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Schaltungstricks für Arduino und Raspberry Pi

Ein Peripherie-Chip will mit 3,3-V-Pegel angesprochen werden, der Arduino liefert aber 5V. Kleine Helfer-Schaltungen mit Transistoren und Widerständen helfen.

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Nicht immer passt alles so zusammen, wie der unvoreingenommen Drauflosbastelnde sich das vorgestellt hat. Viele aktuelle integrierte Bausteine, zum Beispiel diverse Sensor-Chips, vertragen an ihren Eingängen keine höheren Spannungen als 3,3V. Schließt man sie ohne weitere Maßnahmen an die Ausgänge eines Arduino an, können sie Schaden nehmen – manchmal nicht sofort, sondern erst beim Auftreten von Störimpulsen oder Überspannungen. Die Frage ist dabei nicht "ob", sondern "wann" der Baustein oder der IC zerstört wird.

In der Regel wird ein IC, das mit einer Betriebsspannung von 3,3V arbeitet, auch nur Logikpegel in dieser Höhe vertragen. Grund sind integrierte Schutzdioden an den Eingängen, die Überspannungen ableiten sollen – eigentlich eine gute Idee, denn sonst würde schon die kleinste statische Entladung (Anfassen reicht!) zum sicheren Tod der empfindlichen CMOS-Strukturen führen. Die integrierten Dioden beginnen zu leiten, wenn die Eingangsspannung etwa ein halbes Volt über der Betriebsspannung oder ein halbes Volt unter Massepotential liegt (die genauen Spannungswerte sind üblicherweise im Datenblatt unter "Maximum Ratings" zu finden).

Ihre Leistung reicht aber lediglich aus, um die Energie von Störimpulsen abzuleiten – mit dauerhaft anliegenden Pegeln werden sie überlastet. Es tritt dann gern ein sogenannter "Latch-up"-Effekt ein, bei dem – kompliziert gesprochen – sich durch umgekehrten Stromfluss in den Halbleiterstrukturen parasitäre Thyristoren bilden, die enorm viel Strom aufnehmen und schließlich zur thermischen Zerstörung des ganzen Bauteils führen. Oder einfach gesagt: Der magische Qualm entweicht, und nichts geht mehr.

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