Arduino Mikrocontroller Tutorials - Module

Pegelwandler/ Level Converter / Level Shifter / Voltage Translator

Manche elektronische Geräte verwenden einen 5V Pegel um digitale Signale zu verarbeiten (wie unser Arduino). Andere Geräte oder Sensoren dürfen nur mit einer geringeren Spannung betrieben werden (Bsp. 3,3V) und wieder andere Geräte benötigen eine höhere Spannung um einen HIGH Pegel zu erkennen (Bsp. 12V). Um nun eine digitale Kommunikation zwischen Geräten mit unterschiedlicher Spannungsanforderung zu ermöglichen werden Pegelwandler eingesetzt.

Level Converter werden unterschieden in:

• Unidirectional: Diese Level-Shifter können sie Spannung nur in eine Richtung wandlern. Entweder erhöhen (Step Up) oder reduzieren (Step Down). Ein Datenaustausch zurück is nicht möglich.
• Bidirectional: Bei diesen Pegelwandlern ist ein Austausch in beide Richtungen möglich. Mit solchen Level Converter ist dann auch eine Kommunikation über SPI oder I2C möglich.

Unidirectional

Die einfachste und häufigste Form einen Spannungspegel zu reduzieren ist die Verwendung eines Spannungsteilers. Mit einem 10K und 20K Widerstand kann aus einem 5V Signal ein 3,3V Signal erzeugt werden.

Die einfachste Form eines Spannungspegel zu erhöhen ist die Verwendung eines Transistors. Das 3,3V Signal steuert begrenzt durch einen Widerstand die Basis des Transistors an. Schaltet dieser durch wird auf den 5V Ausgang GND gelegt. Bei Verwendung eines Transistors ist zu berücksichtigen, dass sich die Pegel unterscheiden. Aus einem HIGH Eingang wird ein LOW Ausgang. Möchte man dies nicht, muss über einen zweiten Transistor der Pegel nochmal ein zweites Mal gedreht werden.

Bidirectionale Pegelwandler

Diese Level-Converter gibt es diskret aufgebaut mit einem N-Kanal MOSFET und zwei Widerständen (Bild oben: linkes Modul) oder als fertige ICs wie dem CM504 (Bild oben: rechtes Modul).

Level Converter MH (Bsp. 3,3V ↔ 5V)

Liegt auf dem LowVoltage (LV) Anschluss LOW an gibt es eine Spannungsdifferenz zwischen G und S des MOSFETs. Der MOSFET schaltet durch und legt den HighVoltage (HV) Ausgang ebenfalls auf LOW.

Liegt auf dem LV Anschluss HIGH an gibt es keine Spannungsdifferenz zwischen B und S. Der MOSFET sperrt. Am HV Anschluss liegt über den R2 Widerstand +5V (HIGH) an.

Liegt auf dem HV Anschluss LOW an ändert sich am MOSFET nichts. Über die im MOSFET integrierte Diode wird jedoch GND an den LV Anschluss übertragen womit dieser ebenfalls LOW wird.

Liegt am HV Anschluss HIGH an, ändert sich am MOSFET wieder nichts und auch die Diode bleibt in dieser Richtung gesperrt. Über den R1 Widerstand wird ein HIGH Pegel auf den LV Anschluss gelegt.

Level Converter LS2 mit dem IC CM504 (Bsp. 3,3V/5V → 12V o. 12V → 3,3V/5V)

Dieser Pegelwandler ist nicht wirklich Bidirektional. Zumindest nicht gleichzeitig in beide Richtungen. Von den 12 Input-Pins zu den 12 Output-Pins kann die Spannung jedoch erhöht, oder reduziert werden. Die Input- und die OutputSpannung kann zwischen 3,3-15V liegen. Alle Ausgänge sind mit einem 500K PullDown Widerstand auf GND geschaltet.