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Convertidor activo bidireccional de niveles de voltaje lógicos con MOSFET

Normalmente la conexión entre dispositivos que utilizan niveles de voltaje lógicos de 5 V con dispositivos de 3.3 V requiere la conversión de los voltajes de la señales de datos (A menos que un dispositivo de 3.3 V esté especificado para tolerar señales de 5 V, y un dispositivo de 5 V pueda tomar correctamente un nivel lógico de ~2 V a 3.3 V como un 1 lógico). Así que si no se convierten los niveles lógicos puede ocasionar que un dispositivo de 3.3 V al que se le conecten señales lógicas de 5 V se destruya o que existan errores en la lectura de datos en un dispositivo de 5 V al cual se le están ingresando señales de un dispositivo que opera a 3.3 V.

El circuito sencillo que se muestra a continuación puede realizar la conversión de manera bidireccional (El pin I/O de ambos dispositivos pueden ser una salida o una entrada). Se requiere un circuito idéntico para cada señal a convertir. Además las tierras del sistema LV y HV deben conectarse entre si.

Convertidor de niveles lógicos con MOSFET 2N7000

Fig. 1. Convertidor de niveles lógicos con MOSFET 2N7000

Funcionamiento:

Lado LV (Low Voltage): El pin del dispositivo LV es salida y el de HV es entrada

Cuando el dispositivo de bajo voltaje (LV) transmite un "1" (3.3 V), el pin fuente (S) del transistor MOSFET (Q) es conectado al voltaje de compuerta (G) y por tanto el transistor esta apagado, y al lado del dispositivo de alto voltaje (HV) llegan 5 V a través del resistor de pull-up R2 conectado a la fuente de 5 V.

Cuando el dispositivo de LV transmite un "0" (0 V), el pin fuente (S) del MOSFET queda conectado a tierra y como la compuerta (G) está a 3.3 V, entra en conducción y por tanto al lado del dispositivo de HV llega 0 V aprox. a través del MOSFET.

Lado HV (High Voltage): El pin del dispositivo LV es entrada y el de HV es salida

Cuando el dispositivo de alto voltaje (HV) transmite un "0" (0 V), el diodo damper interconstruido entre los terminales de drenador (D) y fuente (S) del MOSFET entra en conducción, y al lado del dispositivo de bajo voltaje (LV) llegan 0.7 V aprox., ocasionando que el MOSFET entre en conducción bajando aún más el voltaje de LV hasta aproximadamente 0 V.

Cuando el dispositivo de HV transmite un "1" (5 V), el diodo interno no conduce, el pin fuente del MOSFET está conectado a través de la resistencia de pull-up R1 a la fuente de 3.3 V, y por tanto permanece apagado, ocasionando que del lado del dispositivo de LV lleguen 3.3 V a través de R1.

  

Si no se cuenta con acceso a la fuente de 3.3 V en el circuito:

Solo se puede utilizar cuando el pin dispositivo de LV actúa como salida transmitiendo la señal, y el pin del lado de HV actúa como entrada. Simplemente se puede conectar la compuerta (G) del MOSFET a un divisor de voltaje para obtener los 3.3 V y la Resistencia R1 se conecta a tierra en vez de al pin de fuente del transistor:

Convertidor de niveles lógicos con MOSFET y sin acceso a fuente de 3.3 V

Fig. 2. Convertidor de niveles lógicos con MOSFET 2N7000 cuando no se tienen acceso fácil a la fuente de 3.3 V. Solo funciona para elevar el voltaje

     

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