مبدل منطقی ۵ به ۳.۳ ولت لاجیک کانورتر ۴ ماسفته

ماژول مبدل سطح منطقی 5 به 3.3 ولت 4 کاناله دوطرفه | Logic Level Converter

ماژول مبدل سطح منطقی 5 به 3.3 ولت 4 کاناله دوطرفه یک راهکار کاربردی برای اتصال میکروکنترلرها، بردهای توسعه، سنسورها، نمایشگرها و ماژول‌هایی است که با سطوح منطقی متفاوت کار می‌کنند. این ماژول امکان تبدیل سطح منطقی سیگنال‌ها بین دو مدار با ولتاژهای متفاوت، مانند 5V DC و 3.3V DC، را فراهم می‌کند و از 4 کانال مستقل و دوطرفه برای انتقال سیگنال بهره می‌برد. (Bidirectional Logic Level Converter)

در بسیاری از پروژه‌های الکترونیکی، یک طرف مدار با منطق 5 ولت DC و طرف دیگر با منطق 3.3 ولت DC کار می‌کند. برای مثال، بردهایی مانند Arduino UNO معمولاً از منطق 5V DC استفاده می‌کنند، در حالی که بسیاری از میکروکنترلرها و ماژول‌های جدید مانند ESP32 با منطق 3.3V DC کار می‌کنند. اتصال مستقیم سیگنال‌های این دو سطح منطقی همیشه مناسب نیست و استفاده از یک Logic Level Converter یا Level Shifter می‌تواند ارتباط بین دو مدار را با سطح منطقی سازگار برقرار کند.

یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های این ماژول، دوطرفه بودن تبدیل سطح منطقی است. یعنی سیگنال در هر کانال می‌تواند از سمت ولتاژ بالاتر به سمت ولتاژ پایین‌تر یا در جهت مخالف منتقل شود. به‌عنوان مثال:

5V → 3.3V

یا

3.3V → 5V

برای تغییر جهت سیگنال نیازی به پایه Direction یا کنترل نرم‌افزاری وجود ندارد. در مدارهای مبتنی بر MOSFET مانند این نوع Level Converter، ساختار مدار امکان تشخیص و انتقال سیگنال در هر دو جهت را فراهم می‌کند. این ویژگی به‌خصوص برای رابط‌هایی مانند I2C که ارتباط دوطرفه دارند بسیار کاربردی است.

این ماژول مبدل سطح منطقی از 4 عدد MOSFET کانال N برای تبدیل سطح منطقی استفاده می‌کند. در نمونه‌های رایج این مدار از BSS138 استفاده می‌شود و برای خطوط ارتباطی نیز مقاومت‌های Pull-up در نظر گرفته شده است. چنین ساختاری به‌طور گسترده برای تبدیل سطح منطقی باس‌های دیجیتال، به‌خصوص I2C، استفاده می‌شود. هر MOSFET یک کانال مستقل را تشکیل می‌دهد؛ بنابراین ماژول می‌تواند به‌صورت هم‌زمان چهار خط دیجیتال را بین دو سطح منطقی مختلف تبدیل کند. ماژول دارای 4 کانال مستقل است که معمولاً با نام‌های زیر مشخص می‌شوند:

• HV1 ↔ LV1

• HV2 ↔ LV2

• HV3 ↔ LV3

• HV4 ↔ LV4

در این ساختار، پایه‌های HV مربوط به سمت ولتاژ منطقی بالاتر و پایه‌های LV مربوط به سمت ولتاژ منطقی پایین‌تر هستند. برای استفاده به‌عنوان مبدل 5V به 3.3V، تغذیه سمت HV (تغذیه پایه HV) به 5V DC و تغذیه سمت LV (تغذیه پایه LV) به 3.3V DC متصل می‌شود. همچنین GND دو طرف ماژول و خود ماژول باید یکی و مشترک باشد.

نکته مهم این است که HV و LV منبع تغذیه خروجی نیستند؛ این پایه‌ها مرجع ولتاژ دو سمت مبدل را تعیین می‌کنند. بنابراین این ماژول یک رگولاتور ولتاژ یا مبدل توان 5V به 3.3V نیست و نباید برای تأمین تغذیه تجهیزات مصرفی استفاده شود.

رابط I2C یکی از بهترین کاربردهای این نوع مبدل سطح منطقی است. در I2C خطوط SDA و SCL به‌صورت Open-Drain کار می‌کنند و Pull-upها نقش مهمی در ایجاد سطح ولتاژ منطقی High دارند. ساختار MOSFET این ماژول برای چنین باس‌هایی مناسب است و نمونه‌های BSS138 به‌طور مشخص برای I2C طراحی شده‌اند. برای مثال، اگر یک Arduino با منطق 5V بخواهد با یک سنسور یا نمایشگر 3.3V ارتباط I2C برقرار کند، می‌توان از دو کانال مبدل برای خطوط زیر استفاده کرد:

SDA → کانال 1

SCL → کانال 2

دو کانال دیگر نیز می‌توانند برای سیگنال‌های دیجیتال دیگر مورد استفاده قرار گیرند.

این ماژول مبدل سطح منطقی برای تبدیل سطح منطقی سیگنال‌های سریال UART / TTL نیز قابل استفاده است. برای مثال، اگر یک میکروکنترلر 5V بخواهد با یک ماژول UART با سطح منطقی 3.3V ارتباط برقرار کند، می‌توان خطوط ارسال و دریافت را از طریق دو کانال مبدل عبور داد. به دلیل دوطرفه بودن کانال‌ها، مسیر ارتباطی TX و RX نیز می‌تواند بین دو سطح منطقی متفاوت تبدیل شود. نمونه‌های BSS138 چهارکاناله برای TTL Serial نیز کاربرد دارند.

این ماژول مبدل سطح منطقی امکان استفاده در رابط SPI را نیز دارد، اما به دلیل ساختار مبتنی بر MOSFET و Pull-up، برای SPI با سرعت پایین مناسب‌تر است. در یک ارتباط SPI چهار سیمه می‌توان از چهار کانال برای خطوط زیر استفاده کرد:

کانال خط SPI

Channel 1 MOSI

Channel 2 MISO

Channel 3 SCK

Channel 4 CS

برای نمونه، اگر میکروکنترلر 5V باشد و تجهیز SPI با منطق 3.3V کار کند، خطوط MOSI، SCK و CS در مسیر 5V به 3.3V و خط MISO در جهت 3.3V به 5V منتقل می‌شود.

برای نمونه‌های BSS138 مشابه، سازنده Adafruit استفاده از این نوع مبدل را برای SPI کندتر از 2MHz ذکر کرده است؛ بنابراین برای SPI پرسرعت بهتر است از Level Shifterهای مخصوص سرعت بالا استفاده شود. مثل TXB0108 و یا 74LVC245 و مشابه.

کاربردهای ماژول مبدل سطح منطقی

• تبدیل سطح منطقی 5V به 3.3V

• تبدیل سطح منطقی 3.3V به 5V

• اتصال Arduino 5V به سنسورها و ماژول‌های 3.3V

• اتصال ESP32، Raspberry Pi و سایر کنترلرهای 3.3V به تجهیزات 5V

• تبدیل سطح منطقی I2C

• تبدیل سطح منطقی سریال UART / TTL

• استفاده در SPI با سرعت پایین

• اتصال سنسورها و ماژول‌های دیجیتال

• پروژه‌های رباتیک و اتوماسیون

• پروژه‌های اینترنت اشیا و IoT

• مدارهای Embedded و میکروکنترلری

• نمونه‌سازی روی بردبورد

• محافظت از ورودی تجهیزات 3.3V در برابر اعمال مستقیم سیگنال منطقی 5V

راه‌اندازی و نحوه اتصال (SETUP)

برای استفاده از ماژول، ابتدا باید هر دو سطح ولتاژ مدار را به ورودی‌های HV و LV متصل کنید.

1. اتصال تغذیه

پایه ماژول اتصال

HV ولتاژ سطح بالاتر، مثلاً 5V

LV ولتاژ سطح پایین‌تر، مثلاً 3.3V

GND زمین مشترک دو مدار و ماژول

به عنوان مثال، برای اتصال یک Arduino 5V به یک ماژول 3.3V:

• آردوینو 5V →HV پایه

• مدار مقابل 3.3V → LV پایه

• پایه‌های دو مدار GND → GND مشترک

"پایه تغذیه HV و LV باید از ولتاژهای مناسب و پایدار مدار تأمین شوند و در حالت معمول، HV باید از LV بیشتر باشد. "

"در نحوه اتصالات به اسم پایه های HV و LV دقت کنید. اتصال اشتباه باعث آسیب به ماژول می شود."

2. اتصال کانال‌ها

پس از اتصال تغذیه، هر کانال از سمت HV به LV متناظر متصل می‌شود:

• HV1 ↔ LV1

• HV2 ↔ LV2

• HV3 ↔ LV3

• HV4 ↔ LV4

برای مثال اگر سیگنال 5V را روی HV1 وارد کنید، سطح منطقی متناظر در LV1 به سطح پایین‌تر منتقل می‌شود. در جهت عکس نیز سیگنال 3.3V روی LV1 به سمت HV1 منتقل می‌شود.

از آنجا که SDA و SCL در I2C دوطرفه هستند، استفاده از مبدل‌های MOSFET دوطرفه برای این رابط بسیار مناسب است.

در صورت لزوم برای مشاهده و تهیه نمونه مشابه این مبدل سطح ولتاژ منطقی با دو کانال ورودی و خروجی می توانید به لینک زیر مراجعه نمایید :

خرید مبدل منطقی ۵ به ۳.۳ ولت لاجیک کانورتر ۲ ماسفته

نکات مهم هنگام استفاده

• این ماژول مبدل سطح منطقی است، نه مبدل تغذیه DC-DC :

خروجی آن برای تأمین توان یا تبدیل ولتاژ تغذیه استفاده نمی‌شود. وظیفه ماژول فقط تغییر سطح سیگنال‌های دیجیتال است. برای مشاهده انواع مبدل های تغذیه DC-DC کاهنده و یا افزاینده می توانید به لینک زیر مراجعه نمایید:

مشاهده و خرید انواع مبدل تغذیه DC-DC

• اتصال GND مشترک ضروری است :

زمین ماژول و مدار 5V و مدار 3.3V باید به GND مشترک متصل باشند تا سطح منطقی سیگنال‌ها به‌درستی تشخیص داده شود.

• پایه های HV و LV را جابه‌جا نکنید :

ولتاژ بالاتر باید به HV و ولتاژ پایین‌تر به LV متصل شود. برای مثال در تبدیل 5V به 3.3V، اتصال صحیح HV=5V DC و LV=3.3V DC است. اتصال اشتباه باعث آسیب به ماژول می شود.

• همه چهار کانال دوطرفه هستند :

برای این ساختار، نیازی به تعیین جهت با پایه DIR یا کنترل نرم‌افزاری وجود ندارد و هر کانال می‌تواند سیگنال را در هر دو جهت منتقل کند.

• برای سیگنال‌های دیجیتال فقط استفاده شود :

این ماژول برای تبدیل مستقیم ولتاژهای آنالوگ طراحی نشده است؛ نمی‌توان از آن به‌عنوان مبدل عمومی (کاهنده DC-DC یا افزاینده DC-DC) مثلاً 5V آنالوگ به 3.3V آنالوگ یا بالعکس استفاده کرد. برای مشاهده انواع مبدل های تغذیه DC-DC کاهنده و یا افزاینده می توانید به لینک زیر مراجعه نمایید:

خرید انواع مبدل DC-DC کاهنده و افزاینده  

• برای ارتباط‌های خیلی سریع مناسب نیست :

مدارهای MOSFET به همراه مقاومت‌های Pull-up برای I2C و ارتباطات دیجیتال معمول (کمتر از 2MHz) مناسب هستند، اما در سرعت‌های خیلی بالا محدودیت دارند. برای SPI پرسرعت بهتر است از Level Shifter مناسب همان سرعت استفاده شود. مثل TXB0108 و یا 74LVC245 و مشابه.

• هر کانال مستقل است :

لازم نیست از هر چهار کانال استفاده کنید. می‌توانید فقط یک، دو، سه یا هر چهار کانال را بر اساس نیاز پروژه به کار ببرید. برای مشاهده و تهیه نمونه مشابه این مبدل سطح ولتاژ با دو کانال ورودی و خروجی می توانید به لینک زیر مراجعه نمایید :

خرید مبدل سطح ولتاژ منطقی ۵ به ۳.۳ ولت دو کاناله

• خروجی را برای تغذیه بار مصرفی استفاده نکنید :

پایه‌های HV1 تا HV4 و LV1 تا LV4 برای انتقال سیگنال منطقی دیجیتال و دارای محدودیت جریان دهی هستند و نباید برای تأمین جریان مصرفی سنسور، موتور، رله یا سایر بارهای مصرفی پر مصرف استفاده شوند. برای مشاهده انواع مبدل های تغذیه DC-DC کاهنده و یا افزاینده می توانید به لینک زیر مراجعه نمایید:

بررسی مدل‌های مختلف مبدل کاهنده و افزاینده ولتاژ