Conversor de nível lógico: conecte dispositivos de 3,3 V e 5 V com segurança

Um conversor de nível lógico é um pequeno circuito que permite que uma placa que opera com 3,3 V (ESP32, Raspberry Pi Pico, ESP8266) se comunique com segurança com uma placa ou módulo que opera com 5 V (Arduino Uno, LCD I2C, HC-SR04, WS2812B). Conectar uma saída de 5 V diretamente a um pino de 3,3 V pode danificar o pino aos poucos ou instantaneamente; no sentido contrário, um sinal de 3,3 V às vezes nem é reconhecido como “1” por uma entrada de 5 V. Saber quando você precisa de um conversor e qual é suficiente elimina as falhas misteriosas de metade dos projetos que combinam tensões diferentes.

Neste artigo, você vai primeiro entender o que significam os limiares VIH e VIL e por que os pinos do ESP32 e do Pico não toleram 5 V. Depois, veremos três soluções com exemplos: conversão unidirecional com um divisor de tensão de dois resistores, um conversor bidirecional com MOSFET BSS138 para I2C e chips 74HCT para sinais rápidos, como WS2812B ou SPI. No final, há uma tabela com os módulos que funcionam diretamente com 3,3 V e uma lista de erros comuns.

O que são níveis lógicos de 3,3 V e 5 V?

Um pino digital só conhece 0 e 1, mas, no mundo real, a tensão pode ter qualquer valor entre 0 e a tensão de alimentação. Por isso, o datasheet de cada chip apresenta quatro limiares. VIH (entrada em HIGH) é a menor tensão que a entrada garante reconhecer como 1. VIL (entrada em LOW) é a maior tensão que ela garante reconhecer como 0. A região entre esses valores é indefinida: o chip pode ler 0 ou 1 nela. No lado da saída, VOH é a menor tensão que o pino garante ao fornecer HIGH, e VOL é a maior tensão que ele garante ao fornecer LOW. Para que dois chips se comuniquem de forma confiável, o VOH do transmissor deve ficar com uma margem segura acima do VIH do receptor, e o VOL do transmissor com uma margem segura abaixo do VIL do receptor. Você pode ver como as portas tomam decisões com esses limiares no artigo sobre portas lógicas e experimentá-las na ferramenta Portas lógicas.

A tabela permite tirar três conclusões importantes. Primeiro, a saída HIGH de um Uno de 5 V (4,2–5 V) ultrapassa claramente o limite de 3,6 V do ESP32 e de 3,8 V do Pico, então a conversão nesse sentido é obrigatória. Segundo, a saída HIGH de 3,3 V do ESP32 normalmente supera o limiar VIH de 3,0 V do Uno, mas o menor VOH garantido pelo datasheet é de 2,64 V; por isso, a conexão costuma funcionar, mas fica no limite à medida que o fio fica mais longo ou que a carga no pino aumenta. Terceiro, um chip 74HC alimentado com 5 V, um expansor I2C com limiar de 0,7 × VCC, como o PCF8574, ou um LED WS2812B não reconhece de forma confiável como HIGH um valor abaixo de 3,5 V; para esses chips, um sinal de 3,3 V realmente não basta. A série 74HCT tem VIH de 2,0 V, por isso é uma das formas mais simples e confiáveis de converter 3,3 V em 5 V.

Por que os pinos do ESP32 e do Pico não toleram 5 V?

Cada pino de entrada de um chip de 3,3 V tem pequenos diodos de proteção que conectam o pino à linha de 3,3 V e ao GND. Eles foram projetados para absorver pulsos muito curtos, como descargas estáticas, e não corrente contínua. Quando você aplica 5 V ao pino, o diodo superior conduz e a corrente flui da fonte de 5 V para a linha de 3,3 V. Se a resistência interna da fonte for baixa, essa corrente chega a dezenas de miliampères e destrói o diodo e os circuitos ao redor do pino por aquecimento. Se a corrente for menor, o pino não para de funcionar imediatamente, mas o chip se degrada com o tempo, e a tensão da linha de 3,3 V pode até subir, fazendo a placa começar a se alimentar pelo pino: você desconecta o cabo de alimentação e o LED do ESP32 continua aceso com brilho fraco. O datasheet do ESP32 especifica um limite para o pino de alimentação + 0,3 V (cerca de 3,6 V), e o do RP2040, de alimentação + 0,5 V (cerca de 3,8 V). “Testei uma vez e não queimou” não significa que o pino tolera 5 V.

O que você precisa em cada caso?

Conversão unidirecional com divisor de tensão (5 V → 3,3 V)

A forma mais simples de levar uma saída de 5 V a uma entrada de 3,3 V usa dois resistores. O sinal entra pelo resistor superior R1, o ponto intermediário vai ao pino de 3,3 V e o resistor inferior R2 vai ao GND. A saída é Vout = 5 V × R2 / (R1 + R2); usar R2 com o dobro do valor de R1 reduz 5 V para 3,33 V. Um divisor só funciona em um sentido: da tensão mais alta para a mais baixa, então não pode ser usado em linhas bidirecionais nas quais o lado de 3,3 V precisa responder. Sua velocidade também é limitada, porque a resistência de saída do divisor forma um pequeno filtro RC com a capacitância do pino e arredonda as bordas do sinal. Use a calculadora de divisor de tensão para escolher os valores e veja a explicação completa no artigo sobre divisor de tensão.

Exemplo: UART entre um Arduino Uno e um ESP32

Em projetos nos quais o Uno lê os sensores e o ESP32 envia os dados à internet por Wi-Fi, as duas placas se comunicam por UART. Como a linha TX do Uno fornece 5 V, ela se conecta ao pino RX do ESP32 por um divisor de 1 kΩ + 2 kΩ. A linha TX de 3,3 V do ESP32 pode ir diretamente ao pino RX do Uno, pois o Uno reconhece qualquer valor acima de 3,0 V como HIGH. Para deixar a porta serial USB do Uno (D0, D1) livre para o computador, o lado do Uno usa SoftwareSerial em D10 e D11; no ESP32, a segunda porta serial de hardware, Serial2, usa GPIO 16 (RX) e 17 (TX). Os GNDs das duas placas devem ser conectados entre si.

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 carregar o código, meça o ponto intermediário do divisor com um multímetro: com o Uno ligado e sem enviar nada, você deve medir cerca de 3,3 V, porque uma linha UART fica em HIGH quando está ociosa. Se o Monitor Serial do Uno mostrar uma linha como “ESP32: OK 6” a cada segundo, a comunicação está funcionando nos dois sentidos. A 9600 baud, um bit dura 104 µs, enquanto o atraso introduzido pelo divisor de 1 kΩ + 2 kΩ está na faixa dos nanossegundos, então a velocidade não é motivo de preocupação.

Exemplo: conectar um HC-SR04 a um Raspberry Pi Pico

O HC-SR04 só funciona de forma confiável com 5 V. Se você alimenta o Pico por USB, conecte o VCC do sensor ao pino VBUS do Pico (pino 40). A entrada TRIG reconhece o pulso de 3,3 V do Pico sem problemas, então vai diretamente ao GP15. ECHO, porém, retorna um pulso de 5 V; conecte um resistor de 1 kΩ entre ECHO e GP14 e um resistor de 2 kΩ entre GP14 e GND. O código mede a duração do pulso ECHO em microssegundos com time_pulse_us e a converte em distância usando a velocidade do som no ar (cerca de 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)

O conversor de nível bidirecional BSS138

A maioria das pequenas placas vendidas como “conversores de nível lógico de 4 canais” tem um MOSFET de canal N BSS138 e dois resistores de pull-up de 10 kΩ por canal. O circuito é extremamente simples: o gate do MOSFET está ligado a 3,3 V (LV), seu terminal fonte vai ao lado de baixa tensão e seu dreno ao lado de alta tensão. O resistor de pull-up de cada lado eleva a linha até a tensão de alimentação daquele lado. Essa configuração foi projetada para linhas de dreno aberto, como I2C, que apenas levam a linha a 0 e deixam o nível 1 a cargo dos resistores de pull-up, e funciona nos dois sentidos automaticamente; não há um pino de direção indicando qual lado está transmitindo.

1. Os dois lados ociosos: O gate e o terminal fonte do MOSFET estão ambos em 3,3 V, a tensão entre eles é zero e o MOSFET está desligado. Cada lado é levado a HIGH pelo próprio resistor: o lado LV a 3,3 V e o lado HV a 5 V.
2. O lado de 3,3 V leva a linha a LOW: O terminal fonte cai para 0 V; como o gate permanece em 3,3 V, a tensão entre gate e fonte passa a ser de 3,3 V e o MOSFET liga. O lado HV é levado a LOW pelo MOSFET.
3. O lado de 5 V leva a linha a LOW: O diodo de corpo dentro do MOSFET conduz e reduz a tensão do terminal fonte para cerca de 0,7 V. Quando a tensão entre gate e fonte chega a cerca de 2,6 V, o MOSFET liga completamente e o lado LV também vai totalmente a LOW.

Exemplo: conectar um ESP32 a um LCD I2C de 5 V

Os LCDs de 16x2 caracteres não oferecem contraste suficiente se não forem alimentados com 5 V, e o módulo adaptador I2C PCF8574 na parte traseira eleva SDA e SCL a 5 V com resistores de 4,7 kΩ. Além disso, o limiar VIH do PCF8574 é de 0,7 × VCC, ou seja, 3,5 V com alimentação de 5 V; os 3,3 V do ESP32 ficam abaixo desse valor. Por isso, usar um conversor BSS138 entre o LCD I2C e o ESP32 protege os pinos e torna a comunicação confiável. Faça as conexões assim: pino 3V3 do ESP32 em LV, pino VIN (5 V do USB) em HV e no VCC do LCD, todos os GNDs juntos; GPIO 21 em LV1 e HV1 no SDA do LCD; GPIO 22 em LV2 e HV2 no SCL do LCD. Se o código do scanner abaixo encontrar o LCD (normalmente em 0x27 ou 0x3F), o conversor está funcionando.

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: sinais rápidos em um só sentido

Quando um divisor ou um BSS138 é lento demais, a solução profissional é um chip buffer. A série 74HCT opera com 5 V, mas seu limiar de entrada é compatível com TTL (VIH = 2,0 V), então reconhece facilmente o sinal de 3,3 V de um ESP32 ou Pico como HIGH e fornece um sinal completo de 5 V com bordas bem definidas. O uso mais comum é a linha de dados de fitas WS2812B: o pino do ESP32 vai à entrada de um 74AHCT125, e sua saída passa por um resistor de 330 Ω até o DIN da fita; o pino OE (habilitação) do 74AHCT125 é ligado ao GND. Para o sentido contrário, reduzindo um sinal rápido de 5 V para 3,3 V, você usa um 74LVC125 ou 74LVC245 alimentado com 3,3 V; as entradas desses chips toleram até 5,5 V, independentemente da própria alimentação.

Quais módulos funcionam diretamente com 3,3 V?

A tabela abaixo resume se os módulos mais usados em projetos com ESP32 e Pico podem ser conectados a uma placa de 3,3 V sem conversor. Você pode alimentar os módulos marcados com “Sim” pelo pino 3V3 e conectar seus pinos de sinal diretamente. Ainda assim, módulos vendidos com o mesmo nome podem ter versões diferentes; verifique se a placa tem regulador ou conversor de nível e, em caso de dúvida, meça a tensão no pino de sinal com um multímetro enquanto o VCC estiver alimentado.

Erros comuns e como corrigi-los

A conversão de nível lógico pode parecer técnica, mas se resume a três regras: sempre proteja uma linha que vai de 5 V para 3,3 V, verifique o limiar VIH do receptor em uma linha que vai de 3,3 V para 5 V e use um BSS138 em linhas bidirecionais, como I2C. Com essas regras, você pode combinar tranquilamente um Arduino, um ESP32 e um Pico no mesmo projeto. No app BlueGrays, cada conexão dos projetos com ESP32 e Raspberry Pi Pico é explicada com pinos compatíveis com o nível lógico da placa e um diagrama de fiação passo a passo.