Programovatelný vstup a výstup — elektronika

Pokud nejste obeznámeni s elektronikou, je důležité vědět, při jakém napětí se pracuje a kolik proudu může protékat. Nejdůležitější je vědět, že Pico pracuje se dvěma napěťovými úrovněmi – 0V (vypnuto, low, off) a 3.3V (zapnuto, high, on). Čip RP2040 může pracovat v rozsahu napětí od 1.8V až 3.3V, ale Pico má v sobě zdroj, který převede jakékoliv napájecí napětí na 3.3V – výsledkem je, že Pico je 3.3V logické zařízení.

Pokud jste pracovali s jinými logickými zařízeními, možná budete znát více, 0V a 5V jako nízké a vysoké úrovně (Arduino má 5V logiku). Pico používá nižší úroveň napětí, aby se snížila jeho spotřeba energie, což je dobré, ale musíme mít na paměti, že možná budeme muset použít nějakou elektroniku, abyste změnili 3.3V na jiné hodnoty. Totéž platí pro vstupy, které nesmí překročit 3.3V, neboť to znamená riziko poškození Pica.

Důležitou otázkou je, jaký proud GPIO linky zvládnou aniž by došlo k poškození čipu. To není jednoduchá otázka a v době psaní dokumentace není v této věci jasno. Podle dokumentace lze každou linku GPIO nastavit na „drive“ 12 mA. Nicméně, toto neznamená úplně to, co si myslíte. Toto není horní hranice dodávaného proudu, ale konfigurace, která je potřebná pro zajištění výstupu napětí linky GPIO jsou v rámci specifikace, zatímco pracuje na 12 mA – více informací viz kapitola 18. To znamená, že designéři zamýšleli, že linka GPIO bude použita při 12 mA, ale to není horní limit napájecího proudu.

Jediný citovaný horní limit je, že celkový proud pro všechny GPIO linky by měl být menší než 50 mA. Vzhledem k tomu, že existuje 30 GPIO linek, to dává průměr 1,6 mA na linku GPIO. V praxi s největší pravděpodobností budete v bezpečí při maximálním proudu 12 mA pro malý počet linek. V praxi, pokud plánujete použít více než 1,6 mA z více GPIO linek, zvažte použití tranzistoru. Pokud vaše obvody odebírají více než 50 mA z napájecí lišty 3.3V zvažte samostatný napájecí zdroj.

Všimněte si, že limit 12 mA znamená, že nemůžete bezpečně řídit standardní 20mA červenou LED bez omezení proudu pod 12mA. Lepším řešením je použití nízkopříkonové 2mA LED nebo použít tranzistorový zesilovač.

Nejdůležitější věcí, kterou potřebujeme vědět je, jak spočítat hodnotu rezistoru, který omezuje proud svítivou diodou.

Jestliže bychom zapojili svítivou diodu přímo na GPIO pin a zem, potom při vysokém stavu na GPIO bude na LED diodě 3.3V a to nemusí dioda vydržet.

LED je nelineární elektronická součástka a chová se tak, že napětí na ní je téměř konstatní nezávisle na protékajícím proudu.

Z voltampérové charakteristiky je vidět, že svítivou diodu musíme napájet ze zdrojem proudu a ne ze zdroje napětí. GPIO pin se chová (s přihmouřením oka) jako zdroj napětí. Není to ideální zdroj napětí, ale omezení proudu bude klidně na 50mA.

Zdroj proudu uděláme ze zdroje napětí pomocí vložení odporu do obvodu (zjednodušeně).

Úbytek napětí \(U_f\) na svítivé diodě můžeme snadno změřit, buď multimetrem anebo speciálním měřičem součástek.

Často potřebujeme omezit proud, který teče GPIO pinem. Bipolární křemíkový tranzistor je poměrně stará technologie, chová se jako zesilovač proudu, je levný a snadno se používá.

Bipolární tranzistor je třívývodová součástka, má nožičky pojmenované báze, emitor a kolektor. Malým proudem do báze řídíme mnohem větší proud, který teče skrze kolektor do emitoru.

Zapojení nožiček jiných typů tranzistoru ve stejném pouzdře T0-92 může být jiné, je potřeba se vždy podívat do datového listu příslušného tranzistoru.

Obrázek zobrazuje NPN tranzistor, který se používá velmi často. Musíme doplnit jenom dvě věci.

Pokud se podíváte do datového listu tranzistoru, tak uvidíte, že zesílení \(h_{fe}\) bývá v rozsahu 100 až 200. Při proudu báze 1 mA a zesílení tranzistoru 100 bude proud kolektor emitor 100 mA.

Jestliže chceme, aby byl proud kolektor emitor nulový, do báze nesmí téct proud. Zcela jistě to bude, pokud připojíme bázi k zemi, což se stane právě tehdy, když GPIO pin bude ve stavu 0 (low). Naopak, pokud chceme, aby proud kolektor emitor byl maximální, tak GPIO pin musí být ve stavu 1 (high). To je typické pro NPN transistor.

Schéma zapojení můžeme doplnit o rezistory a připojíme svítivou diodu.

Zapojení je jednoduché a potřebujeme jenom dva rezistory omezující proud. Pokud bychom nezapojili rezistor R2, tak proud bází by byl neomezen a je to to samé, jako bychom GPIO pin zapojili na zem. Rezistor R2 omezuje proud báze \(I_b\) v sepnutém stavu na přibližně 0.4 mA, což je velmi málo a pokud bude mít tranzistor zesílení \(h_{fe}\) aspoň 50, tak nám do dává až 20 mA proudu kolektor emitor.

Výpočet velikosti rezistoru R2 se dělá takto: Napětí které potřebujeme srazit na rezistoru je \(U_{R2} = U_{GPIO} - U_{BE} = 3.3V - 0.6V = 2.7 V\). Zvolíme-li si proud do báze \(I_b = 0.4 mA\) potom velikost rezistoru R2 je z Ohmova zákona \(R = \frac{U_{R}}{I_{b}} = \frac{2.7}{0.0004} = 6750 \Omega\). Vybereme nejbližší hodnotu z řady E12 a ta je 6k8.

Bez rezistoru R1 by svítívá dioda rychle shořela. Předpokládejme červenou LED s poklesem napětí \(U_{KA} = 1.93 V\), potom rezistor \(R1 = \frac{3.3V - 1.93V}{0.02A}= 68.5 \Omega\). Výběr rezistoru 68R je na hraně, proto zvolíme nejbližší vyšší hodnotu 82R, klidně můžeme dát 100R, protože při proudu okolo 20 mA bude dioda svítit jako blázen.

Výpočet hodnoty rezistoru R1 předpokládá, že napětí mezi kolektorem a emitorem při sepnutém tranzistoru je 0V, což není úplně pravda. Podíváme-li se do datasheetu tranzistoru P2N2222A a v sekci ON CHARAKTERISTIC (sepnutý stav) najdeme hodnotu Collector-Emitter Saturation Voltage (napětí kolektor emitor v saturaci — sepnutém stavu) a uvidíme, že to je přibližně 0.3V při proudu kolektorem \(I_c = 150 mA\). Takže při našem proudu kolektorem 20 mA to bude odhadem okolo 0.2 V.

Z celého výpočtu je vidět, že se nám nikdy nepodaří výpočet udělat zcela přesně, což však není zas tak důležité, je ale potřeba, abychom se vešli do přijatelných a bezpečných hodnot. Nikdy se nám nesmí stát, že překročíme nějakou maximální hodnotu udávanou výrobcem v datovém listu součástky.

Nikdy se nedimenzuje součástka na 100% (to dělají někteří Čínani a potom elektronika hoří), ale maximálně na 80% povolených hodnot, lépe na 50%. Pokud třeba víme, že svítivá dioda nesnese vyšší proud než 20 mA, budeme počítat tak, aby proud diodou nepřekročil 10 mA (50% maximální hodnoty) a naše zařízení bude fungovat spolehlivě a dlouho. Při výpočtu můžeme klidně uvažovat, že úbytek na svítivé diodě je 1.6V (nemusíme nic měřit) a vždy budeme v bezpečné oblasti, protože rezistorem budeme srážet vetší napětí než je potřeba a tím pádem proud tekoucí diodou bude ve vždy skutečnosti menší.

PNP tranzistor pracuje zrcadlově. Napětí 0.6V je mezi bází a kolektorem a proud teče ven z báze. V tomto případě zapneme tranzistor tak, že bázi připojíme k zemi. To znamená že GPIO při sepnutém tranzistoru ve stavu 0 (low). Při vypnutém tranzistoru bude GPIO linka ve stavu 1 (high). Je vidět, že PNP tranzistor vlastně neguje stav GPIO linky.

Toto komplementární chování NPN a PNP bipolárních tranzistorů je užitečné a znamená, že můžeme používat tranzistory v páru.

Schéma zapojení je zjednodušené, chybí zde omezující rezistory produ báze i proudu kolektoru.

Můžete navrhnout něco, co vyžaduje spínání vyššího napětí.

Například spínání 5V DIP relé, které potřebuje spínací proud do cívky 10 mA a spíná mnohem vyšší napětí a proudy. Tranzistor tady nepoutřebujeme ke zvýšení spínacího proudu, 10mA nám klidně sepne GPIO. Tranzistor je zde kvůli tomu, že relé má spínací napětí 5V, potřebujeme změnit 3.3V na 5V. Podobné zapojení bude fungovat i s relé, které má vyšší spínací napětí cívky, třeba 24V. Jenom nesmíme překročit maximální napětí kolektor emitor \(U_{CE}\). (Pro 24V bude tranzistor P2N2222A stačit)

Hodnotu rezistoru R1 spočítáme stejně jako v předchozím zapojení. \(U_{R1} = U_{GPIO} - U_{BE} = 3.3V - 0.6V = 2.7V\). Pokud je spínací proud cívky relé 10 mA a zesílení tranzistoru \(h_{FE}=75\), tak proud báze \(I_b = \frac{I_c}{h_{FE}} = \frac{10 mA}{75} = 0.13 mA\). Velikost rezistoru \(R_1 = \frac{2.7 V}{0.00013 A}=20769 \Omega\). Zvolíme rezistor 15k, proud báze bude sice o něco větší, ale máme zaručeno, že tranzistor spolehlivě sepne i při menším zesílení, než 75. Proud báze při omezovacím rezistoru 15k bude \(I_b = \frac{2.7 V}{15000 \Omega} = 0.18 mA\).

Omezení proudu kolektorem máme vyřešeno tak, že sama cívka relé má odpor okolo \(167 \Omega\), což při 5V napájení znamená, že maximální dosažitelný proud kolektorem je \(I_{cMAX} = \frac{5 V}{167 \Omega} = 30 mA\) a takový proud tranzistor vydrží bezpečně. Podle datového listu P2N2222A je maximální hodnota proudu kolektoru 600 mA.

V tomto zapojení je důležité si všimnou ještě takzvané zhášecí diody antiparalelně zapojené k cívce relé mezi kontakty 2 a 6. Tato dioda normálně nevede proud, katoda je připojena k plusu, ale slouží k potlačení špiček vysokého napětí obrácené polarity, které vzniknou při vypínání relé. Je to přechodový jev, který vzniká při libovolném přerušení proudu, který teče indukčností. Některá relé tuto diodu nemají a je potřeba ji doplnit. Cívka relé bez zhášecí diody spolehlivě odstřelí při vypnutí tranzistor, protože velmi krátká vypínací špička může dosahovat stovek voltů.

Podrobněji se o vypínání indukčnosti dozvíte třeba zde.

Mnozí považují MOSFET (Metal Oxide Semiconducor Field Effect Transistor) za perfektní zesilovací zařízení a měli bychom ignorovat bipolární tranzistory. Jsou jednodušší na pochopení funkce, ale bývá někdy složitější najít správný tranzistor, který bude v našem zapojení fungovat.

Stejně jako bipolárná tranzistory mají MOSFET tranzistory tři vývody, které se značí gate (hradlo), drain a source. To je analogické bázi, kolektoru a emitoru u bipolárního tranzistoru, rozdíl je v tom, že napětí na hradlu řídí proud protékající mezi source a drain (české ekvivaletní názvy pro source a drain nejsou).

Gate je v podstatě vstup s vysokou impedancí a teče jím velmi malý proud. To je ideální pro připojení GPIO linky a nějakého zařízení, které vyžaduje větší proud než je schopen GPIO dodat a nebo vyšší napětí. Je li napětí na gate nízké, proud tekoucí přes source a drain je velmi malý. Když napětí na gate dosáhne hodnoty zapínacího napětí \(V_{GS(th)}\) (Gate Threshold Voltage), která je různá u různých MOSFET tranzistorů, proud tekoucí přes source a drain roste exponenciálně. V podstatě je-li na gate 0V nebo hodnota napětí menší než \(V_{GS(th)}\), MOSFET je vypnutý a jakmile napětí na gate překročí hodnotu \(V_{GS(th)}\), tranzistor se začne zapínat. Nepovažujte napětí \(V_{GS(th)}\) na hradlu za napětí, při kterém je MOSFET zapnutý, ale za napětí, pod nímž je vypnutý.

Problém spočívá v tom že typické napětí na gate kdy je tranzistor plně zapnutý je okolo 10V. Speciální logické MOSFETy potřebují napětí na gate 5V k plnému zapnutí a to dělá Picu s 3.3V logikou problémy. V datovém listu je spíše uváděn parametr \(R_{DS(on)}\), což je rezistance mezi drain a source zapnutého tranzistoru a při tom se uvádí, při jakém napětí \(V_{GS(th)}\) je toho dosaženo. Parametr se jmenuje: Drain-Source On-State Resistance. V digitální technice je to důležitější parametr, než zapínací napětí \(V_{GS(th)}\)

Můžeme vyřešit tento problém dvěma způsoby — budeme ho ignorovat nebo najdeme MOSFET s dost nízkým zapínacím napětím \(V_{GS(th)}\). V praxi se dá MOSFET s nízkým hraničním zapínacím napětím najít těžko a když ho najdete, tak bude jenom pro povrchovou montáž. Při ignorování problému to někdy bude fungovat, pokud budeme tolerovat, že MOSFET není úplně zapnutý. Je-li proud drainem nízký, tak přesože má MOSFET odpor \(R_{DS}\) několik ohmů, ztáty na něm a pokles napětí mohou být přijatelné.

Které MOSFETy jsou vhodné pro připojení zařízení s vyšším ovládácím napětím k GPIO lince se dozvíte později.

Dosud jsme se bavili o N-kanálovém MOSFETU (N-channel MOSFET). P-kanálové MOSFETy fungují stejně, jenom je polarita obrácená. Tranzistor je vypnutý pokud je na gate kladné napětí a zapnutý pokud je gate přizemněn (0V). V tomto ohledu se chovají stejně jako bipolární NPN a PNP tranzistory.

GPIO výstup může být nastaven několika způsoby, nejdůležitější jsou pull—​up a pull—​down. Než začněme programovat, vysvětlíme režimy push-pull, pull—​up a pull—​down.

K nastavení režimu GPIO pinu máme k dispozici tři funkce:

Implicitně ja každá GPIO linka konfigurována tak, že je k ní připojen pull—​down rezistor v rozmezí \(50 k\Omega\) až \( 80 k\Omega\). Pull—​up rezistor je podobně v rozmezí od \(50 k\Omega\) do \(80 k\Omega\). Funkce gpio_set_pulls() umožňuje nastavit up i down na true, což má za následek že i pull-up i pull-down rezistory jsou nastaveny. Jestliže chcete čistý režim push—​pull, vypnete rezistory voláním funkce:

Nakonec, pokud chcete zjistit jak jsou nastaveny GPIO linky, zda jsou v režimu pull—​up nebo pull—​down zavolejte funkce:

Je čas přesunout naši pozornost na elektrické charakteristiky GPIO linek, které jsou nastaveny jako vstupní. Nejčastější vstupní obvody jsou obyčejné spínače nebo tlačítka.

Mnoho začátečníků dělá chybu a připojuje spínač k GPIO lince takto:

Pokud je spínač sepnut, je všechno v pořádku, GPIO linka je připojena na zem a při čtení dostaneme úroveň 0. Problém je, když je spínač rozepnut. Otázkou je jakou hodnotu na GPIO přečteme. GPIO linka nastavená jako vstup bez pull—​up nebo pull—​down rezistorů má velmi vysokou impedanci. Není-li připojena ke konkrétnímu napětí, tak napětí na ní může být jakékoliv, kvůli externímu rušení. V elektronickém žargonu se to nazývá, že vstup "plave". Při rozepnutém přepínači můžeme na lince přečíst 0 i 1, závisí to na tom, do jakého okamžiku šumu se trefíme.

Správný způsob zapojení vstupu je přitáhnout ho buď k vysoké úrovni 3.3V nebo k zemi (0V), když je spínač rozpojen. Jestliže spínač sepneme, tak poteče rezistorem malý proud okolo 0.3 mA.

Hodnota rezistoru R1 není nijak kritická. Jednoduše přitáhne linku k vysoké úrovni (3.3V), pokud je spínač rozpojen. Zdá-li se nám, že proud tekoucí rezistorem R1 příliš velký, můžeme hodnotu rezistoru zvětšit třeba na \(100 k\Omega\), ale musíme k tomu dodat, že čím větší hodnota rezistoru R1, tím více bude vstup chytat různé radiové interference (šum).

Jsou prohozeny mezi sebou spínač a rezistor. Je-li nyní spínač zapnut, linka je splehlivě na vysoké úrovni a naopak při rozpojení spínače je přitahována rezistorem k zemi

Dobrá zpráva zní tak, že Pico při impliticní konfiguraci GPIO pinu má nastaven pull—​down rezistor \(50 k\Omega\), takže můžeme připojit přepínač nebo tlačítko jedním koncem k pinu a druhým k 3.3V a bude-li spínač zapnut, vstup přečte hodnotu 1, bude-li vypnut, vstup bude ukazovat 0.

Pokud je na vstupu napětí mimo rozsah 0 V až 3.3 V, musíme ho snížit, třeba pomocí odporového děliče.

\(V_{out} = V \cdot \frac{R2}{R1+R2}\)

Pro převod z 5V na 3.3V můžeme navrhnout třeba takový dělič:

\(3.3 V = 5 V \cdot \frac{R2}{R1+R2}\)

\(\frac{3.3 V}{5 V} = \frac{R2}{R1+R2}\), zvolím R2 = 33k potom R1 bude \(50k - 33k = 17k\), 17k složíme z 16k a 1k a je to.

Nebo ne úplně přesně R2 bude 33k a R1 bude 18k což jsou hodnoty z řady E12.

Nebo můžeme oddělit úroveň pomocí tranzistoru.

Oddělovač úrovně s MOSFET tranzistorem je invertující, tzn. pokud je na gate vysoká úroveň 5V, bude GPIO na zemi (nízko). A obráceně. To nepředstavuje velký problém, prostě softwarově znegujeme hodnotu na GPIO a máme původní význam. Rezistor R1 zajištuje to, že MOSFET je zavřen pokud není přítomno 5V a R2 jenom omezuje proud tekoucí přes tranzistor (v našem případě asi 0.3 mA).

Ve většině případů si vystačíte s prostým odporovým děličem, když to nebude chtít fungovat, tak použijete aktivní oddělovač s tranzistorem.

Tyto základy elektroniky jsou zatím dostatečné, abychom mohli vyřešit spoustu problémů. Jakmile bude spínací rychlost hodně vysoká, budeme muset řešit další problémy, které se hlavně týkají toho, aby naše obvody nezpomalovali věci. Spínací elektrotechnika je poměrně složitá záležitost.

Pro pokusy s tranzistory existuje pěkná sada nízkovýkonových tranzistorů v pouzdře TO-92 LaskaKit sada tranzistorů TO-92 300ks za 248 Kč

How to choose a MOSFET with as low Vgs as possible?

Návrh elektroniky v programu KICAD (1. díl)

H-můstek L298N, dvoumotorový modul datasheet

Programming The Raspberry Pi Pico/W In C Second Edition, Harry Fairhead, ‎ I/O Press; 2nd edition (October 30, 2022) papírová kniha, 5. kapitola