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AndiM(R)

05.03.2018,
22:39
 

Hilfe für einen Noob: Relais vom Raspberry Pi aus schalten (Elektronik)

Hallo!

Ich habe eine Bitte: Meine Elektronikkenntnisse sind (milde gesagt) schon etwas eingerostet. Eigentlich nicht mehr existent. Daher benötige ich ein wenig Nachhilfe.

Jedenfalls ist es so, dass ich gerade begonnen habe, mit dem Raspberry Pi zu experimentieren. Ich möchte über den GPIO ein Relais steuern und damit eine Lampe (12V Halogen, 35W) schalten.

Da der GPIO nur sehr kleine Ströme (wenige mA) verträgt habe ich mir gedacht, dass ich vom GPIO (3,3V) aus einen MOSFET ansteuere, damit wiederum einen Optokoppler und in weiterer Instanz mittels Transistor dann das Relais (siehe u.a. Schaltung).

An dieser Stelle enden meine Kenntnisse bzw. beginnen meine Fragen. Ich habe sie der Einfachheit durchnummeriert.
1) Es beginnt schon damit, dass ich am Datenblatt des MOSFETs scheitere:
1a) Bedeutet "Gate Threshold Voltage (min. 0.8, typ. 2.0, max. 3.0 VDC)", dass am Gate minimal 0,8 (zum Auslösen eines Schaltvorganges) und maximal 3,0V anliegen dürfen?
1b) Falls ja: Kann ich die Spannung mit einem Vorwiderstand reduzieren? Da ja kein Strom fließt gibt es ja auch keinen Spannungsteiler bzw. Spannungsabfall am R1?

2) Dann die viel wichtigere Frage: Habe ich den mittleren Teil (Ausgang Optokoppler mit R3 und R5, sowie den Transistor mit Vorwiderstand R4) richtig gezeichnet?

3) Benötige ich im Relais-Teil einen zusätzlichen Widerstand? Das Relais hat lt. Datenblatt eine typische Leistungsaufnahme von 900mW. Damit sollten nicht mehr als 75mA als Ic übrig bleiben. Ob die Spannung allerdings im tolerierbaren Bereich bleibt, erschließt sich mir nicht.


Vielen Dank,


Andi

xy(R)

E-Mail

05.03.2018,
22:43

@ AndiM

Hilfe für einen Noob: Relais vom Raspberry Pi aus schalten

» Jedenfalls ist es so, dass ich gerade begonnen habe, mit dem Raspberry Pi
» zu experimentieren. Ich möchte über den GPIO ein Relais steuern und damit
» eine Lampe (12V Halogen, 35W) schalten.

Ebay "relais raspberry"

finni(R)

05.03.2018,
23:16

@ AndiM

Hilfe für einen Noob: Relais vom Raspberry Pi aus schalten

Meine Antwort zu RaspberryPi und Relais ist ULN 2803a oder eine equivalente Treiberstufe.

olit(R)

E-Mail

Berlin,
06.03.2018,
08:20
(editiert von olit
am 06.03.2018 um 08:31)


@ AndiM

Hilfe für einen Noob: Relais vom Raspberry Pi aus schalten

» 1a) Bedeutet "Gate Threshold Voltage (min. 0.8, typ. 2.0, max. 3.0 VDC)",
» dass am Gate minimal 0,8 (zum Auslösen eines Schaltvorganges) und maximal
» 3,0V anliegen dürfen?

Erst ab 0,8V bis 3V (Exemplarabhängig) fängt der MOSFET an leitend zu werden.


»
» 2) Habe ich den mittleren Teil (Ausgang Optokoppler mit R3 und R5,
» sowie den Transistor mit Vorwiderstand R4) richtig gezeichnet?

Wenn dann schon so.
Der MOSFET hat als Sourcefolger Keine Verstärkung.
R3 und R4 ist doppelt gemoppelt. Einer von beiden kann wegfallen. hatte ich übersehen.


» 3) Benötige ich im Relais-Teil einen zusätzlichen Widerstand? Das Relais
» hat lt. Datenblatt eine typische Leistungsaufnahme von 900mW. Damit sollten
» nicht mehr als 75mA als Ic übrig bleiben. Ob die Spannung allerdings im
» tolerierbaren Bereich bleibt, erschließt sich mir nicht.

12V Relais 75mA ist doch in Ordnung.

Offroad GTI(R)

06.03.2018,
09:08
(editiert von Offroad GTI
am 06.03.2018 um 09:09)


@ olit

Hilfe für einen Noob: Relais vom Raspberry Pi aus schalten

» Wenn dann schon so.
Warum einfach, wenn es auch kompliziert geht...

AndiM(R)

06.03.2018,
13:06

@ olit

Hilfe für einen Noob: Relais vom Raspberry Pi aus schalten

@xy: Ja, die Relaiskarten kenne ich. Vermutlich/ziemlich sicher käme ich damit sogar billiger als mit Selberbasteln. Allerdings ist ja geplant, dass dieses Projekt nicht das Ende, sondern der Beginn meines "2. Bastelfrühlings" ist. Daher sehe ich es als Gelegenheit, meine grauen Zellen schonend auf Touren zu bringen (nachdem ich fast 30 Jahre nichts mehr Einschlägiges gemacht habe). Zusätzlich ziehen diese Platinen tlw. 20 - 30mA, was den GPIO stark belastet. Ich habe zwar noch keine konkreten Aussagen gefunden, aber der gesamte GPIO soll angeblich nicht stärker als 50mA belastet werden, und die einzelnen Pins deutlich darunter.

@finni: Danke für den Hinweis; Muss mich damit mal näher beschäftigen. Allerdings wirft der Blick auf's Datenblatt momentan mehr Fragen auf als er Antworten liefert. Dazu muss ich mir wohl noch mehr Basics aneignen...

@Offroad GTI: Kompliziert deswegen, weil ich meinen Raspberry nicht gerne "ungeschützt" an ein höheres Spannungsniveau anschließen möchte (die 3,3 und 5V liefert die GPIO, die 12V kommen von einem externen Neztteil, welches ich aus mehreren Gründen (u.a. HF-Schutz) nicht mit der Masse vom RaspbPi verbinden möchte. Ausserdem kann ich mit der "komplizierten" Schaltung auch 230V schalten (das Relais gibt das her), falls es sein muss.

@olit: Besten Dank für deine ausführliche Antwort und das Eingehen auf meine Fragen!

Wenn ich das richtig verstanden habe, kann ich den R1 (Widerstand zw. GPIO-Ausgang und MOSFET-Gate) weglassen. Denn dort kommen 3,3V an (was den MOSFET sicher schaltet), und ich brauche weder Strombegrenzung noch Spannungsteiler.
Hier hätte ich noch eine Bonsufrage: Wäre ein LL-MOSFET (z.B. IRLZ34N) hier besser?

Ich habe deine Schaltung jetzt nochmal umgezeichnet (ohne R1 und R4; R5 in R1 umbenannt) und ein wenig komprimiert. Kommt das so hin?


Besten Dank,


Andi

Offroad GTI(R)

06.03.2018,
15:02
(editiert von Offroad GTI
am 06.03.2018 um 15:10)


@ AndiM

Hilfe für einen Noob: Relais vom Raspberry Pi aus schalten

» weil ich meinen Raspberry nicht gerne
» "ungeschützt" an ein höheres Spannungsniveau anschließen möchte (die 3,3
» und 5V liefert die GPIO,
Gut. Soll es eigentlich bei einem Relais bleiben?


» Schaltung auch 230V schalten (das Relais gibt das her), falls es sein
» muss.
Welches Relais ist es denn?

olit(R)

E-Mail

Berlin,
06.03.2018,
15:09

@ AndiM

Hilfe für einen Noob: Relais vom Raspberry Pi aus schalten

» @olit: Besten Dank für deine ausführliche Antwort und das Eingehen auf
» meine Fragen!
»
» Wenn ich das richtig verstanden habe, kann ich den R1 (Widerstand zw.
» GPIO-Ausgang und MOSFET-Gate) weglassen. Denn dort kommen 3,3V an (was den
» MOSFET sicher schaltet), und ich brauche weder Strombegrenzung noch
» Spannungsteiler.
» Hier hätte ich noch eine Bonsufrage: Wäre ein LL-MOSFET (z.B. IRLZ34N) hier
» besser?

Ein Gate Widerstand von 100 Ohm kann nicht schaden. Bei solchen digitalen Ausgängen verzichte ich manchmal auf diesen.
Er soll Schwingungen zwischen Ausgang eines Operationsverstärkers (oder hier Ausgang vom µC) und der Gate Kapazität unterdrücken.

Der Transistor IRLZ34 ist ja verhältnismäßig gewaltig. Ein Logic-Level Typ muss es allerdings sein.
Der IRLML2502 würde da besser passen. Der ist leider nur als SMD-Krümel erhältlich.
Damit er auf eine Lochrasterplatine passt habe ich ihn auf eine Steckleiste aufgesockelt.
Brauchst aber einen feinen Lötkolben.

»
» Ich habe deine Schaltung jetzt nochmal umgezeichnet (ohne R1 und R4; R5 in
» R1 umbenannt) und ein wenig komprimiert. Kommt das so hin?

Ich denke schon.

»
»

bigdie(R)

06.03.2018,
17:47

@ AndiM

Hilfe für einen Noob: Relais vom Raspberry Pi aus schalten

Naja man kann ja trotzdem mal schauen, was es schon fertig oder als Bausatz gibt
Fertig gibt es z.B. sowas
https://www.pollin.de/p/relaiskarte-daypower-rb-8-5v-8-kanal-810273
Bausatz z.B.
https://www.pollin.de/p/bausatz-relaiskarte-k1-810044
oder
https://www.pollin.de/p/bausatz-pc-relaiskarte-k8io-710722
oder
https://www.pollin.de/p/bausatz-mosfet-treiber-rb-8-8x100w-810403
oder
https://www.pollin.de/p/bausatz-mosfet-treiber-rb-4-4x100w-810329

Und wenn man es nicht fertig haben will, dann kann man sich den Schaltplan auch klauen.

AndiM(R)

06.03.2018,
18:44

@ bigdie

Hilfe für einen Noob: Relais vom Raspberry Pi aus schalten

» Ein Gate Widerstand von 100 Ohm kann nicht schaden. Bei solchen digitalen
» Ausgängen verzichte ich manchmal auf diesen.
» Er soll Schwingungen zwischen Ausgang eines Operationsverstärkers (oder
» hier Ausgang vom µC) und der Gate Kapazität unterdrücken.
Ok, danke für die Info. Daran wird's vermutlich nicht scheitern ;-D


» Der Transistor IRLZ34 ist ja verhältnismäßig gewaltig. Ein Logic-Level Typ
» muss es allerdings sein.
» Der IRLML2502 würde da besser passen. Der ist leider nur als SMD-Krümel
» erhältlich.
» Damit er auf eine Lochrasterplatine passt habe ich ihn auf eine Steckleiste
» aufgesockelt.
» Brauchst aber einen feinen Lötkolben.
Hm... SMD-Löten und ich waren noch nie gute Freunde. Schadet es denn, wenn ich den "gewaltigen" nehme? Oder ist er einfach nur zu dick aufgetragen (quasi: Mit der Stretchlimo um ein Brötchen zu fahren: Ist zwar nicht elegant oder effizienz, funktioniert aber auch)?!?


» » Ich habe deine Schaltung jetzt nochmal umgezeichnet (ohne R1 und R4; R5
» » in R1 umbenannt) und ein wenig komprimiert. Kommt das so hin?
»
» Ich denke schon.
:ok: :-D

@bigdie: Ich habe mir mehrere Schaltpläne von solchen Relaisschaltunen angeschaut, aber aus mehreren Gründen wieder verworfen. Teils waren die Schaltströme zu hoch, oder (wie z.B. die 8-Kanal-Platine von Pollin) hat keine Trennung zwischen Relais-Schaltstromkreis und GPIO (was ich gerne hätte).
Vor allem bin ich halt jemand, der gerne versteht, was er da gerade macht. Und bei kopierten Designs ist der Lerneffekt nur halb so groß...

bigdie(R)

06.03.2018,
18:54

@ AndiM

Hilfe für einen Noob: Relais vom Raspberry Pi aus schalten

»
» @bigdie: Ich habe mir mehrere Schaltpläne von solchen Relaisschaltunen
» angeschaut, aber aus mehreren Gründen wieder verworfen. Teils waren die
» Schaltströme zu hoch, oder (wie z.B. die 8-Kanal-Platine von Pollin) hat
» keine Trennung zwischen Relais-Schaltstromkreis und GPIO (was ich gerne
» hätte).
» Vor allem bin ich halt jemand, der gerne versteht, was er da gerade macht.
» Und bei kopierten Designs ist der Lerneffekt nur halb so groß...

Na sowohl der erste Link mit der 8 Kanal Relais Karte hat einen Optokoppler als auch der mit Mosfetausgang und somit auch eine galv. Trennung.
Und wenn du diese haben willst, dann wirst du wohl auch mit den 0,5-1mA Ansteuerstrom leben müssen, mit viel weniger funktionieren LEDs in Optokopplern nunmal nicht:-D

olit(R)

E-Mail

Berlin,
06.03.2018,
18:58

@ AndiM

Hilfe für einen Noob: Relais vom Raspberry Pi aus schalten

» Hm... SMD-Löten und ich waren noch nie gute Freunde. Schadet es denn, wenn
» ich den "gewaltigen" nehme? Oder ist er einfach nur zu dick aufgetragen
» (quasi: Mit der Stretchlimo um ein Brötchen zu fahren: Ist zwar nicht
» elegant oder effizienz, funktioniert aber auch)?!?
»
Funktioniert und lässt sich mit nem dicken Kolben löten. ;-)

finni(R)

06.03.2018,
19:43

@ AndiM

Hilfe für einen Noob: Relais vom Raspberry Pi aus schalten

» oder (wie z.B. die 8-Kanal-Platine von Pollin) hat
» keine Trennung zwischen Relais-Schaltstromkreis und GPIO (was ich gerne
» hätte).

Das geht nur mit Optokopplern.

Aber eine Trennung der Stromkreise ist gar nicht nötig. Die GPIOs treiben perfekt die Darlingtonstufe eines ULN2803a. Ein Kanal (von 8) dieses IC kann immerhin 500mA treiben. Man kann sie auch parallel schalten und so den Strom erhöhen bis max 2,5A für den gesamten IC-Treiber. Und, was auch nicht ohne ist, Freilaufdioden sind schon integriert. Man muss nor COM des IC mit der positiven Relaisspannung verbinden. Besser geht es kaum. Der Pi ist dabei ausreichend geschützt, da keine Spannung der Relais auf die GPIOs rückwirkt.
Bei Pollin gibs den IC für 0,34c.

AndiM(R)

06.03.2018,
22:26

@ finni

Hilfe für einen Noob: Relais vom Raspberry Pi aus schalten

» Na sowohl der erste Link mit der 8 Kanal Relais Karte hat einen Optokoppler
» als auch der mit Mosfetausgang und somit auch eine galv. Trennung.
» Und wenn du diese haben willst, dann wirst du wohl auch mit den 0,5-1mA
» Ansteuerstrom leben müssen, mit viel weniger funktionieren LEDs in
» Optokopplern nunmal nicht:-D

Wobei ich mit keiner der Karten eine 230V-Spannung schalten könnte (was vermutlich gleich nach den 12V-Halogenlampen, ggf. sogar gleichzeitig damit umgesetzt wird).
Aber wie gesagt war ja ein Großteil meiner Montivation hinter diesem Projektchen, wieder in die Materie hineinzukommen (was mit Copy/Paste nicht so einfach ist). Was ja funktioniert. Ich bin zwar noch kein Elektroniker, aber zumindest kratze ich schon ein wenig an der Oberfläche... :ok:


» » oder (wie z.B. die 8-Kanal-Platine von Pollin) hat
» » keine Trennung zwischen Relais-Schaltstromkreis und GPIO (was ich gerne
» » hätte).
»
» Das geht nur mit Optokopplern.
»
» Aber eine Trennung der Stromkreise ist gar nicht nötig. Die GPIOs treiben
» perfekt die Darlingtonstufe eines ULN2803a. Ein Kanal (von 8) dieses IC
» kann immerhin 500mA treiben. Man kann sie auch parallel schalten und so den
» Strom erhöhen bis max 2,5A für den gesamten IC-Treiber. Und, was auch nicht
» ohne ist, Freilaufdioden sind schon integriert. Man muss nor COM des IC mit
» der positiven Relaisspannung verbinden. Besser geht es kaum. Der Pi ist
» dabei ausreichend geschützt, da keine Spannung der Relais auf die GPIOs
» rückwirkt.
» Bei Pollin gibs den IC für 0,34c.

Soweit ich den ULN2803a mittlerweile verstanden habe, müssten er und der Raspberry die selbe Masse haben?!? Falls ja habe ich hier das Problem, dass der VCC auch nicht unendlich viel Strom liefern kann (max. 200 mA, wenn ich den USB-Anschluss nicht belaste). Dieser müsste aber auch den Strom für die Relais liefern? Bzw. könnte/müsste ich eine separate DC-Spannungsquelle verwenden, welche ich mit der selben Masse wie den RaspbPi verbinden muss?

Steffen

06.03.2018,
23:19

@ AndiM

Hilfe für einen Noob: Relais vom Raspberry Pi aus schalten

» » Na sowohl der erste Link mit der 8 Kanal Relais Karte hat einen
» Optokoppler
» » als auch der mit Mosfetausgang und somit auch eine galv. Trennung.
» » Und wenn du diese haben willst, dann wirst du wohl auch mit den 0,5-1mA
» » Ansteuerstrom leben müssen, mit viel weniger funktionieren LEDs in
» » Optokopplern nunmal nicht:-D
»
» Wobei ich mit keiner der Karten eine 230V-Spannung schalten könnte (was
» vermutlich gleich nach den 12V-Halogenlampen, ggf. sogar gleichzeitig damit
» umgesetzt wird).
» Aber wie gesagt war ja ein Großteil meiner Montivation hinter diesem
» Projektchen, wieder in die Materie hineinzukommen (was mit Copy/Paste nicht
» so einfach ist). Was ja funktioniert. Ich bin zwar noch kein Elektroniker,
» aber zumindest kratze ich schon ein wenig an der Oberfläche... :ok:
»
»
» » » oder (wie z.B. die 8-Kanal-Platine von Pollin) hat
» » » keine Trennung zwischen Relais-Schaltstromkreis und GPIO (was ich
» gerne
» » » hätte).
» »
» » Das geht nur mit Optokopplern.
» »
» » Aber eine Trennung der Stromkreise ist gar nicht nötig. Die GPIOs
» treiben
» » perfekt die Darlingtonstufe eines ULN2803a. Ein Kanal (von 8) dieses IC
» » kann immerhin 500mA treiben. Man kann sie auch parallel schalten und so
» den
» » Strom erhöhen bis max 2,5A für den gesamten IC-Treiber. Und, was auch
» nicht
» » ohne ist, Freilaufdioden sind schon integriert. Man muss nor COM des IC
» mit
» » der positiven Relaisspannung verbinden. Besser geht es kaum. Der Pi ist
» » dabei ausreichend geschützt, da keine Spannung der Relais auf die GPIOs
» » rückwirkt.
» » Bei Pollin gibs den IC für 0,34c.
»
» Soweit ich den ULN2803a mittlerweile verstanden habe, müssten er und der
» Raspberry die selbe Masse haben?!? Falls ja habe ich hier das Problem, dass
» der VCC auch nicht unendlich viel Strom liefern kann (max. 200 mA, wenn ich
» den USB-Anschluss nicht belaste). Dieser müsste aber auch den Strom für die
» Relais liefern? Bzw. könnte/müsste ich eine separate DC-Spannungsquelle
» verwenden, welche ich mit der selben Masse wie den RaspbPi verbinden muss?

Ein bisschen verwirrt deine Worte erscheinen.
Nimm denBS170 und steuer damit dein Relais an.
Das Relais macht dann schon die galvanische Trennung.

Gruß Steffen

finni(R)

06.03.2018,
23:44

@ AndiM

Hilfe für einen Noob: Relais vom Raspberry Pi aus schalten

» Soweit ich den ULN2803a mittlerweile verstanden habe, müssten er und der
» Raspberry die selbe Masse haben?!?

Ja, richtig.

» Falls ja habe ich hier das Problem, dass
» der VCC auch nicht unendlich viel Strom liefern kann (max. 200 mA, wenn ich
» den USB-Anschluss nicht belaste). Dieser müsste aber auch den Strom für die
» Relais liefern?

Besser nicht.

» Bzw. könnte/müsste ich eine separate DC-Spannungsquelle
» verwenden, welche ich mit der selben Masse wie den RaspbPi verbinden muss?

Ja, wieder richtig.

Aber du kannst ja auch beides (Relais und Pi) aus einer stärkeren Quelle betreiben. Die Spannung für die Relais, falls es 5V sind, muss nicht über den Pi und seinem USB-Anschluss fließen.
Beispiel: 12V-Netzteil, 12V für die Relais, ein Stepdown von 12V auf 5,1V für den Pi.