【電子部品紹介】双方向 ロジックレベル 変換モジュール

こんにちは、管理人のomoroyaです。

 

Arduino入門編にてセンサの解説をしていますが、ときおり電圧があわないといったことがあります。

例えば、センサ部品の入力が3.3Vの場合・・・

Arduinoの5.0V出力ピンをそのまま接続すると使用範囲外で使うことになり電子部品が壊れるといったことも起こります。

入門編では、一工夫してレベル変換せずにやりすごしていましたが、遊びに使うなら安価なレベル変換モジュールが色々売られていますので持っていて良いと考えます。

Amazonでも安価で購入できます。

10個入りで500円～600円、1個当たり50円程度です。

ということで、入門編で遊んでいる人向けに「ロジックレベル変換モジュール」について解説です。

ある意味、入門編の番外編？みたいな位置づけの解説です。。。

 

本記事で紹介するのは、Amazonなどで購入しやすい「双方向ロジックレベル変換モジュール」。

同じ製品ですが、値段が微妙に違います。

10個入りで、安価に購入可能です。

ただし、遊び、学習に使うならということです。

遊びではないなら、仕様の明確なものをご検討ください。

ピンヘッダが付属されていて、自分で半田付けする必要があります。

10個もあるので練習にちょうど良い！！

出荷元：Amazon（prime対応品）

 

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はじめに

レベルコンバータは名前の通り電圧レベルを変換することができるモジュールです。

モジュールに使用されているトランジスタは「BSS138」かなと思います。

本記事では、5.0V⇔3.3Vの変換について説明します。

 

下記のSparkfunのサイトで、データシートなど確認できます。

ご興味があれば↓

 

ロジックレベルシフトの原理について詳しく知りたい方は・・・

下記サイトに詳しく説明されていますので参考にしてください。

 

簡単に説明しておきます。

「双方向ロジックレベル変換モジュール」で使用している電子部品は以下。

たった2種類なんです。

• 制御するためのスイッチ（MOSFET）
• プルアップ抵抗

で構成されます。

本記事で使用している「双方向ロジックレベル変換モジュール」は4chありますので
※4ch：信号4つ使えるということ

• MOSFET：4つ
• プルアップ抵抗：8つ

となります。

 

原理をかなり簡単に説明すると・・・

1. Hレベル（3.3V、5.0V）はプルアップで実現
2. Lレベル（0.0V）はMOSFETをONすることで実現

実はこれだけです。

 

双方向ロジックレベル変換モジュール　回路図と仕様

モジュール化された「双方向ロジックレベル変換モジュール」の実物、回路図を見ていきます。

 

■実物

こちらが、「双方向ロジックレベル変換モジュール」の実物。

 

CH（チャネル）は４つあるため、このモジュール1つで4つの信号を同時にレベルシフトできます。

1. HV1(5.0V)⇔LV1(3.3V)
2. HV2(5.0V)⇔LV2(3.3V)
3. HV3(5.0V)⇔LV3(3.3V)
4. HV4(5.0V)⇔LV4(3.3V)

CH（チャネル）ではない真ん中のピンは、それぞれの電源を供給します。
※本記事では、5.0V⇔3.3Vのレベル変換について解説

• HV、GND：5.0VとGND
• LV、GND：3.3VとGND

Arduinoを使用する場合は、Arduinoの5Vと3.3V電源に接続すればよいということになります。

ちなみに、5.0V、3.3VにつなぐのはHレベルのプルアップとMOSFETをOFFするため。

 

■回路図

1ch分の回路図を示します。

記載されているダイオードはMOSFET基板のダイオードです。
※単品のダイオード素子があるわけではありません！

• LV1に3.3V入力　→　MosはOFF、HV1は5.0Vにプルアップされているため5.0V 出力
• LV1に0.0V入力　→　MosはON、HV1は0.0V出力
• HV1に5.0V入力　→　MosはOFF、LV1は3.3Vにプルアップされているため3.3V出力
• HV1に0.0V入力　→　Mos基板のダイオードを介してLV1が電圧降下し、Mosの閾値を超えて電圧降下することでMosがONしLV1を0.0V出力

となり双方向のレベルシフトができるようになっています。

 

■「BSS138」仕様

電圧関係に関しては、Arduinoレベルで使っている分には問題になる仕様がないため割愛。

とりあえず、時間関係とON抵抗のみ抜粋・・・。

といっても、Arduinoで遊んでいる分には問題になることはないです。

詳細を知りたい方はデータシートで確認ください。

項目	仕様
Turn–On Delay Time	2.5ns(typ)
Turn–On Rise Time	9.0ns(typ)
Turn–Off Delay Time	20ns(typ)
Turn–Off Fall Time	7ns(typ)
Static Drain–Source On–Resistance	1.0Ω(typ)@VGS = 4.5 V, ID = 0.22 A

 

双方向ロジックレベル変換モジュール　回路作成

では、さっそく動かしてみましょう。

Arduinoの5.0V、3.3Vを利用しても良いですし、外部電源でもOKです。

今回はわかりやすいかなと思い外部電源で解説。

ブレッドボードに挿して使用可能！

 

■ブレッドボード図

結線がわかりやすいようにブレッドボード図を示しておきます。

図に示すように5.0V、3.3Vの電源を供給します。

あとは、CH1～CH4を自由に使用できます。

 

■実際の接続

接続した状態（ブレッドボード図と同じ）

 

双方向ロジックレベル変換モジュール　動作確認

今回はLV4とHV4を使用して確認しました。

結果から入力がレベルシフトされていることがわかります。

 

■HV4＝0.0V入力、LV4＝0.0V出力

 

■HV4＝5.0V入力、LV4＝3.3V出力

 

■LV4=0.0V入力、HV4＝0.0V出力

 

■LV4=3.3V入力、HV4＝5.0V出力

 

まとめ

双方向ロジックレベル変換モジュールは安価で簡単に扱える電子部品。

Arduinoを使って電子部品で遊んでいれば、必ずレベル変換をしたくなる時があるはず。

持っておいて損はないと思います。

 

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