Convertidor de nivel lógico: conectar 3,3 V y 5 V sin riesgos

Un convertidor de nivel lógico es un pequeño circuito que permite que una placa de 3,3 V (ESP32, Raspberry Pi Pico, ESP8266) se comunique con seguridad con una placa o un módulo de 5 V (Arduino Uno, LCD I2C, HC-SR04, WS2812B). Conectar una salida de 5 V directamente a un pin de 3,3 V puede dañarlo poco a poco o de golpe; en sentido contrario, a veces una entrada de 5 V ni siquiera ve una señal de 3,3 V como un "1". Saber cuándo hace falta un convertidor, y cuál basta, elimina los fallos misteriosos de la mitad de los proyectos con tensiones mezcladas.

En este artículo verás primero qué significan los umbrales VIH y VIL y por qué los pines del ESP32 y la Pico no soportan 5 V. Después veremos tres soluciones con ejemplos: la conversión en un solo sentido con un divisor de voltaje de dos resistencias, el convertidor bidireccional con MOSFET BSS138 para I2C y los chips 74HCT para señales rápidas como WS2812B o SPI. Al final hay una tabla con los módulos que funcionan directamente a 3,3 V y una lista de errores frecuentes.

¿Qué son los niveles lógicos de 3,3 V y 5 V?

Un pin digital solo conoce el 0 y el 1, pero en el mundo real la tensión puede tomar cualquier valor entre 0 y la alimentación. Por eso la hoja de datos de cada chip da cuatro umbrales. VIH (entrada HIGH) es la tensión más baja que la entrada lee con seguridad como 1. VIL (entrada LOW) es la tensión más alta que se lee con seguridad como 0. La zona intermedia está indefinida: ahí el chip puede leer 0 o 1. En la salida, VOH es la tensión mínima que garantiza el pin al dar HIGH y VOL la máxima que garantiza al dar LOW. Para que dos chips se entiendan sin fallos, el VOH del emisor debe quedar holgadamente por encima del VIH del receptor y su VOL holgadamente por debajo del VIL del receptor. Cómo deciden las puertas con estos umbrales lo explica el artículo sobre puertas lógicas, y puedes probarlo en la herramienta de puertas lógicas.

De la tabla salen tres conclusiones importantes. Primera, la salida HIGH de un Uno de 5 V (4,2–5 V) supera claramente el límite de 3,6 V del ESP32 y de 3,8 V de la Pico, así que en ese sentido la conversión es obligatoria. Segunda, la salida HIGH de 3,3 V del ESP32 suele superar el umbral VIH de 3,0 V del Uno, pero el VOH mínimo que garantiza la hoja de datos es de 2,64 V; la conexión funciona a menudo, pero queda al límite cuando el cable se alarga o el pin tiene carga. Tercera, un chip 74HC alimentado a 5 V, un expansor I2C con umbral de 0,7 × VCC como el PCF8574 o un LED WS2812B no consideran HIGH con seguridad nada por debajo de 3,5 V; para ellos una señal de 3,3 V realmente no basta. La serie 74HCT tiene un VIH de 2,0 V, y por eso es una de las formas más limpias de pasar de 3,3 V a 5 V.

¿Por qué los pines del ESP32 y la Pico no aguantan 5 V?

Cada pin de entrada de un chip de 3,3 V tiene pequeños diodos de protección que lo conectan a la línea de 3,3 V y a GND. Están pensados para absorber pulsos muy cortos, como una descarga electrostática, no una corriente continua. Si aplicas 5 V al pin, el diodo superior conduce y circula corriente desde la fuente de 5 V hacia la línea de 3,3 V. Si la resistencia interna de la fuente es baja, esa corriente llega a decenas de miliamperios y destruye el diodo y el circuito del pin al calentarlos. Si es menor, el pin no muere enseguida, pero el chip se desgasta con el tiempo, e incluso la línea de 3,3 V puede subir hasta que la placa empieza a alimentarse a través del pin: desconectas el cable de alimentación y el LED del ESP32 sigue brillando débilmente. La hoja de datos del ESP32 fija para los pines un límite de alimentación + 0,3 V (unos 3,6 V), y la del RP2040, de alimentación + 0,5 V (unos 3,8 V). "Lo probé una vez y no se rompió" no significa que el pin tolere 5 V.

¿Qué necesitas en cada caso?

Conversión en un solo sentido con divisor de voltaje (5 V → 3,3 V)

La forma más sencilla de llevar una salida de 5 V a una entrada de 3,3 V son dos resistencias. La señal entra por la resistencia superior R1, el punto medio va al pin de 3,3 V y la resistencia inferior R2 va a GND. La salida es Vsal = 5 V × R2 / (R1 + R2); si R2 es el doble que R1, los 5 V bajan a 3,33 V. El divisor funciona en un solo sentido, de la tensión alta a la baja, así que no sirve en líneas bidireccionales en las que el lado de 3,3 V tenga que responder. Además, su velocidad es limitada, porque la resistencia de salida del divisor forma con la capacidad del pin un pequeño filtro RC que redondea los flancos de la señal. Para elegir los valores usa la calculadora de divisor de voltaje, y para la explicación completa el artículo sobre el divisor de voltaje.

Ejemplo: UART entre un Arduino Uno y un ESP32

En los proyectos en los que el Uno lee los sensores y el ESP32 lleva los datos a internet por Wi-Fi, las dos placas se comunican por UART. Como la línea TX del Uno da 5 V, llega al pin RX del ESP32 a través de un divisor de 1 kΩ + 2 kΩ. La línea TX de 3,3 V del ESP32 puede ir directamente al pin RX del Uno, porque el Uno considera HIGH todo lo que supere 3,0 V. Para dejar libre el puerto serie USB del Uno (D0, D1) para el ordenador, en el Uno se usa SoftwareSerial en D10 y D11; en el ESP32, el segundo puerto serie por hardware, Serial2, funciona en GPIO 16 (RX) y 17 (TX). Los GND de ambas placas deben estar unidos.

1// Arduino Uno: SoftwareSerial ile ESP32'ye veri gönder / send data to the ESP32 with SoftwareSerial
2// Uno D11 (TX, 5 V) -> 1k -> ESP32 GPIO 16 ; GPIO 16 -> 2k -> GND
3// ESP32 GPIO 17 (TX, 3,3 V) -> Uno D10 (RX) doğrudan / directly ; GND <-> GND
4#include <SoftwareSerial.h>
5
6SoftwareSerial link(10, 11);   // RX, TX
7
8void setup() {
9  Serial.begin(9600);          // bilgisayar / computer
10  link.begin(9600);            // ESP32 hattı / ESP32 line
11}
12
13void loop() {
14  int raw = analogRead(A0);
15  link.print(F("A0="));
16  link.println(raw);           // ör. / e.g. "A0=512"
17
18  unsigned long start = millis();
19  while (millis() - start < 1000) {          // 1 sn cevap bekle / wait 1 s for a reply
20    if (link.available()) {
21      String reply = link.readStringUntil('\n');
22      Serial.print(F("ESP32: "));
23      Serial.println(reply);
24    }
25  }
26}

1// ESP32: Serial2 ile Uno'dan gelen satırları oku ve cevap ver / read lines from the Uno on Serial2 and reply
2const int RX2_PIN = 16;        // bölücünün orta noktası / divider midpoint
3const int TX2_PIN = 17;        // Uno D10'a doğrudan / straight to Uno D10
4
5void setup() {
6  Serial.begin(115200);
7  Serial2.begin(9600, SERIAL_8N1, RX2_PIN, TX2_PIN);
8}
9
10void loop() {
11  if (Serial2.available()) {
12    String line = Serial2.readStringUntil('\n');
13    line.trim();
14    Serial.print("Uno: ");
15    Serial.println(line);
16    Serial2.print("OK ");      // 3,3 V çıkış Uno için yeterli / 3.3 V output is enough for the Uno
17    Serial2.println(line.length());
18  }
19}

Antes de cargar, mide el punto medio del divisor con el multímetro: con el Uno en marcha y sin enviar nada deberías ver unos 3,3 V, porque una línea UART en reposo está en HIGH. Si en el Monitor Serie del Uno aparece cada segundo una línea como "ESP32: OK 6", la comunicación funciona en ambos sentidos. A 9600 baudios un bit dura 104 µs, mientras que el retardo que introduce el divisor de 1 kΩ + 2 kΩ es de nanosegundos, así que la velocidad no es ningún problema.

Ejemplo: conectar un HC-SR04 a una Raspberry Pi Pico

El HC-SR04 solo funciona de forma fiable a 5 V. Si alimentas la Pico por USB, conecta el VCC del sensor al pin VBUS de la Pico (pin 40). La entrada TRIG detecta sin problemas el pulso de 3,3 V de la Pico, así que va directamente a GP15. ECHO, en cambio, devuelve un pulso de 5 V; una resistencia de 1 kΩ va entre ECHO y GP14, y otra de 2 kΩ entre GP14 y GND. El código mide la duración del pulso ECHO en microsegundos con time_pulse_us y la convierte en distancia con la velocidad del sonido en el aire (unos 343 m/s).

1# Raspberry Pi Pico + HC-SR04 (ECHO bölücüyle) / Raspberry Pi Pico + HC-SR04 (ECHO through a divider)
2# VCC -> VBUS (pin 40), GND -> GND, TRIG -> GP15, ECHO -> 1k -> GP14 -> 2k -> GND
3from machine import Pin, time_pulse_us
4import time
5
6trig = Pin(15, Pin.OUT)
7echo = Pin(14, Pin.IN)
8
9
10def distance_cm():
11    trig.value(0)
12    time.sleep_us(2)
13    trig.value(1)                      # 10 µs tetik darbesi / 10 µs trigger pulse
14    time.sleep_us(10)
15    trig.value(0)
16    t = time_pulse_us(echo, 1, 30000)  # en fazla 30 ms bekle / wait at most 30 ms
17    if t < 0:
18        return None                    # yankı yok / no echo
19    return t * 0.0343 / 2              # gidiş-dönüş / round trip
20
21
22while True:
23    d = distance_cm()
24    if d is None:
25        print("Olcum yok / No echo")
26    else:
27        print("Mesafe / Distance: {:.1f} cm".format(d))
28    time.sleep(0.5)

El convertidor de nivel bidireccional BSS138

La mayoría de las pequeñas placas que se venden como "convertidor de nivel lógico de 4 canales" llevan por canal un MOSFET de canal N BSS138 y dos resistencias pull-up de 10 kΩ. El circuito es muy sencillo: la puerta del MOSFET está unida a 3,3 V (LV), la fuente va al lado de baja tensión y el drenador al lado de alta tensión. Cada lado tiene su propia pull-up que lleva la línea a su alimentación. Este montaje está pensado para líneas de drenador abierto como el I2C, que solo llevan la línea a 0 y dejan el nivel 1 a las pull-up, y funciona solo en ambos sentidos; no hay ningún pin de dirección que indique qué lado habla.

1. Ambos lados en reposo: La puerta y la fuente del MOSFET están a 3,3 V, la tensión entre ellas es cero y el MOSFET está cortado. Cada lado queda en HIGH por su propia resistencia: el lado LV a 3,3 V y el lado HV a 5 V.
2. El lado de 3,3 V pone la línea a LOW: La fuente baja a 0 V; como la puerta sigue a 3,3 V, la tensión puerta-fuente pasa a 3,3 V y el MOSFET conduce. El lado HV también se lleva a LOW a través del MOSFET.
3. El lado de 5 V pone la línea a LOW: El diodo interno (body diode) del MOSFET conduce y baja la fuente a unos 0,7 V. Cuando la tensión puerta-fuente llega a unos 2,6 V, el MOSFET conduce del todo y el lado LV también queda totalmente en LOW.

Ejemplo: conectar un ESP32 a una LCD I2C de 5 V

Las LCD de caracteres 16x2 no dan suficiente contraste si no se alimentan a 5 V, y el módulo I2C PCF8574 de su parte trasera lleva SDA y SCL a 5 V con resistencias de 4,7 kΩ. Además, el umbral VIH del PCF8574 es de 0,7 × VCC, es decir, 3,5 V a 5 V; los 3,3 V del ESP32 quedan por debajo. Por eso, poner un convertidor BSS138 entre la LCD I2C y el ESP32 protege los pines y hace la comunicación fiable. La conexión es así: 3V3 del ESP32 a LV, VIN (5 V del USB) a HV y al VCC de la LCD, todos los GND unidos; GPIO 21 a LV1 y HV1 al SDA de la LCD; GPIO 22 a LV2 y HV2 al SCL de la LCD. Si el código de escaneo de abajo encuentra la LCD (normalmente en 0x27 o 0x3F), el convertidor funciona.

1// ESP32 I2C tarayıcı: BSS138 dönüştürücü üzerinden 5 V'luk cihazları bul
2// ESP32 I2C scanner: find 5 V devices through a BSS138 converter
3// GPIO 21 -> LV1 / HV1 -> SDA ; GPIO 22 -> LV2 / HV2 -> SCL ; 3V3 -> LV ; VIN (5 V) -> HV
4#include <Wire.h>
5
6const int SDA_PIN = 21;
7const int SCL_PIN = 22;
8
9void setup() {
10  Serial.begin(115200);
11  Wire.begin(SDA_PIN, SCL_PIN);
12  Wire.setClock(100000);       // 100 kHz, BSS138 için rahat hız / comfortable speed for the BSS138
13}
14
15void loop() {
16  int found = 0;
17  for (byte addr = 1; addr < 127; addr++) {
18    Wire.beginTransmission(addr);
19    if (Wire.endTransmission() == 0) {      // 0 = ACK, cihaz var / device present
20      Serial.printf("Cihaz / Device: 0x%02X\n", addr);
21      found++;
22    }
23  }
24  if (found == 0) Serial.println("Cihaz yok / No device found");
25  Serial.println("---");
26  delay(3000);
27}

Chips 74HCT: señales rápidas en un solo sentido

Cuando el divisor y el BSS138 se quedan cortos de velocidad, la solución profesional es un chip búfer. La serie 74HCT se alimenta a 5 V, pero sus entradas tienen umbrales compatibles con TTL (VIH = 2,0 V), así que ve sin problemas como HIGH la señal de 3,3 V del ESP32 o la Pico y entrega una señal de 5 V completa y con flancos limpios. El uso más habitual es la línea de datos de las tiras WS2812B: el pin del ESP32 va a la entrada de un 74AHCT125 y su salida, a través de una resistencia de 330 Ω, al DIN de la tira; el pin OE (habilitación) del 74AHCT125 se conecta a GND. Para el sentido contrario, es decir, bajar una señal rápida de 5 V a 3,3 V, se usa un 74LVC125 o 74LVC245 alimentado a 3,3 V; sus entradas soportan hasta 5,5 V independientemente de su alimentación.

¿Qué módulos funcionan directamente a 3,3 V?

La tabla siguiente resume si los módulos más usados en proyectos con ESP32 y Pico pueden conectarse a una placa de 3,3 V sin convertidor. Los módulos marcados con "Sí" puedes alimentarlos desde el pin 3V3 y conectar sus pines de señal directamente. Aun así, módulos vendidos con el mismo nombre pueden tener versiones distintas; mira si la placa lleva regulador o convertidor de niveles y, si dudas, mide con el multímetro la tensión del pin de señal con VCC conectado.

Errores frecuentes y cómo solucionarlos

La conversión de niveles lógicos suena técnica, pero se reduce a tres reglas: protege siempre una línea que va de 5 V a 3,3 V, revisa el umbral VIH del receptor en una línea que va de 3,3 V a 5 V y usa un BSS138 en líneas bidireccionales como el I2C. Con estas reglas puedes combinar sin problemas un Arduino, un ESP32 y una Pico en el mismo proyecto. En la app BlueGrays, cada conexión de los proyectos con ESP32 y Raspberry Pi Pico se explica con pines adecuados al nivel lógico de la placa y un esquema paso a paso.