Raspberry Pi Pico: GPIO-Ausgang beschalten

Grundsätzlich kann man einen GPIO-Pin wahlweise als Eingang oder Ausgang betreiben. Ein GPIO-Ausgang kann die Zustände "High" und "Low" annehmen. Das bedeutet, dass entweder eine Spannung von +3,3 V für "High" oder 0 V für "Low" am Ausgang anliegt. Die anliegende Spannung nutzt man im Regelfall, um Bauteile oder Geräte zu schalten. Ist ein GPIO als Ausgang definiert, dann kann man im einfachsten Fall eine LED zum Leuchten bringen oder über einen Transistor, ein Relais oder einen Motor steuern.

Was es beim Beschalten der GPIOs als Ausgang zu beachten gibt

  • Neben der Möglichkeit GPIOs als binäre Ein- und Ausgänge zu nutzen, gibt es noch Parallelfunktionen, wie SPI, I2C, UART, PWM und ADC. Die Konfiguration eines GPIOs muss vor seiner Nutzung programmiert werden.
  • Die GPIOs weisen bestimmte Strom- und Spannungsgrenzen auf. Beim Beschalten muss man diese Grenzwerte beachten, weil sonst nicht nur der einzelne GPIO, sondern der ganze Pico in Mitleidenschaft gezogen werden kann.

Spannung und Strom am GPIO

Die Spannungspegel am GPIO-Eingang und -Ausgang liegen für "High" bei +3,3V und für "Low" bei 0V. Diese Zustände sind als Bereiche definiert und deshalb sind hier Abweichungen zulässig. Je nach Last kann der Pegel an einem GPIO-Ausgang von seinen idealen Werten von 0V und +3,3V abweichen.

Die Stromentnahmen an einem GPIO-Ausgang muss in jedem Fall begrenzt werden. Wenn ein GPIO-Ausgang etwas schalten soll, dann verstärkt man das Ausgangssignal mit einer Transistorstufe oder einer Treiberschaltung, um den GPIO zu entlasten.

Externe Schaltungsteile, insbesondere Relais und Motoren, sollten über ein eigenes Netzteil versorgt werden. In Ausnahmefällen mag es möglich sein, dass ein Relais oder auch ein Lüfter direkt am +3,3V- oder +5V-Kreis des Picos funktionieren mag. Aber das sollte nicht die Regel sein. Und von einem dauerhaft sicheren Betrieb kann man nicht ausgehen.

LED an Masse

Raspberry Pi Pico: LED an Masse

Damit die LED leuchtet, muss der GPIO "intern" auf "high" (1) geschaltet werden. Nur dann fließt ein Strom durch die LED.
Wenn man es nur mal ausprobieren möchte kann man die Schaltung auch vom GPIO abklemmen und mit dem 3V3-Pin verbinden.

LED an VCC

Raspberry Pi Pico: LED an VCC

Damit die LED leuchtet, muss der GPIO "intern" auf "low" (0) geschaltet werden. Nur dann fließt ein Strom durch die LED.
Wenn man es nur mal ausprobieren möchte kann man die Schaltung auch vom GPIO abklemmen und mit einen GND-Pin verbinden.

Transistor

Ein GPIO-Ausgang ist kein Last-, sondern nur ein Signal-Ausgang. Genau genommen ist es ein digitaler Ausgang, der nicht belastet werden darf. Gemeint ist, dass nur ein kleiner Strom von etwa 2 bis 4 mA entnommen werden sollte.

Relais

Ein Relais braucht in der Regel einen Steuerstrom von über 20 mA. Je nach Typ und zu schaltender Last.
Die GPIOS können aber nur mit 2 bis 4 mA belastet werden.
Um ein Relais zu schalten muss ein "Verstärker" zwischen GPIO und Relais geschaltet sein.
Entweder ein Transistor als Schalter oder ein Treiber-IC wie den ULN2003.
Ausserdem benötigt das Relais in der Regel eine eigene Energieversorgung. Das Pico-Board kann nur 5 Volt liefern, vorausgesetzt es wird mit 5 Volt gespeist. Die Stromentnahme wird durch die speisende Spannungsquelle begrenzt.

Motor

Ein Motor braucht in der Regel einen Steuerstrom über 20 mA.
Die GPIOS können aber nur mit 2 bis 4 mA belastet werden.
Um einen Motor zu schalten muss ein "Verstärker" zwischen GPIO und Motor geschaltet sein.
Entweder ein Transistor als Schalter oder ein Treiber-IC wie den ULN2003.
Ausserdem benötigt der Motor in der Regel eine eigene Energieversorgung. Das Pico-Board kann nur 5 Volt liefern, vorausgesetzt es wird mit 5 Volt gespeist. Die Stromentnahme wird durch die speisende Spannungsquelle begrenzt.

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