Lojik Seviye Dönüştürücü: 3,3 V ve 5 V Arasında Güvenli Bağlantı

Lojik seviye dönüştürücü, 3,3 V ile çalışan bir kartın (ESP32, Raspberry Pi Pico, ESP8266) 5 V ile çalışan bir kart ya da modülle (Arduino Uno, I2C LCD, HC-SR04, WS2812B) güvenle konuşmasını sağlayan küçük bir devredir. 5 V'luk bir çıkışı doğrudan 3,3 V'luk bir pine bağlamak pini yavaş yavaş ya da bir anda bozabilir; ters yönde ise 3,3 V'luk sinyal 5 V'luk girişin gözünde bazen "1" olarak bile görünmez. Hangi durumda dönüştürücü gerektiğini, hangisinin yeterli olduğunu bilmek, karışık gerilimli projelerin yarısındaki gizemli hataları ortadan kaldırır.

Bu yazıda önce VIH ve VIL eşiklerinin ne anlama geldiğini ve ESP32 ile Pico pinlerinin neden 5 V'a dayanmadığını göreceksin. Sonra üç çözümü örnekleriyle inceleyeceğiz: iki dirençli gerilim bölücüyle tek yönlü dönüşüm, I2C için BSS138 MOSFET'li çift yönlü dönüştürücü ve WS2812B ya da SPI gibi hızlı sinyaller için 74HCT entegreleri. En sonda hangi modülün 3,3 V ile doğrudan çalıştığını gösteren bir tablo ve sık yapılan hataların listesi var.

3,3 V ve 5 V lojik seviyeleri nedir?

Dijital bir pin yalnızca 0 ve 1 bilir, ama gerçek dünyada gerilim 0 ile besleme arasında herhangi bir değer olabilir. Bu yüzden her yonganın veri sayfası dört eşik verir. VIH (giriş HIGH), girişin kesin olarak 1 kabul ettiği en düşük gerilimdir. VIL (giriş LOW), kesin 0 kabul edilen en yüksek gerilimdir. Arada kalan bölge belirsizdir: yonga bu gerilimde 0 da okuyabilir, 1 de. Çıkış tarafında VOH, pinin HIGH verirken garanti ettiği en düşük gerilim, VOL ise LOW verirken garanti ettiği en yüksek gerilimdir. İki yonganın sorunsuz konuşabilmesi için gönderenin VOH değeri alıcının VIH değerinin, gönderenin VOL değeri de alıcının VIL değerinin güvenli tarafında kalmalıdır. Kapıların bu eşiklerle nasıl karar verdiğini mantık kapıları yazısında ve mantık kapısı aracında deneyebilirsin.

Tablodan üç önemli sonuç çıkar. Birincisi, 5 V'luk bir Uno'nun HIGH çıkışı (4,2–5 V) ESP32'nin 3,6 V'luk ve Pico'nun 3,8 V'luk sınırını açıkça aşar; bu yönde mutlaka dönüştürme gerekir. İkincisi, ESP32'nin 3,3 V'luk HIGH çıkışı Uno'nun 3,0 V'luk VIH eşiğini genellikle geçer, ama veri sayfasının garanti ettiği en düşük VOH 2,64 V'tur; yani bağlantı çoğu zaman çalışır, ama kablo uzadıkça ya da pin yüklendikçe sınırda kalır. Üçüncüsü, 5 V ile beslenen bir 74HC yongası, PCF8574 gibi 0,7 × VCC eşikli bir I2C genişletici ya da WS2812B LED, 3,5 V'un altını güvenle HIGH saymaz; 3,3 V sinyal bu yongalar için gerçekten yetersizdir. 74HCT serisinin VIH değeri ise 2,0 V'tur; bu yüzden 3,3 V'u 5 V'a çevirmenin en temiz yollarından biridir.

ESP32 ve Pico pinleri neden 5 V kaldırmaz?

3,3 V'luk yongaların her giriş pininde, pini 3,3 V hattına ve GND'ye bağlayan küçük koruma diyotları bulunur. Bu diyotlar statik elektrik gibi çok kısa darbeleri yutmak için tasarlanmıştır, sürekli akım için değil. Pine 5 V uyguladığında üstteki diyot iletime geçer ve 5 V kaynağından 3,3 V hattına doğru bir akım akar. Kaynağın iç direnci küçükse bu akım onlarca miliampere çıkar, diyotu ve pinin çevresindeki devreyi ısıtarak bozar. Akım daha küçükse pin hemen ölmez ama yonga zamanla yıpranır, hatta 3,3 V hattı yukarı itilerek kart pinden beslenmeye başlar: güç kablosunu çektiğin halde ESP32'nin LED'i sönük yanmaya devam eder. ESP32'nin veri sayfası pinler için en fazla besleme + 0,3 V (yaklaşık 3,6 V), RP2040'ınki besleme + 0,5 V (yaklaşık 3,8 V) sınırını verir. Pratikte "bir kez denedim, bozulmadı" demek, pinin 5 V'a dayanıklı olduğu anlamına gelmez.

Hangi durumda ne gerekir?

Gerilim bölücü ile tek yönlü dönüşüm (5 V → 3,3 V)

5 V'luk bir çıkışı 3,3 V'luk bir girişe taşımanın en basit yolu iki dirençtir. Sinyal üstteki R1'den girer, orta nokta 3,3 V'luk pine gider, alttaki R2 GND'ye bağlanır. Çıkış Vout = 5 V × R2 / (R1 + R2) olur; R2'nin R1'in iki katı olması 5 V'u 3,33 V'a indirir. Bölücü tek yönlüdür: yalnızca yüksek gerilimden düşüğe çalışır ve 3,3 V tarafının cevap vermesi gereken çift yönlü hatlarda kullanılamaz. Ayrıca hızı sınırlıdır, çünkü bölücünün çıkış direnci pinin kapasitansıyla birlikte küçük bir RC filtresi oluşturur ve sinyalin kenarlarını yuvarlar. Değerleri seçerken gerilim bölücü hesaplayıcısını, ayrıntılı anlatım için gerilim bölücü yazısını kullanabilirsin.

Örnek: Arduino Uno ile ESP32 arasında UART

Uno'nun sensörleri okuyup ESP32'nin Wi-Fi ile internete taşıdığı projelerde iki kart UART ile konuşur. Uno'nun TX hattı 5 V verdiği için ESP32'nin RX pinine 1 kΩ + 2 kΩ bölücüyle gider. ESP32'nin 3,3 V'luk TX hattı ise Uno'nun RX pinine doğrudan bağlanabilir, çünkü Uno 3,0 V'un üstünü HIGH sayar. Uno'nun USB seri portu (D0, D1) bilgisayara bağlı kalsın diye Uno tarafında SoftwareSerial ile D10 ve D11 kullanılır; ESP32'de ise ikinci donanım seri portu Serial2, GPIO 16 (RX) ve 17 (TX) üzerinde çalışır. İki kartın GND'si mutlaka birbirine bağlanmalıdır.

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}

Yüklemeden önce bölücünün orta noktasını multimetreyle ölç: Uno çalışırken ve hiçbir şey göndermezken UART hattı boşta HIGH kaldığı için yaklaşık 3,3 V görmelisin. Uno'nun Seri Monitör'ünde her saniye "ESP32: OK 6" gibi bir satır görüyorsan iletişim iki yönde de çalışıyor demektir. 9600 baud'da bir bit 104 µs sürer; 1 kΩ + 2 kΩ'luk bölücünün oluşturduğu gecikme ise nanosaniyeler mertebesindedir, yani hız açısından hiçbir sorun yoktur.

Örnek: HC-SR04'ü Raspberry Pi Pico'ya bağlamak

HC-SR04 ancak 5 V ile güvenilir çalışır. Pico'yu USB'den besliyorsan sensörün VCC'sini Pico'nun VBUS pinine (pin 40) bağla. TRIG girişi Pico'nun 3,3 V'luk darbesini sorunsuz algılar, bu yüzden GP15'e doğrudan gider. ECHO ise 5 V'luk bir darbe döndürür; 1 kΩ'luk direnç ECHO ile GP14 arasına, 2 kΩ'luk direnç GP14 ile GND arasına girer. Kod, ECHO darbesinin süresini time_pulse_us ile mikrosaniye cinsinden ölçer ve sesin havadaki hızıyla (yaklaşık 343 m/s) mesafeye çevirir.

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)

BSS138 çift yönlü seviye dönüştürücü

Piyasada "4 kanal lojik seviye dönüştürücü" adıyla satılan küçük kartların çoğunda her kanal için bir BSS138 N kanallı MOSFET ve iki adet 10 kΩ pull-up direnci vardır. Devre son derece basittir: MOSFET'in gate'i 3,3 V'a (LV) bağlıdır, source ucu düşük gerilim tarafına, drain ucu yüksek gerilim tarafına gider. Her iki tarafın kendi pull-up direnci hattı kendi beslemesine çeker. Bu yapı, hattı yalnızca 0'a çeken ve 1 seviyesini pull-up dirençlerine bırakan I2C gibi açık akaçlı hatlar için tasarlanmıştır ve iki yönde de kendiliğinden çalışır; hangi tarafın konuştuğunu bildiren bir yön pini yoktur.

1. İki taraf da boşta: MOSFET'in gate ve source uçları 3,3 V'tadır, aradaki gerilim sıfırdır ve MOSFET kapalıdır. Her iki taraf kendi pull-up direnciyle HIGH olur: LV tarafı 3,3 V, HV tarafı 5 V.
2. 3,3 V tarafı LOW'a çeker: Source 0 V'a iner, gate 3,3 V'ta kaldığı için gate-source gerilimi 3,3 V olur ve MOSFET iletime geçer. HV tarafı da MOSFET üzerinden LOW'a çekilir.
3. 5 V tarafı LOW'a çeker: MOSFET'in içindeki gövde diyodu iletime geçer ve source'u yaklaşık 0,7 V'a çeker. Gate-source gerilimi yaklaşık 2,6 V'a çıkınca MOSFET tamamen açılır ve LV tarafı da tam LOW olur.

Örnek: ESP32'yi 5 V'luk I2C LCD'ye bağlamak

16x2 karakter LCD'ler 5 V ile beslenmeden yeterli kontrast vermez ve arkalarındaki PCF8574 I2C modülü SDA ile SCL'yi 4,7 kΩ'luk dirençlerle 5 V'a çeker. Üstelik PCF8574'ün VIH eşiği 0,7 × VCC, yani 5 V'ta 3,5 V'tur; ESP32'nin 3,3 V'u bu eşiğin altında kalır. Bu yüzden I2C LCD ile ESP32 arasında BSS138'li bir dönüştürücü kullanmak hem pinleri korur hem de iletişimi güvenilir kılar. Bağlantı şöyledir: ESP32'nin 3V3 pini LV'ye, VIN (USB'den gelen 5 V) pini HV'ye ve LCD'nin VCC'sine, GND'ler ortak; GPIO 21 LV1'e, HV1 LCD'nin SDA'sına; GPIO 22 LV2'ye, HV2 LCD'nin SCL'sine. Aşağıdaki tarayıcı kodu LCD'yi buluyorsa (genellikle 0x27 ya da 0x3F) dönüştürücü doğru çalışıyordur.

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}

74HCT entegreleri: hızlı tek yönlü sinyaller

Bölücü ve BSS138 yavaş kaldığında işin profesyonel çözümü tampon entegreleridir. 74HCT serisi 5 V ile beslenir ama girişlerinin eşiği TTL uyumludur (VIH = 2,0 V); yani ESP32'nin ya da Pico'nun 3,3 V'luk sinyalini rahatça HIGH olarak görür ve çıkışta tam 5 V'luk, keskin kenarlı bir sinyal üretir. En yaygın kullanım, WS2812B şeritlerin veri hattıdır: ESP32'nin pini 74AHCT125'in girişine, çıkışı ise 330 Ω'luk bir direnç üzerinden şeridin DIN ucuna gider; 74AHCT125'in OE (etkinleştirme) pini GND'ye bağlanır. Ters yön için, yani 5 V'luk hızlı bir sinyali 3,3 V'a indirmek için 3,3 V ile beslenen 74LVC125 ya da 74LVC245 kullanılır; bu yongaların girişleri, kendi beslemelerinden bağımsız olarak 5,5 V'a kadar dayanır.

Hangi modül 3,3 V ile doğrudan çalışır?

Aşağıdaki tablo, ESP32 ve Pico projelerinde en sık kullanılan modüllerin 3,3 V'luk bir karta dönüştürücüsüz bağlanıp bağlanamayacağını özetler. "Evet" yazan modülleri 3V3 pininden besleyip sinyal pinlerini doğrudan bağlayabilirsin. Yine de aynı adla satılan modüllerin farklı sürümleri olabilir; kartın üzerinde regülatör ya da seviye dönüştürücü olup olmadığına bak ve emin değilsen VCC açıkken sinyal pinindeki gerilimi multimetreyle ölç.

Sık yapılan hatalar ve çözümleri

Lojik seviye dönüştürme, kulağa teknik gelse de üç kurala iner: 5 V'tan 3,3 V'a giden hatta mutlaka bir önlem al, 3,3 V'tan 5 V'a giden hatta alıcının VIH eşiğine bak, I2C gibi çift yönlü hatlarda BSS138 kullan. Bu kurallarla Arduino, ESP32 ve Pico'yu aynı projede rahatça bir araya getirebilirsin. BlueGrays uygulamasındaki ESP32 ve Raspberry Pi Pico projelerinde her bağlantı, kartın lojik seviyesine uygun pinlerle ve adım adım devre şemasıyla anlatılır.