Conversor de Nível Lógico: por que Usar?

Você sabia que existem dispositivos digitais que trabalham com sinais de 3,3V ao invés dos 5V já conhecidos do Arduino e que é necessário fazer a conversão lógica desses sinais para conseguirmos integrá-los sem o risco de danificar o componente? Isso é o que vamos mostrar no post de hoje!

Introdução

Nos circuitos digitais, um nível lógico é aquele que possui um número finito de estados que um sinal pode variar (0 - LOW ou 1 - HIGH). As tensões de sinal costumam ser de 3.3V ou 5V, valores esses que podem variar dependendo da tecnologia de fabricação (TTL - Lógica Transistor-Transistor ou CMOS - Lógica MOS Complementar), o que pode restringir o uso de alguns módulos e dispositivos. É importante salientar que circuitos que operam em 5V não podem se comunicar diretamente com circuitos que operam em 3.3V, já que existe o risco de queima caso ele não seja tolerante a essa tensão (na duvida, sempre consulte o datasheet). No caso de circuitos que operam seu sinal em 3.3V, a ligação em circuitos que operam em 5V não danificará nenhum dos dois circuitos, mas existem alguns dispositivos onde sua margem de sinal para ser considerado como nível lógico 1 está acima dos 3.3V, o que fará com que o sinal não seja interpretado. Tendo isso em mente, vamos te mostrar algumas maneiras práticas de fazer a conversão entre esses valores de sinal e aumentar ainda mais a sua gama de possibilidades para trabalhar com Arduino, ESP ou qualquer outro microcontrolador.

Conversores Unidirecionais e Bidirecionais

Existem basicamente dois tipos de conversores de nível lógico:

Conversores unidirecionais

São conversores simples que trabalham convertendo apenas da maior para a menor tensão. Os mais comumente utilizados são os divisores de tensão e os reguladores com diodo Zener. São circuitos que funcionam muito bem para comunicações seriais como UART e SPI, onde a transmissão e recepção dos dados acontecem em fios diferentes. Já em comunicações OneWire, como a I2C, apresentam baixa eficiência, já que a transmissão e recepção de dados é feita por um único fio. Vamos conhecer mais sobre cada um: - Divisor de tensão: Sabe aquele circuitinho à base de resistores que você usa no pino RX quando precisa conectar um módulo Bluetooth ao Arduino? Ele está atuando como um conversor de nível lógico, já que o módulo trabalha com 3.3V no RX e o Arduino envia 5V em seus pinos digitais. Como dito anteriormente, essa conversão é necessária para que não ocorra a queima do módulo de menor tensão e essa associação de resistores é uma maneira bem prática de se resolver o problema. Suas desvantagens incluem a necessidade de cálculo para encontrar os valores de resistor sempre que for necessária a conversão e principalmente a variação da tensão, já que nem sempre é possível encontrar resistores com valores iguais aos obtidos nos cálculos, sendo necessário fazer uso da aproximação, o que pode ser perigoso, já que um arredondamento para mais pode reduzir o valor da tensão e consequentemente causar erros de leitura. Do contrário, caso o valor seja arredondado para menos, existe o risco do aumento da tensão e consequentemente a queima do módulo de 3.3V. Veja abaixo a montagem do circuito divisor de tensão e a fórmula para o cálculo dos resistores: - Regulador Zener: Consiste num circuito que tem por base um diodo Zener inversamente polarizado, fazendo-o funcionar como um regulador de tensão. Sua principal vantagem em relação ao divisor de tensão está na possibilidade de se utilizar uma gama maior de resistores.

Conversores bidirecionais

Os conversores representam a maneira correta, segura e eficiente para se converter níveis lógicos. São circuitos dedicados, com seu funcionamento baseado em MOSFETs de canal N e resistores de pull-up, que permitem a conversão nos dois sentidos, seja de 5V para 3.3V ou de 3.3V para 5V. Seu funcionamento é relativamente simples. O circuito deve ser alimentado com as tensões de referência, tanto 5V como 3.3V. Os referenciais estão conectados aos resistores de pull-up e serão eles os responsáveis pela conversão, conforme o chaveamento do MOSFET. Veja a lógica de acionamento para cada uma das situações possíveis: - Nível 1, entrada 3.3V: Se um sinal HIGH é enviado no pino de 3.3V, que por sua vez está conectado ao pino Source do MOSFET, o mesmo não será acionado (note que o pino Gate do MOSFET está conectado à linha de 3.3V, logo não há diferença de potencial entre Source e Gate), fazendo com que o resistor de pull-up R2 conectado à linha de 5V seja o caminho mais fácil para o tráfego da corrente. -Nível 0, entrada 3.3V: Quando o nível lógico no Source for LOW, haverá diferença de potencial entre Source (0V) e Gate (3.3V) e o MOSFET entrará em condução, oferecendo um caminho de menor resistência para a corrente e essa, por sua vez, enviará um sinal LOW para o pino de saída. - Nível 1, entrada 5V: Ao receber um Sinal HIGH na entrada de 5V (Dreno), novamente não haverá diferença de potencial entre Source e Gate, já que o Gate continua conectado à linha de 3.3V, enquanto que o resistor de pull-up R1 envia os mesmos 3.3V à saída com tensão reduzida e ao Source. - Nível 0, entrada 5V: Quando o nível lógico no Dreno for LOW, o diodo interno do MOSFET será polarizado diretamente e o mesmo será acionado, novamente oferecendo um caminho de menor resistência à corrente e enviando o nível lógico LOW da entrada para a saída. Os conversores bidirecionais apresentam diversas vantagens, dentre elas podemos listar a possibilidade de serem utilizados em aplicações onde circuitos unidirecionais são tipicamente utilizados - mesmo sendo seu destaque em aplicações onde apenas um fio é utilizado tanto para enfio como para recebimento de informações, trabalho em altas frequências e a disposição de vários conversores em um único módulo. Em nossa loja temos um conversor bidirecional, na qual você consegue converter até 8 sinais simultâneos de maneira prática e rápida. Veja abaixo como efetuar as conexões nesse módulo: Nota: Este módulo não foi projetado para funcionar como regulador de tensão. Use-o apenas para conversão de dados!

Conclusão

Hoje você aprendeu sobre a utilização e a importância dos conversores de nível lógico, bem como as diferenças e características entre eles. Esperamos que tenha sido proveitoso e que as informações aqui contidas sirvam para ampliar seu conhecimento no fantástico mundo da eletrônica digital. Um forte abraço e até a próxima.

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Sobre o Autor

Samuel Martins @samuel.martins192 Cursando Eletroeletrônica no SENAI CETEL. Fanático por eletrônica, automação, impressão 3D e afins, dedico meu tempo livre a pesquisas e projetos ligados às principais áreas de interesse, pratico aeromodelismo e sou curioso por astrofotografia.