon Vorschläge oben.

ciao
gustav

: Bearbeitet durch User
von Markus M. (adrock)


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Jörg R. schrieb:
> Markus M. schrieb:
>> Ja, wie sagt man so schön: "Von hinten durch die Brust". Am besten
>> gleich nen Relais nehmen :-}
>
> Genau. Erst einmal abwarten was andere schreiben...und dann schön
> klugscheißen;-( Kleiner ist die Lösung mit dem 74LV4T125 auch nicht, und
> 75% des Chips bleiben ungenutzt.

Ja, wenn man nicht den 74LV1T125 nimmt. Kleiner und einfacher aufzubauen 
geht es wohl nicht. Noch einen Abblock-Kondensator in die Nähe und gut 
ist.  Selbst wenn man auf Lochraster baut kann man so einen kleinen 
SOT-23-5 noch ganz gut auf der Unterseite löten.

ICH habe zumindest für mich entschieden, dass ich keinen Bock auf 
Frickel-Lösungen habe und verwende entsprechend diese Teile.

Beitrag #6008592 wurde vom Autor gelöscht.
von Rene K. (xdraconix)


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Markus M. schrieb:
> Ja, wenn man nicht den 74LV1T125 nimmt

Leider nur nirgends verfügbar. Den 74LV4T125 bekommt man hinterher 
geworfen. Bei Farnell und Co. ist der Single 74LV1T125 nicht verfügbar.

Aber ja, ich würde heutzutage auch dazu greifen wenn ich Zeit habe und 
es in die Planung einfließt.

von Wolfgang (Gast)


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Rene K. schrieb:
> Leider nur nirgends verfügbar. Den 74LV4T125 bekommt man hinterher
> geworfen. Bei Farnell und Co. ist der Single 74LV1T125 nicht verfügbar.

Reichen dir 46271 ab Lager nicht?
https://www.digikey.de/products/de?keywords=74LV1T125

von Rene K. (xdraconix)


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Wolfgang schrieb:
> Rene K. schrieb:
> Leider nur nirgends verfügbar. Den 74LV4T125 bekommt man hinterher
> geworfen. Bei Farnell und Co. ist der Single 74LV1T125 nicht verfügbar.
>
> Reichen dir 46271 ab Lager nicht?
> https://www.digikey.de/products/de?keywords=74LV1T125

Gut, bei Digikey hab ich jetzt nicht geschaut. ?

von Dummkopp (Gast)


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Michael B. schrieb:
> Kann man nicht einfach Schaltungen kopieren von Leuten die Elektronik
> verstanden haben ?

kopieren ist die eine Möglichkeit.
Die andere ist, sich was zu überlegen und dadurch irgendwann selbst zu 
den Leuten zu gehören, die Elektronik verstanden haben.

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