Convertitore di livello logico: unire 3,3 V e 5 V in sicurezza

Un convertitore di livello logico è un piccolo circuito che permette a una scheda a 3,3 V (ESP32, Raspberry Pi Pico, ESP8266) di comunicare in sicurezza con una scheda o un modulo a 5 V (Arduino Uno, LCD I2C, HC-SR04, WS2812B). Collegare un'uscita a 5 V direttamente a un pin a 3,3 V può danneggiarlo lentamente o all'istante; nell'altra direzione, a volte un ingresso a 5 V non vede nemmeno un segnale a 3,3 V come un "1". Sapere quando serve un convertitore, e quale basta, elimina i guasti misteriosi di metà dei progetti a tensioni miste.

In questo articolo vedrai prima cosa significano le soglie VIH e VIL e perché i pin di ESP32 e Pico non reggono 5 V. Poi esamineremo tre soluzioni con esempi: la conversione in un solo senso con un partitore di tensione a due resistenze, il convertitore bidirezionale a MOSFET BSS138 per l'I2C e i chip 74HCT per segnali veloci come WS2812B o SPI. Alla fine trovi una tabella dei moduli che funzionano direttamente a 3,3 V e un elenco di errori comuni.

Cosa sono i livelli logici a 3,3 V e 5 V?

Un pin digitale conosce solo 0 e 1, ma nel mondo reale la tensione può assumere qualsiasi valore tra 0 e l'alimentazione. Per questo il datasheet di ogni chip indica quattro soglie. VIH (ingresso HIGH) è la tensione più bassa che l'ingresso legge con certezza come 1. VIL (ingresso LOW) è la tensione più alta letta con certezza come 0. La zona intermedia è indefinita: lì il chip può leggere sia 0 sia 1. In uscita, VOH è la tensione minima garantita dal pin quando è HIGH e VOL quella massima garantita quando è LOW. Perché due chip comunichino senza errori, il VOH del trasmettitore deve stare con margine sopra il VIH del ricevitore e il suo VOL con margine sotto il VIL del ricevitore. Come le porte decidono con queste soglie lo spiega l'articolo sulle porte logiche, e puoi provarlo nello strumento porte logiche.

Dalla tabella emergono tre conclusioni importanti. Primo, l'uscita HIGH di un Uno a 5 V (4,2–5 V) supera chiaramente il limite di 3,6 V dell'ESP32 e di 3,8 V del Pico: in quella direzione la conversione è obbligatoria. Secondo, l'uscita HIGH a 3,3 V dell'ESP32 di solito supera la soglia VIH di 3,0 V dell'Uno, ma il VOH minimo garantito dal datasheet è 2,64 V; il collegamento quindi spesso funziona, ma diventa al limite con cavi più lunghi o pin caricati. Terzo, un chip 74HC alimentato a 5 V, un espansore I2C con soglia 0,7 × VCC come il PCF8574 o un LED WS2812B non considerano HIGH in modo affidabile nulla sotto 3,5 V; per loro un segnale a 3,3 V davvero non basta. La serie 74HCT ha invece un VIH di 2,0 V, ed è per questo uno dei modi più puliti per passare da 3,3 V a 5 V.

Perché i pin di ESP32 e Pico non reggono 5 V?

Ogni pin d'ingresso di un chip a 3,3 V ha piccoli diodi di protezione che lo collegano alla linea dei 3,3 V e a GND. Sono pensati per assorbire impulsi brevissimi come una scarica elettrostatica, non una corrente continua. Se applichi 5 V al pin, il diodo superiore conduce e scorre corrente dalla sorgente a 5 V verso la linea dei 3,3 V. Se la resistenza interna della sorgente è bassa, la corrente arriva a decine di milliampere e distrugge il diodo e i circuiti del pin scaldandoli. Se è più piccola, il pin non muore subito, ma il chip si degrada nel tempo, e la linea dei 3,3 V può persino salire al punto che la scheda inizia ad alimentarsi dal pin: stacchi il cavo di alimentazione e il LED dell'ESP32 resta acceso debolmente. Il datasheet dell'ESP32 indica per i pin un limite di alimentazione + 0,3 V (circa 3,6 V), quello dell'RP2040 di alimentazione + 0,5 V (circa 3,8 V). "Ho provato una volta e non si è rotto" non significa che il pin sia tollerante ai 5 V.

Cosa serve in ciascun caso?

Conversione in un solo senso con partitore di tensione (5 V → 3,3 V)

Il modo più semplice per portare un'uscita a 5 V su un ingresso a 3,3 V sono due resistenze. Il segnale entra dalla resistenza superiore R1, il punto centrale va al pin a 3,3 V e la resistenza inferiore R2 va a GND. L'uscita è Vout = 5 V × R2 / (R1 + R2); con R2 doppia di R1, i 5 V scendono a 3,33 V. Il partitore funziona in un solo senso, dalla tensione più alta a quella più bassa, quindi non si può usare su linee bidirezionali in cui il lato a 3,3 V deve rispondere. Anche la velocità è limitata, perché la resistenza d'uscita del partitore forma con la capacità del pin un piccolo filtro RC che arrotonda i fronti. Per scegliere i valori usa il calcolatore del partitore di tensione, e per la spiegazione completa l'articolo sul partitore di tensione.

Esempio: UART tra un Arduino Uno e un ESP32

Nei progetti in cui l'Uno legge i sensori e l'ESP32 porta i dati su internet via Wi-Fi, le due schede comunicano via UART. Dato che la linea TX dell'Uno fornisce 5 V, arriva al pin RX dell'ESP32 tramite un partitore da 1 kΩ + 2 kΩ. La linea TX a 3,3 V dell'ESP32 può andare direttamente al pin RX dell'Uno, perché l'Uno considera HIGH tutto ciò che supera 3,0 V. Per lasciare libera la porta seriale USB dell'Uno (D0, D1) per il computer, sull'Uno si usa SoftwareSerial su D10 e D11; sull'ESP32 la seconda porta seriale hardware, Serial2, lavora su GPIO 16 (RX) e 17 (TX). I GND delle due schede devono essere collegati tra loro.

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}

Prima di caricare, misura il punto centrale del partitore con il multimetro: con l'Uno acceso e senza trasmissioni dovresti leggere circa 3,3 V, perché una linea UART a riposo è HIGH. Se nel Monitor seriale dell'Uno compare ogni secondo una riga come "ESP32: OK 6", la comunicazione funziona in entrambi i sensi. A 9600 baud un bit dura 104 µs, mentre il ritardo introdotto dal partitore da 1 kΩ + 2 kΩ è nell'ordine dei nanosecondi, quindi la velocità non è un problema.

Esempio: collegare un HC-SR04 a un Raspberry Pi Pico

L'HC-SR04 funziona in modo affidabile solo a 5 V. Se alimenti il Pico dalla USB, collega il VCC del sensore al pin VBUS del Pico (pin 40). L'ingresso TRIG riconosce senza problemi l'impulso a 3,3 V del Pico, quindi va direttamente a GP15. ECHO invece restituisce un impulso a 5 V; una resistenza da 1 kΩ va tra ECHO e GP14 e una da 2 kΩ tra GP14 e GND. Il codice misura la durata dell'impulso ECHO in microsecondi con time_pulse_us e la converte in distanza con la velocità del suono nell'aria (circa 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)

Il convertitore di livello bidirezionale BSS138

La maggior parte delle schedine vendute come "convertitore di livello logico a 4 canali" ha per ogni canale un MOSFET a canale N BSS138 e due resistenze di pull-up da 10 kΩ. Il circuito è semplicissimo: il gate del MOSFET è collegato a 3,3 V (LV), il source va al lato a bassa tensione e il drain al lato ad alta tensione. Ogni lato ha la propria pull-up che porta la linea alla sua alimentazione. Questa struttura è pensata per linee open-drain come l'I2C, che portano la linea solo a 0 e lasciano il livello 1 alle pull-up, e funziona da sola in entrambi i sensi; non c'è un pin di direzione che indichi quale lato sta parlando.

1. Entrambi i lati a riposo: gate e source del MOSFET sono entrambi a 3,3 V, la tensione tra loro è zero e il MOSFET è spento. Ogni lato è portato a HIGH dalla propria resistenza: il lato LV a 3,3 V, il lato HV a 5 V.
2. Il lato a 3,3 V porta la linea a LOW: il source scende a 0 V; dato che il gate resta a 3,3 V, la tensione gate-source diventa 3,3 V e il MOSFET conduce. Anche il lato HV viene portato a LOW attraverso il MOSFET.
3. Il lato a 5 V porta la linea a LOW: il diodo interno (body diode) del MOSFET conduce e porta il source a circa 0,7 V. Quando la tensione gate-source arriva a circa 2,6 V il MOSFET si accende completamente e anche il lato LV va del tutto a LOW.

Esempio: collegare un ESP32 a un LCD I2C a 5 V

Gli LCD a caratteri 16x2 non danno abbastanza contrasto se non sono alimentati a 5 V, e il modulo I2C PCF8574 sul retro porta SDA e SCL a 5 V con resistenze da 4,7 kΩ. In più la soglia VIH del PCF8574 è 0,7 × VCC, cioè 3,5 V a 5 V; i 3,3 V dell'ESP32 restano sotto. Per questo un convertitore BSS138 tra l'LCD I2C e l'ESP32 protegge i pin e rende affidabile la comunicazione. Il collegamento è questo: 3V3 dell'ESP32 a LV, VIN (5 V dalla USB) a HV e al VCC dell'LCD, tutti i GND uniti; GPIO 21 a LV1 e HV1 all'SDA dell'LCD; GPIO 22 a LV2 e HV2 all'SCL dell'LCD. Se il codice di scansione qui sotto trova l'LCD (di solito a 0x27 o 0x3F), il convertitore funziona.

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}

Chip 74HCT: segnali veloci in un solo senso

Quando partitore e BSS138 sono troppo lenti, la soluzione professionale è un chip buffer. La serie 74HCT si alimenta a 5 V, ma i suoi ingressi hanno soglie compatibili TTL (VIH = 2,0 V): riconosce quindi senza problemi come HIGH il segnale a 3,3 V di ESP32 o Pico e restituisce un segnale a 5 V pieno con fronti netti. L'uso più comune è la linea dati delle strisce WS2812B: il pin dell'ESP32 va all'ingresso di un 74AHCT125, la cui uscita arriva al DIN della striscia tramite una resistenza da 330 Ω; il pin OE (abilitazione) del 74AHCT125 va a GND. Per la direzione opposta, cioè portare un segnale veloce a 5 V a 3,3 V, si usa un 74LVC125 o 74LVC245 alimentato a 3,3 V; i loro ingressi reggono fino a 5,5 V indipendentemente dall'alimentazione.

Quali moduli funzionano direttamente a 3,3 V?

La tabella seguente riassume se i moduli più usati nei progetti con ESP32 e Pico si possono collegare a una scheda a 3,3 V senza convertitore. I moduli con "Sì" li puoi alimentare dal pin 3V3 e collegarne direttamente i pin di segnale. Tuttavia moduli venduti con lo stesso nome possono avere versioni diverse; controlla se sulla scheda c'è un regolatore o un convertitore di livello e, se hai dubbi, misura con il multimetro la tensione sul pin di segnale con VCC acceso.

Errori comuni e come risolverli

La conversione di livello logico sembra tecnica, ma si riduce a tre regole: proteggi sempre una linea che va da 5 V a 3,3 V, controlla la soglia VIH del ricevitore su una linea che va da 3,3 V a 5 V e usa un BSS138 sulle linee bidirezionali come l'I2C. Con queste regole puoi combinare senza problemi Arduino, ESP32 e Pico nello stesso progetto. Nell'app BlueGrays ogni collegamento dei progetti con ESP32 e Raspberry Pi Pico è spiegato con pin adatti al livello logico della scheda e uno schema passo passo.