Convertisseur de niveau logique : relier 3,3 V et 5 V sans risque

Un convertisseur de niveau logique est un petit circuit qui permet à une carte en 3,3 V (ESP32, Raspberry Pi Pico, ESP8266) de dialoguer en sécurité avec une carte ou un module en 5 V (Arduino Uno, LCD I2C, HC-SR04, WS2812B). Relier une sortie 5 V directement à une broche 3,3 V peut l'abîmer lentement ou d'un coup ; dans l'autre sens, une entrée 5 V ne voit parfois même pas un signal 3,3 V comme un « 1 ». Savoir quand un convertisseur est nécessaire, et lequel suffit, fait disparaître les pannes mystérieuses de la moitié des projets à tensions mixtes.

Dans cet article, tu verras d'abord ce que signifient les seuils VIH et VIL et pourquoi les broches de l'ESP32 et du Pico ne supportent pas 5 V. Ensuite, nous verrons trois solutions avec des exemples : la conversion unidirectionnelle avec un pont diviseur à deux résistances, le convertisseur bidirectionnel à MOSFET BSS138 pour l'I2C, et les circuits 74HCT pour les signaux rapides comme le WS2812B ou le SPI. À la fin, un tableau indique quels modules fonctionnent directement en 3,3 V, suivi d'une liste d'erreurs fréquentes.

Que sont les niveaux logiques 3,3 V et 5 V ?

Une broche numérique ne connaît que 0 et 1, mais dans le monde réel la tension peut prendre n'importe quelle valeur entre 0 et l'alimentation. C'est pourquoi chaque fiche technique donne quatre seuils. VIH (entrée HIGH) est la tension la plus basse que l'entrée lit à coup sûr comme 1. VIL (entrée LOW) est la tension la plus haute lue à coup sûr comme 0. Entre les deux, la zone est indéterminée : la puce peut y lire 0 ou 1. Côté sortie, VOH est la tension minimale garantie quand la broche est à HIGH, et VOL la tension maximale garantie à LOW. Pour que deux puces dialoguent sans erreur, le VOH de l'émetteur doit rester nettement au-dessus du VIH du récepteur, et son VOL nettement sous le VIL du récepteur. L'article sur les portes logiques montre comment les portes décident avec ces seuils, et tu peux essayer dans l'outil portes logiques.

Le tableau mène à trois conclusions importantes. D'abord, la sortie HIGH d'un Uno 5 V (4,2–5 V) dépasse nettement la limite de 3,6 V de l'ESP32 et de 3,8 V du Pico : dans ce sens, la conversion est indispensable. Ensuite, la sortie HIGH 3,3 V de l'ESP32 franchit généralement le seuil VIH de 3,0 V de l'Uno, mais le VOH minimal garanti par la fiche technique n'est que de 2,64 V ; la liaison fonctionne donc souvent, mais devient limite quand le fil s'allonge ou que la broche est chargée. Enfin, une puce 74HC alimentée en 5 V, un expandeur I2C à seuil de 0,7 × VCC comme le PCF8574 ou une LED WS2812B ne considèrent pas de façon fiable comme HIGH une tension inférieure à 3,5 V ; pour eux, un signal 3,3 V est réellement insuffisant. La série 74HCT a un VIH de 2,0 V, c'est pourquoi elle est l'un des moyens les plus propres de passer de 3,3 V à 5 V.

Pourquoi les broches de l'ESP32 et du Pico ne supportent-elles pas 5 V ?

Chaque broche d'entrée d'une puce 3,3 V possède de petites diodes de protection qui la relient au rail 3,3 V et à GND. Elles sont conçues pour absorber des impulsions très brèves comme une décharge électrostatique, pas un courant permanent. Si tu appliques 5 V sur la broche, la diode du haut conduit et un courant circule de la source 5 V vers le rail 3,3 V. Si la résistance interne de la source est faible, ce courant atteint des dizaines de milliampères et détruit la diode et le circuit de la broche en les échauffant. S'il est plus faible, la broche ne meurt pas tout de suite, mais la puce s'use avec le temps, et le rail 3,3 V peut même être tiré vers le haut au point que la carte s'alimente par la broche : tu débranches le câble d'alimentation et la LED de l'ESP32 reste faiblement allumée. La fiche technique de l'ESP32 fixe pour les broches une limite d'alimentation + 0,3 V (environ 3,6 V), celle du RP2040 d'alimentation + 0,5 V (environ 3,8 V). « J'ai essayé une fois et ça n'a pas cassé » ne veut pas dire que la broche tolère 5 V.

De quoi as-tu besoin selon le cas ?

Conversion unidirectionnelle avec un pont diviseur (5 V → 3,3 V)

Le moyen le plus simple d'amener une sortie 5 V sur une entrée 3,3 V, ce sont deux résistances. Le signal entre par la résistance du haut R1, le point milieu va à la broche 3,3 V, et la résistance du bas R2 va à GND. La sortie vaut Vsortie = 5 V × R2 / (R1 + R2) ; avec R2 égale au double de R1, les 5 V tombent à 3,33 V. Le pont ne fonctionne que dans un sens, de la tension haute vers la basse : il ne convient donc pas aux lignes bidirectionnelles où le côté 3,3 V doit répondre. Sa vitesse est aussi limitée, car la résistance de sortie du pont forme avec la capacité de la broche un petit filtre RC qui arrondit les fronts. Pour choisir les valeurs, utilise le calculateur de pont diviseur, et pour l'explication complète, l'article sur le pont diviseur de tension.

Exemple : UART entre un Arduino Uno et un ESP32

Dans les projets où l'Uno lit les capteurs et où l'ESP32 envoie les données sur Internet par Wi-Fi, les deux cartes dialoguent en UART. Comme la ligne TX de l'Uno délivre 5 V, elle rejoint la broche RX de l'ESP32 par un pont de 1 kΩ + 2 kΩ. La ligne TX 3,3 V de l'ESP32 peut aller directement à la broche RX de l'Uno, car l'Uno considère comme HIGH tout ce qui dépasse 3,0 V. Pour laisser le port série USB de l'Uno (D0, D1) libre pour l'ordinateur, l'Uno utilise SoftwareSerial sur D10 et D11 ; sur l'ESP32, le deuxième port série matériel, Serial2, fonctionne sur GPIO 16 (RX) et 17 (TX). Les GND des deux cartes doivent impérativement être reliés.

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}

Avant de téléverser, mesure le point milieu du pont au multimètre : Uno en marche et sans émission, tu dois lire environ 3,3 V, car une ligne UART est à HIGH au repos. Si le moniteur série de l'Uno affiche chaque seconde une ligne comme « ESP32: OK 6 », la communication fonctionne dans les deux sens. À 9600 bauds, un bit dure 104 µs, alors que le retard introduit par le pont 1 kΩ + 2 kΩ se compte en nanosecondes ; la vitesse ne pose donc aucun problème.

Exemple : brancher un HC-SR04 sur un Raspberry Pi Pico

Le HC-SR04 ne fonctionne de manière fiable qu'en 5 V. Si tu alimentes le Pico par USB, relie le VCC du capteur à la broche VBUS du Pico (broche 40). L'entrée TRIG détecte sans problème l'impulsion 3,3 V du Pico et va donc directement sur GP15. ECHO renvoie en revanche une impulsion de 5 V : une résistance de 1 kΩ se place entre ECHO et GP14, et une de 2 kΩ entre GP14 et GND. Le code mesure la durée de l'impulsion ECHO en microsecondes avec time_pulse_us et la convertit en distance avec la vitesse du son dans l'air (environ 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)

Le convertisseur de niveau bidirectionnel BSS138

La plupart des petites cartes vendues comme « convertisseur de niveau logique 4 canaux » comportent, pour chaque canal, un MOSFET canal N BSS138 et deux résistances de tirage de 10 kΩ. Le circuit est d'une grande simplicité : la grille du MOSFET est reliée à 3,3 V (LV), la source au côté basse tension et le drain au côté haute tension. Chaque côté a sa propre résistance de tirage vers sa tension. Ce montage est conçu pour les lignes à drain ouvert comme l'I2C, qui ne font que tirer la ligne à 0 et laissent le niveau 1 aux résistances de tirage, et il fonctionne tout seul dans les deux sens ; aucune broche de direction n'indique quel côté parle.

1. Les deux côtés au repos : la grille et la source du MOSFET sont toutes deux à 3,3 V, la tension entre elles est nulle et le MOSFET est bloqué. Chaque côté est tiré à HIGH par sa propre résistance : le côté LV à 3,3 V, le côté HV à 5 V.
2. Le côté 3,3 V tire la ligne à LOW : la source descend à 0 V ; la grille restant à 3,3 V, la tension grille-source atteint 3,3 V et le MOSFET conduit. Le côté HV est tiré à LOW à travers le MOSFET.
3. Le côté 5 V tire la ligne à LOW : la diode interne (body diode) du MOSFET conduit et abaisse la source vers 0,7 V. Dès que la tension grille-source atteint environ 2,6 V, le MOSFET conduit pleinement et le côté LV passe lui aussi entièrement à LOW.

Exemple : relier un ESP32 à un LCD I2C 5 V

Les écrans LCD 16x2 à caractères n'offrent pas assez de contraste s'ils ne sont pas alimentés en 5 V, et le module I2C PCF8574 placé au dos tire SDA et SCL vers 5 V avec des résistances de 4,7 kΩ. De plus, le seuil VIH du PCF8574 vaut 0,7 × VCC, soit 3,5 V sous 5 V ; les 3,3 V de l'ESP32 restent en dessous. Placer un convertisseur BSS138 entre le LCD I2C et l'ESP32 protège donc les broches et fiabilise la communication. Le câblage est le suivant : 3V3 de l'ESP32 sur LV, VIN (5 V de l'USB) sur HV et sur le VCC du LCD, tous les GND reliés ; GPIO 21 sur LV1 et HV1 vers SDA du LCD ; GPIO 22 sur LV2 et HV2 vers SCL du LCD. Si le code de scan ci-dessous trouve l'écran (généralement à 0x27 ou 0x3F), le convertisseur fonctionne.

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}

Circuits 74HCT : signaux rapides unidirectionnels

Quand le pont et le BSS138 sont trop lents, la solution professionnelle est un circuit tampon. La série 74HCT s'alimente en 5 V, mais ses entrées ont des seuils compatibles TTL (VIH = 2,0 V) : elle reconnaît donc sans peine le signal 3,3 V d'un ESP32 ou d'un Pico comme HIGH et délivre un vrai signal 5 V aux fronts nets. L'usage le plus courant est la ligne de données des rubans WS2812B : la broche de l'ESP32 va à l'entrée d'un 74AHCT125, dont la sortie rejoint le DIN du ruban via une résistance de 330 Ω ; la broche OE (validation) du 74AHCT125 est reliée à GND. Pour le sens inverse, ramener un signal 5 V rapide à 3,3 V, on utilise un 74LVC125 ou un 74LVC245 alimenté en 3,3 V ; leurs entrées supportent jusqu'à 5,5 V quelle que soit leur propre alimentation.

Quels modules fonctionnent directement en 3,3 V ?

Le tableau ci-dessous indique si les modules les plus utilisés dans les projets ESP32 et Pico peuvent se brancher sans convertisseur sur une carte 3,3 V. Les modules marqués « Oui » s'alimentent par la broche 3V3 et leurs broches de signal se relient directement. Attention toutefois : des modules vendus sous le même nom existent en plusieurs versions ; regarde si la carte porte un régulateur ou un convertisseur de niveau et, en cas de doute, mesure au multimètre la tension de la broche de signal, VCC sous tension.

Erreurs fréquentes et solutions

La conversion de niveau logique paraît technique, mais elle se résume à trois règles : protège toujours une ligne qui va du 5 V vers le 3,3 V, vérifie le seuil VIH du récepteur sur une ligne qui va du 3,3 V vers le 5 V, et utilise un BSS138 sur les lignes bidirectionnelles comme l'I2C. Avec ces règles, tu peux réunir sans souci un Arduino, un ESP32 et un Pico dans le même projet. Dans l'application BlueGrays, chaque connexion des projets ESP32 et Raspberry Pi Pico est expliquée avec des broches adaptées au niveau logique de la carte et un schéma pas à pas.