通过GPIO引脚为5V继电器供电

#1 楼

为什么不这样简单？

Raspberry Pi在0和3V3之间切换，足以使Q1饱和，这接管了“繁重的”工作：打开/关闭+ 5V继电器。根据您使用的继电器，可能会对D1和Q1进行一些小的修改。

#2 楼

＃简介＃

OP希望使用Rpi安全地控制5个Sparkfun的Beefcake继电器模块库。他有一个问题，因为Rpi GPIO逻辑电平为3.3V，但他的继电器使用5V逻辑控制。他想知道如何修改Rpi来解决逻辑级差异问题。他的选择包括以下内容：使用晶体管BC5468来驱动继电器线圈；获取一个光电隔离继电器，并使用ULN2803驱动它；使用诸如UDN2981之类的源代码驱动程序，...

经过调查，我现在建议一些解决方案，各有其优缺点。在权衡风险，可靠性，成本等因素之后，OP可以选择一种解决方案。

＃内容＃

解决方案1-修改NPN晶体管的偏置电阻

解决方案2-使用UDN2981将Rpi的3.3V GPIO信号上移至5V

解决方案3-使用74HC03和74HC04将Rpi的3.3V GPIO信号上移至5V

4-使用74HCT125进行逻辑电平转换

解决方案5-使用TXS0102进行逻辑电平转换

方案6-使用2N2222进行逻辑电平转换
<解决方案7-使用2N7000进行逻辑电平转换

常见问题1-如何为Rpi和继电器模块供电，并将接地连接在一起

常见问题2-如何避免浮动输入问题

FAQ3-我的继电器始终打开，无论是高输入还是低输入，是因为Rpi Low信号不够低吗？

FAQ3-我的Rpi GPIO Low信号不能打开关闭继电器，但将GPIO设置为输入即可。如果这样做会伤害Rpi吗？

硬件故障排除建议

软件故障排除建议

参考文献

＃解决方案1.修改NPN晶体管偏置以使其适应兼容3.3V的解决方案有两种通用类型：

（1）修改模块的5V逻辑电平输入电路以适应3.3V信号，

（2）使用3.3V至5V逻辑电平转换器将Rpi的3.3V信号上移至5V。

我现在从（1）开始。

调查

Sparkfun的Beefcake继电器模块具有一个NPN晶体管2N3904（Q2）驱动线圈（ U1）。它设计用于Arduino的5V逻辑信号。



我有一个类似的NPN晶体管模块KY019，可以由Rpi的3.3V信号驱动。因此，我检查了其输入信号要求，以了解为什么KY019可以接受3.3V信号，但Beecake无法接受。



我发现KY-019的触发电平为2.5V和0.1mA。 NPN晶体管将该信号放大到50mA，该电流足够高以使线圈通电以激活继电器。



Rpi GPIO（具有2.8V以上的高电平，最大电流限制为16mA），可以舒适地提供4mA电流，直接驱动模块应该没有问题。

线圈的响应时间为10mS。我对Rpi GPIO引脚17进行了编程，使其以40mS的周期（25cps）切换继电器模块，并发现继电器按预期的方式发出了喀哒声。 （我为GPIO信号使用了2米长的连接线，因此继电器输入端的信号有点嘈杂。）



如何修改Beefcake模块使其与3.3V逻辑兼容

Beefcake NPN晶体管具有一个值为1K的限流电阻R2。该电阻器限制了Arduino 5V逻辑高电平的基本电流。放大后的极限范围内的基极电流（通常hFE> 100）足够大，可以使线圈充满能量。

计算到Beefcake继电器模块中的Arduino 5V GPIO电流：


但是，Rpi的逻辑高信号低于Arduino，因此相应的受限电流更小，并且放大后不足以驱动线圈。

Rpi电流i〜（（（3V [Rpi高]-1V] / 1K = 2mA）

修改很简单-只需用一个较小的电阻（例如510R）替换1K R2。

Rpi电流i（修改后）=（3V-1V）/ 501R = 4mA

我正在基于电路分析和实验进行教学猜测，我想我的猜测是90％正确。
OP希望使用一种安全的方法，不会炸掉他的Pi，因此为了可靠性，最好使用诸如UDN2981之类的源驱动程序。

/ ...

＃解决方案2-使用UDN2981驱动Beefcake继电模块＃

评论指出，OP的Sparkfun Beefcake继电模块是高电平触发，因此常用的接收器驱动器ULN2803可以不被使用。驱动程序与ULN2803类似，但应使用电流源而不是电流吸收

我认为UDN2981是OP继电器模块的合适驱动器。

我成功验证了UDN2981驱动类似于Beefcak的高电平触发继电器模块，以及ULN2803触发了低触发信号。以下是摘要。

UDN2981控制高触发，NPN晶体管输入型继电器模块

我首先手动测试了UDN2981，但未连接Rpi来使4个LED闪烁，以使确保电路工作正常。

然后我设置了4个NPN晶体管输入型继电器模块（KY019），并将这4个继电器模块输入连接到4个UDN2981通道输出。



然后我将4个Rpi 3.3V GPIO引脚直接连接到4个UDN2981通道输入。
我使用以下python函数在以下位置切换4个继电器模块： 25 cps。



结果很好。 4个继电器模块发出咔嗒声，并且LED以预期的25cps闪烁。 Rpi GPIO输出信号保持在3.3V附近，而UDN输出信号保持在4.0V附近，这表明没有输入过载。

UD431298q

UDN2981控制高触发，光电隔离继电器模块

OP还考虑使用光电隔离继电器模块，因为它们更安全。
我已成功使用同一UDN2981控制4个高电平触发光电隔离继电器模块（MK055）。实际上，无论NPN晶体管还是光电隔离类型，UDN2981均可用于控制任何类型的高触发模块。

但是，对于低触发模块，无论是PNP晶体管还是光电隔离，源极驱动器UDN2981均不起作用，应使用ULN2803或其他漏极驱动器。

ULN2803控制低触发PNP晶体管输入或光电隔离继电器模块

我成功验证了ULN2083灌电流驱动器可以控制4个低触发光电隔离继电器模块。我首先测试了手动闪烁的4个LED，然后使用了与上面相同的python函数来测试这4个模块。结果也很好。



讨论

ULN2803和UDN2981优缺点

优点
ULN2803和UDN2981可以由具有3.3V或5V电源电压的TTL或CMOS逻辑信号直接驱动。
它们的额定500mA输出和钳位二极管适用于开关继电器和步进电机。

缺点



ULN2803尤其是UDN2981并不常见。
它们具有8个通道，因此具有更大的18引脚DIP封装尺寸。对于较少的通道，更常见的是带有14引脚DIP封装的74HC03 / 04或74HCT125更加常见并且更易于处理。.解决方案3-使用74HC03和74HC04上移RPi的3.3V GPIO信号＃

使用UDN2981驱动继电器模块是一个很大的挑战，因为它们设计有内置的反激二极管来直接为继电器供电。

UDN2981不常见，也不适合初学者尝试。对于初学者来说，非常便宜的通用逻辑门IC，74HC03 Quad NAND门和HC04六角反相器可以完成与UDN2981相同的工作，可以填充3.3V逻辑信号。

我已经成功验证了HC03和HC04将3.3V逻辑电压升至5V，发现它可用于晶体管输入和光电隔离的高电平触发模块。







＃参考编号＃

R1。继电器如何工作？ -TechyDIY

R2。继电器开关电路-电子教程

R3。牛肉蛋糕继电器控制连接指南-SparkFun

R4。数字缓冲器和三态缓冲器-电子教程

R5。上拉电阻器-电子教程

R6。逻辑级别教程-SparkFun

Arduino Voh 4.2V，Vol 0.9V

R7。 Rpi GPIO引脚电压和电流规范
Rpi Voh 2.4V，Vol 0.7V

R8。双极晶体管-电子教程

＃使用HCT125的A.3逻辑电平转换器＃

所以我测试了另一个上变频器HCT125。我很高兴发现它运作良好。连接到NPN晶体管驱动的继电器模块时，HCT125转换的5V0信号没有下降。



/ ...

附录末尾

** *长答案将被删除* **

这个长答案太长而混乱。我现在正在尝试删除不相关的段落，或者通过询问相关问题并回答自己来代替它们。


如何检查光电耦合器/光电隔离继电器模块


获取一根跳线。
将一端连接到继电器模块的信号/输入引脚。
握住另一端并触摸Vcc（+）和Gnd（-）引脚，然后检查以下结果。



2.1晶体管输入类型

对于流行的双极NPN晶体管输入类型，源极驱动器信号（3.3V至5V逻辑电平转换后的Rpi GPIO信号或RPi GPIO信号）通过串联的LED和偏置电阻到达晶体管的基极。

晶体管输入类型（BJT NPN）继电器模块的示例

还有其他不那么流行的继电器开关电路，如
本继电器开关教程所述

2.2光电耦合器输入类型

光电耦合器输入类型继电器具有光耦合器作为输入。光电耦合器驱动另一个晶体管，该晶体管又驱动继电器线圈。


附录C-使用TXS0102的逻辑电平转换器

现在我知道Rpi GPIO可以直接驱动继电器模块，但是有两个问题。首先，带有长连接线的GPIO信号有噪声，因此可靠性不高。其次，飞轮二极管1N4148可能无法完全抑制线圈反电动势，如果1N4148不幸发生故障或连接不正确（接触不良，干焊点等），则反电动势可能会损坏Rpi。

因此，我决定使用逻辑电平转换器将Rpi GPIO信号从3V3上移至5V。我首先尝试了TXS102转换器，并发现它运行良好。除了上移GPIO信号外，高电平噪声也大大降低了。



但是，我发现将转换后的5V GPIO信号馈入一个大问题继电器模块。继电器仍然使用3V3信号像以前一样打开和关闭，但是当我使用示波器检查波形时，我非常惊讶地发现5V信号下降了一半，降至2.2V。

我怀疑原因是TXS0102的吸收电流比向继电器模块提供电流要好得多。为了验证我的猜测，我将5V信号馈送到另一个继电器模块，即下拉型光电耦合器，型号为MK01。

这次我发现5V信号没有下降任何明显的数量。

所以我很快得出结论，NPN晶体管型继电器模块是一个不好的选择。我将从现在开始停止测试这种继电器，而继续使用光耦合器类型的继电器。

我还测试了另一个光耦合器驱动器模块MK101。该模块具有一个跳线，用于选择高电平触发或低电平触发。我发现对于低触发，TSX0102转换的5V信号电平不受影响。但是，当选择了低触发，转换后的5V信号电平下降到2.5V左右，尽管继电器仍然工作




/>附录E - 逻辑使用HC04的液位转换器不是很常见。因此，我尝试了另一种转换器电路，使用HC03四开漏极与非门和HC04十六进制反相器。当我测试HC04输出时，我发现它非常嘈杂。我猜到一个原因是我使用了直接电源，一个用于rpi，另一个用于转换器。即使我将电源的接地点连在一起也可以使噪声消失。然后我为rpi和转换器使用了一个电源，并且噪声消失了。





我尝试了HC04输出信号用于继电器模块处于低触发模式（需要吸收电流，而不是处于高触发模式（需要拉电流））。因此，我将添加HC04六角非门，它可以向继电器模块提供电流。 >
附录F-HC04液位转换器浮动输入问题

上一次当我第一次尝试在光耦合器继电器模块上使用基于HC03的电平转换器时，我发现如果我将输入悬空，该模块会拾取噪声，并且继电器会疯狂地打开和关闭。我认为频率可能是1kHz。我不确定这是否是某种正反馈振荡。但是当我使用示波器进行检出时，我惊讶地发现它是50Hz！我想这是一种共鸣。但是我不知道共振和振荡之间有什么区别。也许我应该再凝视一下。无论如何，我认为我需要在某处添加一个上拉/下拉电阻。




下面要缩短或删除

>＃附录＃

＃A1。光电隔离/光电耦合器继电器模块板和示意图＃

光电隔离继电器模块的光电耦合器为4针IC。下图显示了一个光电耦合器PC1（四个标记为1、2、3、4的绿色引脚）和一个晶体管Q1。 IC并非总是带有标记。在此图中，PC1是EL354，Q1是8050。




图链接

35： https://i.stack.imgur.com/cWkRi.jpg

评论

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tlfong01：“因此Rpi的3V3 GPIO信号可以直接驱动继电器。”：您不应该这么说，因为阅读此行可能给非技术人员以印象，他们可以将RPi的GPIO引脚直接连接到Api的线圈。中继。带来了灾难性的后果...添加2N3904是有原因的...您应该说“因此RPi的3V3 GPIO信号可以直接驱动继电器模块” ...

– GeertVc
18年5月11日在8:27

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感谢您指出我对粗心的非技术人员的粗心大意。当我进行更正时，我发现插入两个相同的KY019图片时又犯了一个错误。实际上，第一个应该是SparkFun模块的示意图。

–tlfong01
18年5月11日在13:40

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没问题，我们在这里互相帮助... :-)

– GeertVc
18年5月11日在15:45

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直接使用GPIO与使用移位器的GPIO存在差异的原因是移位器旨在提供特定的电压（5V）。另一方面，为3.3V逻辑引脚指定了阈值，该阈值指示高低之间的差异。对于pi而言，这意味着1.3V以上的电压都很高。如果您通过接地电阻（即上拉电流）下沉，则应获得3.3V电压，但这可能不是继电器输入的电压-它会浮动。

–金锁♦
18年5月11日在16:03

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@goldilocks：是的，这令人困惑。 OA表示，他的继电器套件使用NPN晶体管触发继电器[线圈]，似乎有一个答案建议修改晶体管[至BC5468]。另一个建议是使用darlington ULN2803，..我需要再阅读一次注释以澄清我的想法。

–tlfong01
18年5月13日在1:55

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