KONWERTER poziomów 3,3V / TTL

Witam,

W związku z ogromnym wysypem ostatnimi czasy pytań i przeróżnych (dodam przedziwnych) niejednokrotnie pomysłów na konwersję napięć dla takich magistral prostych jak I2C albo UART pomiędzy dwoma urządzeniami zasilanymi różnym napięciem - postanowiłem opublikować na blogu w końcu schemat, albo schematy. No bo prościej już się nie da, a działa to niezawodnie i pewnie nawet na dla dużych transferów danych. W przypadku I2C spokojnie do 400 kHz i więcej, w przypadku zaś UART do 250000 bodów! Pomimo iż są to na prawdę znane rozwiązania, pomimo to, że jest ich pełno w internecie - to nie wiadomo wręcz skąd początkujący zawsze akurat znajdują tzw potworkowate rozwiązania. Nie będę pokazywał tutaj tych potworków aby nie mieszać w głowach - za to zaprezentuję jak można to zrobić tanio, dobrze i szybko. Nawet na płytce stykowej, nawet biorąc pod uwagę tylko elementy przewlekane, gdyby ktoś nie miał SMD albo nie potrafił lutować SMD, albo po prostu chciałby sobie to złożyć na zwykłej płytce stykowej na szybko.

Poniżej mega popularny schemat .... proponuję go stosować gdzie się da:

UWAGA! SOURCE (czyli źródło) tranzystora ZAWSZE podłączamy po tej stronie gdzie mamy niższe napięcie (na rysunkach niżej lewa strona). Natomiast DRAIN (czyli dren) tranzystora podłączamy po stronie wyższego napięcia. 

Jak widać można go stosować zarówno do I2C ale także do transmisji UART (RS232) .... a także wielu innych - np SPI i jeszcze innych. Zawsze bezpieczna i pewna metoda. Oczywiście można się tym posłużyć nawet dla innych zakresów napięć po obu stronach, nie tylko dla 3,3V i tylko dla 5V. Równie dobrze po jednej stronie może być napięcie np 1,8V a po drugiej 3,3V. Tylko w takim wypadku (szczególnie gdy mamy do czynienia z tak niskim napięciem jak 1,8V należy zmniejszyć po tej stronie rezystory podciągające do wartości nawet kilkaset ohm. W ogóle rezystory podane na schemacie można dobierać wg potrzeb. Najlepiej gdy mamy oscyloskop i w przypadku pracy z granicznie wysokim prędkościami - warto je czasem zmniejszyć do np 2,2K albo i 1K w miarę potrzeb.

-------------------------------------------
JAK TO DZIAŁA ?

rozpatrzymy górny schemat (po lewej RX a po prawej TX).  
R1, R2, R3 i Q1

1. tranzystor jest cały czas spolaryzowany napięciem dodatnim a więc WCIĄŻ PRZEWODZI (co w tym akurat przypadku nie jest istotne - jeśli omawiamy jednokierunkową transmisję Tx do Rx)
2. linia RX jest podciągnięta do VCC więc mamy wymuszony stan wysoki
3. jeśli na pinie TX jest stan NISKI to przewodzi wbudowana dioda i na RX też jest stan NISKI
4. jeśli na pinie TX jest stan WYSOKI to nie ma znaczenia ani tranzystor ani dioda, ale na RX też będzie stan WYSOKI dzięki temu że istnieje rezystor podciągający R2. Stan wysoki w standardzie 3,3V

weźmy pod uwagę dolny schemat (po lewej TX a po prawej RX). 
R4, R5, R6 i Q2

1. tranzystor jest cały czas spolaryzowany napięciem dodatnim a więc WCIĄŻ PRZEWODZI
2. linia RX jest podciągnięta do VCC więc mamy wymuszony stan wysoki
3. jeśli na pinie TX (po lewej) jest stan NISKI a tranzystor wciąż PRZEWODZI to co? to na pinie RX (po prawej) mamy także stan NISKI (dioda nie bierze udziału)
4. jeśli na pinie TX (po lewej) jest stan WYSOKI, to znowu tranzystor jest nieistotny, dioda też nieistotna - a na pinie RX (po prawiej) występuje stan WYSOKI dzięki temu że jest rezystor podciągający R6, i to stan wysoki TTL.

REASUMUJĄC - z opisów powyżej jasno wynika , że jest to układ DWUKIERUNKOWY, dzięki czemu może działać na takiej linii jak SDA (bo ona jest przecież linią przesyłającą dane w dwie strony)

-------------------------------------------

Przy okazji jeśli chcemy stosować konwersję TYLKO I WYŁĄCZNIE na potrzeby UART to schemat można jeszcze bardziej uprościć ku uciesze zapewne początkujących konstruktorów ;) Proszę bardzo rzućcie okiem poniżej:

Prawda, że zrobiło się miło ? ;) od razu mniej elementów czyli w tym wypadku rezystorów - więc mniej możliwości popełnienia błędu i większa jeszcze niezawodność działania. A gdyby tak iść na całość i zupełne ograniczenie na maxa - można nawet pozbyć się rezystorów sterujących tranzystorami - ponieważ są to mosfety sterowane napięciowo ;) czyli coś takiego:

Naturalnie dla schematu na samej górze także można się pozbyć w razie usilnej potrzeby uproszczenia do testów - tych rezystorów i zamiast użycia 6 sztuk wyjdą nam tylko 4 ! ;)

Przy okazji jak widzicie na schemacie pokazałem wam tranzystory BSS138 - warto się w nie zaopatrzyć i mieć je zawsze pod ręką. Tyle że są to tranzystory SMD, więc do stykówki nadają się jak pięść do oka ;) .... ale co za problem ? podałem wam też na każym schemacie odpowiednik tranzystora przewlekanego w obudowie TO92 ! więc taki już do stykówki się nadaje. Także wato się w nie zaopatrzyć ... zawsze się przydadzą - zamiast np tranzystorków NPN ;) Można powiedzieć, że są to wręcz ich odpowiedniki tyle że wykonane w innej technologii.

------------------------------------------------------------------

To tyle - chociaż hmmm mówiłem na początku, że nie pokażę wam koszmarków - ale nie mogę wytrzymać - spójrzcie co ludzie potrafią wymyślić ;) - pokażę tylko schemat ... wprawdzie użyto tranzystorów BSS138 i super, wprawdzie jest to konwerter aż dwu-kanałowy - super .... ale nagle ! BABOL !... dla linii TX konwersja na tranzystorze a dla RX na ???? .... na dzielniku rezystorowym - masakra ... Wystarczy sobie porównać przebiegi sygnałów na oscyloskopie wtedy na tych dwóch liniach. Owszem - może dla ślimaczych prędkości uart np 240 bodów to się sprawdzi :) (troszkę przesadzam sprawdzi się to pewnie nawet dla 9600, ale kto wie co będzie z większymi - poza tym jak już robić taką kosmiczną płytkę to po co oszczędzać na tak małych i tanich tranzystorkach - kosztem tragicznego pogorszenia się sygnału :( W efekcie końcowym jak się uprzeć to można skorzystać z tego dwukanałowca jako z jednokanałowca i będzie ok ... tylko czy jest sens tak robić ?

Inny przykład koszmarka, który wprawdzie będzie działać - jakby z technicznego punktu widzenia nie ma jakichś wad - ale jak się spojrzy z kolei na ilość elementów - to aż dreszcz przechodzi po plecach , udach , kostkach i podeszwach ;)

Jedyne wytłumaczenie dla tego koszmarka to ew fakt, że użyte zostały tutaj zwykłe tranzystory bipolarne a nie mosfety. Czyli niektórzy mogą powiedzieć, że nie mają mosfetów a za to dużo wala im się po szufladach zwykłych tranzystorów no to proszę - nie ma sprawy - wtedy można korzystać z rozwiązania dla masochistów ;) Ja bym wolał sobie kupić 2N7000 ;) albo BSS138.