＃ 介绍 ＃
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：使用晶体管BC5468来驱动继电器线圈。获得一个光隔离继电器，并使用ULN2803驱动它；使用诸如UDN2981之类的源驱动程序...
经过调查后，我现在提出一些解决方案，各有其优缺点。在权衡风险，可靠性，成本等之后，OP可以选择解决方案。
＃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
解决方案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
Soution 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
FAQ1-如何给Rpi和继电器模块供电并接地
FAQ2-如何避免浮动输入问题
FAQ3-我的继电器总是打开，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低信号无法关闭继电器，但是可以将GPIO设置为输入。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晶体管偏置使其兼容3.3V＃
有两种通用的解决方案类型：
（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。
调查中
Sparkfun的Beefcake继电器模块具有一个NPN晶体管2N3904（Q2），用于驱动线圈（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却不能。
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，足以使线圈充能以激活继电器。
Rpi GPIO（具有高于2.8V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，以便在40毫秒（25cps）的周期内切换继电器模块，并发现继电器可以如预期般高兴地咔嗒一声。（我使用的是2米长的GPIO信号连接线，因此继电器输入端的信号有点吵。）
如何修改Beefcake模块以使其兼容3.3V逻辑
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。
计算进入Beefcake继电器模块的Arduino 5V GPIO电流：
Arduino电流i〜（4V [Arduino高]-1V [Vce（sat）]）/ 1K [R]）= 3V / 1K = 3mA
但是，Rpi的逻辑高信号低于Arduino，因此相应的受限电流较小，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-只需用较小的电阻（例如510R）替换1K R2。
Rpi电流i（修改后）=（3V-1V）/ 501R = 4mA
我根据电路分析和实验来进行教育猜测。我认为我的猜测是90％正确。
风险分析
尽管小信号NPN晶体管2N3094可以用于小负载切换，但是它不是那么可靠。对于继电器开关，使用专为电感性负载设计的功率晶体管（例如SS8050，UDN2981）更为安全。
OP希望使用一种不会炸掉他的Pi的安全方法，因此出于可靠性考虑，应该使用诸如UDN2981之类的源驱动程序。
/ ...
＃解决方案2-使用UDN2981驱动Beefcake继电器模块＃
评论指出，OP的Sparkfun Beefcake继电器模块是高电平触发器，因此不能使用常用的接收器驱动程序ULN2803。与ULN2803类似的驱动程序，但应改用电流源而不是电流吸收
我认为UDN2981是OP中继模块的合适驱动程序。
我成功验证了UDN2981驱动类似于Beefcak的高电平触发继电器模块，而ULN2803触发了低触发继电器模块。以下是摘要。
UDN2981控制高触发，NPN晶体管输入型继电器模块
我首先在不连接Rpi的情况下手动测试了UDN2981，以使4个LED闪烁，以确保电路工作正常。
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函数以25 cps的速率切换4个中继模块。
结果很好。4个继电器模块发出咔嗒声，LED按预期的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，这意味着没有输入过载。
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。我已成功使用相同的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均可用于控制任何种类的高触发模块。
但是，对于低触发模块，无论是PNP晶体管还是光电隔离的，源极驱动器UDN2981都不起作用，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
我已成功验证ULN2083宿驱动器可以控制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。结果也不错。
讨论区
ULN2803和UDN2981的优缺点
优点
ULN2803和UDN2981可以通过TTL或CMOS逻辑信号与3.3V或5V的电源电压直接驱动。
其带有钳位二极管的额定500mA输出适用于开关继电器和步进电机。
缺点
ULN2803尤其不是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。对于较少的通道，带14引脚DIP封装的更常见的74HC03 / 04或74HCT125更常见且更易于操作。
＃解决方案3-使用74HC03和74HC04将RPi的3.3V GPIO信号上移＃
使用UDN2981驱动继电器模块是一个很大的挑战，因为它们具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，非常普通且便宜的逻辑门IC，74HC03 Quad NAND门和HC04十六进制反相器可以完成与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，并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＃
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-电子教程
R6。逻辑级别教程-SparkFun
Arduino的Voh 4.2V，Vol 0.9V
R7。GPIO GPIO引脚电压和电流规格
Rpi Voh 2.4V，Vol 0.7V
R8。双极晶体管-电子教程
================
＃A.3使用HCT125的逻辑电平转换器＃
因此，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信号不会下降。
/ ...
附录完
** *长答案将被删除* **
这个冗长的答案太冗长而混乱。我现在正试图删除不相关的段落，也许通过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。
晶体管输入型（BJT NPN）继电器模块的示例
如本继电器开关教程中所述，还有其他不太流行的继电器开关电路
2.2光电耦合器输入类型
光电耦合器输入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），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，将转换后的5V GPIO信号馈送到继电器模块时，发现了一个大问题。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。从现在起，我将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电耦合器驱动程序模块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“低”触发时，尽管继电器仍在工作，但转换后的5V信号电平降至2.5V左右。
附录E-使用HC04的逻辑电平转换器
HCT125不是那么常见。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在使用直接电源，一个用于rpi，另一个用于转换器。甚至我将电源的接地点连接在一起形成一个公共点，噪音也没有消失。然后，我为RPI和转换器使用了一个电源，噪音消失了。
我在低触发模式（需要吸收电流，但在高触发模式（需要拉电流））中尝试了继电器模块的HC04输出信号，因此我要添加HC04十六进制NOT门，它可以向继电器模块。
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！我想这是某种共鸣。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。
下面将被缩短或删除
＃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具有一个光电耦合器，该耦合器是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，而Q1是8050。
图表链接
35：https：//i.stack.imgur.com/cWkRi.jpg
