../../icons/Logo.pngPraktische Elektronik

Logikpegel wandeln

Welche Technologien passen zueinander

Wir schließen den Eingang eines Gatters einer Technologie an den Ausgang eines Gatters einer anderen Technologie an.

Die wichtigste Regel besagt:

  • Schließe niemals den Eingang eines Gatters an den Ausgang eines Gatters mit einer höheren Versorgungsspannung an. Punkt
  • Für uns heißt das: Ein Gatter an 3,3V nicht an Gatter mit 5V anschließen.
  • Dafür werden spezielle Pegelwandler benötigt.

Wie sieht es mit 5V Gatter an 3,3V Gatter aus bzw. 3,3V an 3,3V aus.

  • Alle 5V-TTL und 3,3V-LVT Eingänge können an 3,3V-LVT und 3,3V-CMOS Ausgänge angeschlossen werden.
  • 5V-CMOS passt nur an 5V-CMOS - sowohl Ein- als auch Ausgänge.
  • Eingänge von 3,3V-CMOS können nur Ausgänge von 3,3V-CMOS angeschlossen werden.
  • Für alle anderen werden spezielle Pegelwandler benötigt.
Technologie
am Eingang
5V-TTL 5V-CMOS 3,3V-CMOS 3,3V-LVT
Technologie
am Ausgang
5V-TTL s_ok s_cancel s_cancel s_cancel
5V-CMOS s_ok s_ok s_cancel s_cancel
3,3V-CMOS s_ok s_cancel s_ok s_ok
3,3V-LVT s_ok s_cancel s_question s_ok

Tabelle 1: Kompatibilität von Technologien

s_ok.png unmittelbar kompatibel

s_cancel.png nicht kompatibel

  • Es wird ein Pegelwandler benötigt.

s_question.png kompatibel mit Pull-Up-Widerstand

  • Einen Pull-Up-Widerstand zwischen dem Ausgang eines Gatters und Versorgungsspannung schalten.

Pegelwandler

Wir betrachten zwei Richtungen:

  • Daten von Systemen niedriger Spannung an Systeme höherer Spannung.
  • Daten von Systemen höherer Spannung an Systeme niedriger Spannung.

Transistor-Pegelwandler

Die einfachste Lösung ist ein Transistor-Schalter.

Transistor-Pegelwandler.png
Bild 1: Transistor-Pegelwandler

Die Schaltung ist einfach. Die funktioniert in beide Richtungen.

  • Der Transistor funktioniert als Inverter.

Die Schaltung kann auch von 5V-TTL an 3,3V-LVT, 3,3V-CMOS oder 5V-CMOS verwendet werden.

Ein LVT-Ausgang liefert nicht genügend Spannung für einen 3,3V CMOS-Eingang. Die Ausgangsspannung eines LVT-Ausgangs kann durch einen Widerstand einfach angehoben werden.

Pegelwandler-LVT-CMOS.png
Bild 2: Pegelanpassung für 3,3V-LVT an 3,3V CMOS

Beim Raspberry Pi kann der Widerstand entfallen, wenn der GPIO-Ausgang mit einem Pull-Up-Widerstand konfiguriert wurde. Allgemein wird allerdings empfohlen, einen externen Widerstand einzusetzen.

Pegelwandler mit 74HC4050

Der 74HC4050 kann als Pegelwandler von 5V auf 3,3V dienen. Die übrigen Gatter des 74HC4050 auch können innerhalb des 3,3V-Systems verwendet werden. Anstelle des 74HC4050 ist auch der Inverter 74HC4049 geeignet.

Pegelwandler-5V-3V.png
Bild 3: Pegelanpassung für 5V an 3,3V Systeme

LVT Pegelwandler

Es gibt integrierte Pegelwandler für LVT-Systeme.

Der SN74LVC245 ist ein 8-Bit bidirektionaler Pegelwandler zwischen 5V- und 3,3V-Systemen. Er ist eigentlich für Datenbusse vorgesehen. Er wird auch im DIL-20-Gehäuse geliefert.

Der SN74LV1T04 ist ein 1-Bit Pegelwandler von 1,8V-, 2,5V-, 3,3V- und 5V-Systemen auf 3,3V. Er wird nur in einem SOT-23(5) SMD-Gehäuse geliefert.

Bidirektionaler Wandler

Zu guter Letzt sei noch eine Universal-Schaltung vorgestellt. Sie kann zur Übertragung in beide Richtungen eingesetzt werden 5V -> 3,3V und 3,3V -> 5V.

Bidirektionaler-Pegelwandler.png
Bild 4: bidirektionaler Pegelwandler

Zur Wandlung wird ein N-MOSFET eingesetzt. Der BSS138 entspricht weitgehend dem uns bekannten 2N7000. Er hat allerdings ein SMD-Gehäuse.

Wir können diesen Wandler von beiden Seiten betrachten.

3,3V -> 5V

Wenn am linken Eingang ein L anliegt, liegt die Source des MOSFET auf 0V. Da das Gate auf 3,3V liegt, ist der MOSFET eingeschaltet und zieht den Ausgang rechts auf 0V also L.

Mit L hat der linke Eingang eine maximale Spannung von Vₒₗ=0,4V. Durch den MOSFET wird diese Spannung auf den Ausgang geschaltet. Am Ausgang liegen auch Vₒₗ=0,4V.

Wenn allerdings ein Strom in den Ausgang fließt, von einem TTL-Eingang, fällt an dem MOSFET eine Spannung ab, die die Spannung am Ausgang erhöht. In ein TTL-Gatter fließen 1,6mA. Außerdem fließt durch R₂ der Strom I₂=5V/10kΩ=0,5mA. Der 2N7000 bzw. BSS138 hat bei 3,3V Gatespannung einen Ein-Widerstand von maximal 10Ω. Wir müssen dann mit Us=(1.6mA+0,5mA)*10Ω=0,021V zusätzlicher Spannung rechnen. Die können wir leicht von der Reserve bis Uᵢₗ=0,8V abknabbern :-)

Liegt am linken Eingang ein H, ist die Source des MOSFET auf 3,3V. Der MOSFET ist ausgeschaltet. Der Widerstand R₂ zieht den Ausgang rechts auf 5V also H.

Der Ausgang eines 3,3V-Gatters gibt aber minimal 2,4V ab. Am Gate des MOSFET liegen damit 3,3V-2,4V=0,9V an. Je nach Exemplar des 2N7000 bzw. BSS138 könnte der MOSFET schon leiten. Der Widerstand R₁ zieht allerdings die Eingangsspannung auf 3,3V und der MOSFET ist sicher ausgeschaltet.

  • Fazit Der Pegelwandler wandelt von 3,3V -> 5V-Systeme.

5V -> 3,3V

Der Eingang ist jetzt rechts. Wenn dort ein H anliegt und der Ausgangs links Strom nach 0V zieht, ist, solange die Spannung am Ausgang links unter 3,3V liegt, der MOSFET eingeschaltet. Es fließt Strom in den Eingang rechts über den MOSFET in den Ausgang links.

Dieser Strom ist allerdings so, dass der Ausgang links auf 3,3V gezogen wird. Der MOSFET schaltet aus und der Widerstand R₁ zieht den Ausgangs links auf 3,3V. Die Spannung am Eingang rechts kann höher als 3,3V sein. Sie hat keinen Einfluss auf den Ausgang rechts.

Wenn am Eingang rechts ein L anliegt, aber der Ausgang links noch auf H ist, ist der MOSFET ausgeschaltet. Über die Body-Diode des MOSFET fließt dann Strom vom Ausgang links in den Eingang rechts. Die Spannung am Ausgang links fällt und die Spannung am Gate des MOSFET steigt. Der MOSFET schaltet ein und schaltet den L-Pegel vom Eingang-rechts durch.

Es fällt wieder eine geringe Spannung am MOSFET ab.

  • Fazit Der Pegelwandler wandelt von 5V -> 3,3V-Systeme.