Как просто согласовать 3 и 5 вольт

Обновлено: 02.07.2024

Что будет, если в электронике каждый радиоэлемент будет враждовать с другим радиоэлементом? Или каскад будет воевать с каскадом? Тогда ни одна аппаратура не заработает. Поэтому, задача электронщика не просто подобрать радиоэлементы и спаять их, но и сделать так, чтобы все они дружили друг с другом и работали единой командой, выполняя определенную функцию.

Как раз для этих целей миротворцем в радиоэлектронике является самый простой и самый часто используемый радиоэлемент — резистор. Откройте любую схему или посмотрите на любую плату и увидите множество резисторов. Но почему именно резистор считается самым распространенным радиоэлементом на платах?

Все радиоэлементы имеют какое-то свое сопротивление, и у всех оно проявляется по разному. У некоторых радиоэлементов в состоянии покоя сопротивление может быть одно, а в рабочем состоянии — совсем другое. Некоторые радиоэлементы могут менять свое значение сопротивления в зависимости от напряжения, силы тока, температуры, солнечного света и тд. Для того, чтобы согласовать работу этих различных радиоэлементов как раз используют резисторы.

Как все это происходит? Дело в том, что один радиоэлемент обладает одним сопротивлением, а другой — другим сопротивлением. Чтобы правильно их подцепить к друг другу надо сделать согласование сопротивлений. По идее любой радиоэлемент или каскад имеет так называемое входное и выходное сопротивление. Обязательно читаем про входное и выходное сопротивление, иначе вы не поймете, о чем идет речь в этой статье. Суть согласования сопротивлений состоит в том, что мы должны согласовать выходное сопротивление одного каскада с входным сопротивлением другого каскада.

Почему надо согласовывать сопротивления

Давайте рассмотрим схему:

Если вы читали статью про входное и выходное сопротивление, то наверное помните, что любой источник сигнала имеет в своем составе внутреннее сопротивление (выходное сопротивление) и источник ЭДС, а любая нагрузка обладает входным сопротивлением.

Предположим, что у нас нет никакой нагрузки:

Что имеем в этом случае? Сила тока в цепи будет равняться нулю, так как у нас обрыв, а напряжение на клеммах будет равняться ЭДС. Или буквами: I_вх =0, U_вх=E. То есть в этом случае амплитуда сигнала будет такой, какой она должны быть.

Но что будет, если мы подсоединим нагрузку?

Для источника сигнала будет не айс. Ему придется поднатужиться, так как цепь стает замкнутой и в цепи начинает течь ток I_вх. Что же тогда случится с напряжением U_вх ? Оно будет больше или меньше, или вообще останется таким же? Ответ на этот вопрос прост: все зависит от входного сопротивления нагрузки R_вх . Если оно очень и очень большое, то сигнал почти не изменится. Он будет таким же, как и без нагрузки. Но если нагрузка будет обладать малым сопротивлением, в дело идет закон Ома для полной цепи:

I — сила тока, в Амперах

E — ЭДС источника, в Вольтах

R — сопротивление нагрузки, Ом

r — внутреннее сопротивление, Ом

Так, теперь давайте будем мыслить логически. Смотрим на схему…

Что будет, если нагрузка будет обладает маленьким входным сопротивлением R_вх ?

Во-первых, увеличится сила тока в цепи I_вх.

Во-вторых, так как сила тока в цепи стала большой из-за маленького сопротивления R_вх, следовательно, увеличится падение напряжения на выходном сопротивлении R_вых .

В-третьих, так как падение напряжения на сопротивлении R_вых увеличилось, то следовательно, на сопротивлении R_вх оно уменьшилось:

С законом Ома для полной цепи не поспоришь ;-) А что такое падение напряжения на R_вх? Это и есть U_вх. Значит делаем вывод: чем низкоомнее нагрузка, тем больше будет просаживаться сигнал напряжения. ]

Согласование сопротивлений для оптимальной передачи напряжения

Итак, из всего выше написанного делаем выводы. Что нам требуется для того, чтобы передать сигнал напряжения в нагрузку и чтобы он не просел? Ответ однозначный — как можно более высокоомную нагрузку. В идеале, чтобы был вообще обрыв). Ну а на практике стараются сделать так, чтобы R_вх > 10R_вых . Поэтому различные приборы, такие как генератор частоты, блок питания и различные источники питания делают как можно с меньшим выходным сопротивлением. Различные измеряющие приборы типа осциллографов и мультиметров делают как можно с бОльшим входным сопротивлением, чтобы не гасить амплитуду сигнала.

Согласование сопротивлений для оптимальной передачи тока

Смотрим внимательно на схему:

Так как мы не в состоянии поменять R_вых, то какое же надо подобрать сопротивление R_вх, чтобы сила тока в цепи была максимальной? Разумеется, как можно меньше. В идеале — ноль Ом. Этот метод согласования используется редко.

Согласование сопротивлений для оптимальной передачи мощности

Теперь вопрос ставится так: как передать максимальную мощность от источника нагрузке? Если вы не забыли, мощность выражается формулой: P=IU. Так и напрашивается ответ, что R_вх должна быть равна нулю. Но тогда у нас все напряжение упадет на R_вых ! Получается, что на сопротивлении R_вх =0 Ом у нас будет падать также 0 Вольт. То есть мощность, выделяемая на R_вх будет равна 0 Ватт.

Если поставить R_вх очень большим, то у нас сила тока в цепи будет крохотной, что в результате опять же мощность, выделяемая на R_вх будет минимальной.

Так как я не силен в дифференциалах и интегралах, за нас физики и математики уже все посчитали. Оказывается, чтобы передать максимальную мощность в нагрузку, надо чтобы выполнялось простое равенство:

Заключение

Как видите, ничего сложного в согласовании сопротивлений нет. Из всех трех видов согласования чаще всего используется именно согласование по напряжению. Согласование по мощности и по току следует использовать с большой осторожностью, так как в этом случае на сопротивлении R_вых будет падать большая мощность, что приведет к нагреву источника и даже к его выходу из строя.

1 Назначение и описание преобразователя уровня сигнала

Для коммуникации с цифровыми устройствами (датчиками, контроллерами и т.д.) и управления ими используется цифровой сигнал. Цифровой сигнал – это такой сигнал, в котором вся необходимая информация кодируется двумя уровнями напряжения, т.н. логическим нулём и логической единицей. За логический "0" обычно (но не обязательно) принимают напряжение 0 В, за логическую "1" – высокий уровень напряжения. Высокий он называется только относительно логического нуля. По факту это обычно довольно слабые напряжения. Самые распространённые на сегодня напряжения для передачи цифрового сигнала это 5 В и 3.3 В. Техника развивается, технологии изготовления цифровых устройств не стоят на месте. Поэтому в последнее время также встречаются более низкие напряжения 2.4 и 1.2 В. Подробнее о напряжениях, применяемых в цифровой технике, можно почитать здесь.

Если ваш микроконтроллер использует 5-вольтовую логику (как, например, Arduino), то нельзя просто взять и подключить к нему напрямую устройство, в котором применяется другой логический уровень. Для согласования уровней применяются специальные преобразователи напряжения.

В англоязычной литературе их могут называть по-разному: logic shifter, level shifter, level converter.

Кроме того, бывают преобразователи однонаправленные и двунаправленные. Однонаправленные преобразователи уровня могут преобразовывать сигналы, идущие только в одну сторону, как правило, от контроллера к управляемому устройству. Двунаправленные преобразователи, соответственно, преобразуют сигнал и от контроллера к устройству, и в обратную сторону.

Пример 4-канального двунаправленного преобразователя уровня показан на фотографии. Его основной элемент – четыре транзистора BSS138, которые обеспечивают быструю коммутацию сигналов.

4-канальный преобразователь логического уровня на транзисторах BSS138

Иногда каналы обозначаются не HV и LV, а по-другому. Например, A и B.

Как не сложно догадаться, сигналы необходимо подключать к соответствующим выводам. Например, если вы подключаете линию тактовой частоты контроллера к высоковольтному каналу HV3, то с другой стороны она будет выходить из канала LV3.

Ещё один пример преобразователя напряжения уровня – модуль HW-221 на основе микросхемы TXS0108E.

Здесь уже имеются 8 вводов-выводов. Причём к выводам со стороны порта A (A1…A8) должна подключаться низковольтовая логика, а к выводам B1…B8 – высоковольтная. Соответственно, питание V_CCA должно быть от 1.4 до 3.6 В, а питание V_CCB – от 1.65 до 5.5 В. Напряжение V_CCA должно быть не больше, чем V_CCB. Также на данном модуле присутствует вход разрешения работы OE. Работа разрешена при подключении его к питанию V_CCA. При подключении OE к земле, все вводы-выводы переходят в третье состояние.

2 Пример подключения преобразователя логического уровня

Давайте посмотрим на практическом примере, как работает преобразователь уровня.

Для этого подключимся к какому-нибудь 3-вольтовому датчику, например, датчику температуры и влажности HTU21D. Этот датчик управляется по интерфейсу I2C, и ему необходим 3-вольтовый сигнал управления. В то же время Arduino генерирует 5-вольтовый сигнал. Тут нам и придёт на помощь преобразователь логического уровня. Соединим устройства по такой схеме:

Схема подключения датчика HTU21D к Arduino через преобразователь логического уровня

Для того чтобы использовать датчик, скачаем библиотеку HTU21D (она также приложена внизу статьи). Установим библиотеку как обычно. Загрузим пример SparkFun_HTU21D_Demo (File Examples SparkFun HTU21D humidity and temperature sensor breakout). В мониторе порта побегут измеренные значения температуры и влажности. Вживую это выглядит так:

Работа с датчиком HTU21D посредством Arduino и преобразователя

Более подробно о работе с сенсором HTU21D рассказывается в следующей статье.

Многие бытовые приборы сегодня требуют стабильного напряжения 3 вольта и тока нагрузки 0,5 ампер. Они могут включать:

Игроки.
Камеры.
Телефоны.
Видеомагнитофоны.
Навигаторы.

Эти устройства объединяет тип источника питания в виде аккумуляторной батареи или батареек на 3 вольта.

Как создать электричество дома, не тратя деньги на батарейки или аккумуляторы? Для этих целей не обязательно проектировать многоэлементный блок питания, поскольку в продаже есть специальные микросхемы в виде низковольтных стабилизаторов.

Схема стабилизатора на 3 вольта

Изображенная схема выполнена в виде регулируемого стабилизатора и позволяет создавать выходное напряжение от 1 до 30В. Поэтому это устройство можно использовать для питания различных устройств на 1,5 В, а также для подключения 3-вольтовых устройств. В нашем случае устройство используется для считывателя, выходное напряжение выставлено на 3 В.

Работа схемы

С помощью переменного резистора устанавливается необходимое выходное напряжение, которое рассчитывается по формуле: U вых = 1,25 * (1 + R2 / R1). Вместо регулятора напряжения используется микросхема SD1083 / 1084. Без доработки используются аналогичные отечественные микросхемы 142КРЕН 22А / 142КРЕН 22, отличающиеся выходным током, что является незначительным фактором.

Для нормального режима работы микросхемы необходимо смонтировать для нее небольшой радиатор. В противном случае при низком выходном напряжении регулятор работает в токовом режиме и сильно нагревается даже без нагрузки.

Монтаж стабилизатора

Устройство собрано по схеме размерами 20 на 40 мм. Схема довольно простая. Возможна установка стабилизатора без использования стола, путем поверхностного монтажа.

Готовую доску можно разместить в отдельном ящике, либо прямо в корпусе самого блока. В первую очередь необходимо отрегулировать рабочее напряжение стабилизатора на его выходе с помощью регулятора в виде резистора, а затем подключить нагрузку потребителя.

Переключаемый стабилизатор на микросхеме

Эта схема самая легкая и простая. Его можно установить самостоятельно на обычную микросхему LM 317 LZ. При выключении и повторном включении резистора в контуре обратной связи генерируются два разных выходных напряжения, в этом случае ток нагрузки может возрасти до 100 миллиампер.

Нельзя забывать и о распиновке микросхемы, так как она отличается от обычных стабилизаторов.

Стабилизатор на микросхеме AMS 1117

Это элементарный стабилизатор с несколькими фиксированными положениями для регулирования напряжения 1,5-5В, тока до 1А. Он может быть независимо установлен на микросхемах серии AMS 1117 — XX (CX 1117 — XX) (где XX — выходное напряжение).

Есть образцы микросхем на 1,5 — 5В, с регулируемым выходом. Они использовались на старых компьютерах. Их преимущество — малое падение напряжения и небольшие габариты. Для установки требуются два контейнера. Для хорошего отвода тепла возле розетки устанавливается радиатор.

Все хорошо. Надо из 5 вольт сделать 3,5 вольта, от блока питания идет 5 вольт (зарядка с мобилы), 3 вольта совершенно не существенны: надо микромотор включить, город хитрая приблуда. Стабилизатор плохо лепится, микросхем стабилизатора под рукой нет. Родилась идея подключить пару кремниевых диодов последовательно в разрыв положительного провода, играя с падением напряжения на диодах. Выходной ток требует примерно 150 мА. Как вы думаете, он вас подвезет?

На самом деле есть старый телефон, который я собираюсь использовать для просмотра информации (например, маленький дисплей)

Решил запитать от павербанка, все работает нормально, так как габариты не критичны, но нужна мобильность, то есть все равно должна быть батарея а не подключаемый блок питания, все работает .

Но при входе в меню выходит такой сигнал о перенапряжении на контактах аккумулятора, подскажите пожалуйста, как можно решить проблему, заранее спасибо.

Напомню, что надо от 5 вольт, как сделать так, чтобы до 3,7 контактов, от приборов при наличии отвертки и молотка.

Ps старого аккума нет и вряд ли найду, ставить от нокиа не вариант, хватает на 900 мАч на 10 минут.

Дубликаты не найдены

поэтому лучше установить R2 на 270 или 300, чтобы быть ближе к желаемому 3,7 В

по сути есть подстроечный резистор, смысл тот же только что все выставлено с помощью мультиметра и готово

спасибо, буду пробовать пока номерной знак на телефоне не пропадет, так как пропал значит норм

понял, спасибо а, объяснение, но у вас не могло быть примера в виде ссылки на стабилизатор, заранее спасибо

Пожалуйста. Проще говоря, на вход подавали 5 вольт, выход скручивали так, чтобы было 3,7, и все.

С 3,3в телефон может не работать, 4в обязательно должно работать.

Два кремниевых диода включены последовательно при прерывании подачи питания. Уменьшите каждый переход на 0,6 В

и заряжать так же?

большое спасибо, я буду

На самой 317-й падает напряжение до 2 вольт, поэтому здесь нужен преобразователь, а не стабилизатор

Am1117 — 3,3 В. LM2526 делает что угодно, вам просто нужно поиграть с подвеской.

На алиэкспресс заказывай понжайку от 5 до 3,7в

спасибо за вариант, но я не готов ждать, и желательно сделать это сегодня

и заряжать так же?

Насколько я знаю, в Powerbank есть преобразователь с 3,7 на 5 вольт (при условии использования ячеек 18650), снимаем его и все.

Помимо преобразователя есть как минимум один контроллер заряда и защита от перегрузки / переразряда. Если акуум застрял голой задницей в телефоне, долго он не протянет. А по батарее, пусть даже не 18650, а где-то 3,5-4,2 если литиевая, а в павербанках других не встречал.

хорошо, так же через сопротивление

я понимаю что буду смотреть

Если дать кому-нибудь из наших чиновников что-нибудь 5, то речь идет о том, насколько они жульничают.

пробовал проделать подобное с древним eten glofish не получается, в ходе экспериментов выяснилось, что в телефоне неравномерное потребление импульсного тока, а ипуды такие сильные, что напряжение после линейного стабилизатора успело понизиться на ноль, из-за чего телефон просто выключился теперь проблема может быть не так остро во всяком случае случилась!

В этом примере применения рассматривается подключение 3 вольтовых микроконтроллеров MSP430x1xx и MSP430x4xx к схемам с питанием 5В или выше. Описано согласование входов, выходов и двунаправленных линий. Там, где это необходимо, даются примеры расчётов. Также показаны примеры построения простых источников питания на оба напряжения.

Современные микроконтроллеры MSP430, например, семейства MSP430x1xx и MSP430x4xx работают в диапазоне питающих напряжений от 1.8В до 3.6В. Это обусловлено используемым технологическим процессом и имеет ряд преимуществ, в частности – микроконтроллеры этих серий потребляют меньший ток, чем 5-вольтовые MSP430C3xx.

Сложности возникают при необходимости сопряжения таких устройств с 5-вольтовыми или ещё более высоковольтными схемами. В этом примере применения показано, как согласовать 5-вольтовые интерфейсы со входами, выходами и двунаправленными линиями микроконтроллеров MSP430. На рис. 1 показаны примеры таких согласований. В этом примере рассматриваются устройства, помеченные на рисунке тёмно-серым цветом.

Далее по тексту термин MSP430 означает микроконтроллеры семейств MSP430x1xx и MSP430x4xx.
Приведенные формулы для внешнего источника питания V(sys) также справедливы и могут быть использованы для напряжений выше, чем 5В. Их можно использовать для любых уровней внешнего напряжения, например, V(sys) = 12 V.

В формулах будут использованы следующие замены для упрощения вычислений при малых значениях ax (например, для начального разброса p)

Примечание: Выходное сопротивление rDS(on) выходов MSP430x4xx во внимание не принимается, ввиду выбора высокоомных резисторов в расчётах. По сравнению со значениями используемых резисторов выходное сопротивление rDS(on) ( не более 167 ?) пренебрежительно мало.

2.2 определения для внешней системы

Показанные входные преобразователи в первую очередь рассчитаны на согласование 5-ти и 3-вольтовых систем. Тем не менее, их также можно применять и при более высоких значениях внешнего питания, например, для согласования входа микроконтроллера MSP430 с 12-вольтовыми сигналами.

Внешний цифровой уровень VI(sys) подаётся на MSP430. Формулы для наихудших случаев для расчёта резисторов R1 и R2 показанных на рис.2:

Первые два неравенства обеспечивают превышение входным напряжением VI(430) на входе MSP430 соответствующих наихудших пороговых значений. Третье неравенство обеспечивает отсутствие влияния тока утечки Ilkg входных диодов на напряжение VI(430). Для исключения протекания тока через защитные диоды входов MSP430, необходимо, чтобы выполнялось:

Рис. 2. Резистивный входной преобразователь 5В ? MSP430

Условие для входного напряжения низкого уровня V(sysL)max :

Для обеспечения незначительности влияния тока утечки Ilkg:

Эти три расчётные формулы допускают достаточно широкий диапазон для выбора R1 и R2. Если выбрать R1/R2 = 1.0 и R1||R2 = 600 k?, то R1 = 1.2 M? и R2 = 1.2 M?. Для предотвращения протекания тока через входные защитные диоды MSP430 необходимо, чтобы выполнялось:

Выполнение двух последних неравенств не имеет большой важности, если значение тока через вывод MSP430 гораздо меньше, чем ±2 мA (абсолютный максимум допустимого значения входного тока). Именно такой случай имеет место в нашем примере: R1||R2 = 600 k?.

Расчётные формулы для резисторов RC, RB1 и RB2 имеют следующий вид:

Третье неравенство обеспечивает включение транзистора при входном уровне V(sysH) min:

Где	V BE(off)	Напряжение база-эмиттер транзистора, при котором он гарантированно выключается	[В]
V BE(on)	Напряжение база-эмиттер транзистора, при котором он гарантированно включается	[В]
?	Коэффициент усиления по току транзистора
Ilkg(Tr)	Ток утечки транзистора	[А]

Максимальное значение RC равно:

Минимальное соотношение номинальных значений RB1 и RB2 равно:

Максимально допустимое значение для RB1:

С учётом значения RB1 = 39 M? получаем для RB2:

Операционные усилители являются оптимальным решением для входных преобразователей в тех случаях, когда они уже используются в системе (в качестве интегратора, компаратора, усилителя, ЦАП и т.д.). Для ОУ TLC27L4 необходимо ограничить входные напряжения до уровня не выше, чем VDD + 0.3 В. Минимальное напряжение питания TLC27L4 VCC(min) = 3 В.

Формулы для вычисления номиналов резисторов R1 и R2 по схеме, приведенной на рис.4 при наихудших условиях:

В левой части рис. 7, три буфера микросхемы ULN2003A используются в качестве входного преобразователя для согласования с 5-вольтовыми и 12-вольтовыми системами. Последовательный резистор RV (p = ±5%) для входного сигнала амплитудой 12 В (V(sysH)min = 11 В) рассчитывается следующим образом:

Для уменьшения потребляемого тока, резисторы Rp подключаются к DVCC только по необходимости.

Предназначена для работы с питающим напряжением 3.3 В или менее.
Явно указана возможность работы с входными уровнями более 3.3 В.

Указанным требованиям соответствуют микросхемы семейств AHC и LVC. Их можно подключать к источнику питания 3.3 В микроконтроллера MSP430.

Примечание: Обязательно проверьте, действительно ли выбранная вами микросхема допускает подачу входных сигналов с уровнем VI, выше, чем уровень источника питания 3.3 В. В разделе предельные условия эксплуатации (absolute maximum ratings) документации должна присутствовать подобная запись:

Диапазон входных напряжений (Input voltage range) VI……………………….от 0.5 В до 7 В

Диапазон входных напряжений (Input voltage range) ……………………от 0.5 В до VCC+0.5 В

Рис. 5. Аналоговый входной преобразователь 5 В ? 3 В для АЦП ADC12

Если внешняя схема не способна запитывать вытекающим током резистивный делитель, следует применять повторитель на ОУ, расположенный между выходом периферийного устройства и резистором R1. Время выборки АЦП ADC12 t(sample) должно быть согласовано с импедансом резистивного делителя R1||R2. Дополнительная информация содержится в главе ADC12 в [2] или [3].

4 Выходные преобразователи

Преобразователи не требуются для работы с ЖКИ и с пассивными датчиками. Их можно соответствующим образом подключать непосредственно к MSP430. См. [2].

4.1 Выходной преобразователь на транзисторе

Простой преобразователь для систем с рабочим напряжением более 3 В показан на рис. 6. Нагрузка транзистора RL может быть самой разнообразной: резисторы, нагреватели, вентиляторы, реле и т.д. Резистор в цепи базы RB вычисляется следующим образом:

Где	RLmin	Минимальное сопротивление нагрузки	[?]
?min	Минимальный коэффициент усиления по току транзистора
V(sys)max	Максимальное напряжение питания внешней системы	[В]
VBE(on)	Напряжение включения база-эмиттер транзистора	[В]

Благодаря низкому напряжению на выходе порта MSP430, резистора между базой транзистора и 0 В не требуется.

Рис. 6. Выходной преобразователь на транзисторе для согласования с 5-вольтовой системой

Пример: нагрузка RL = 100 ? ±3% подключена к V(sys) = 5 В ±10%. Начальный разброс резистора RB p = ±10%. Минимальное напряжение питания DVCC(min) = 2.7 В (3.0 В – 10%). Характеристики транзистора: VBE(on) = 0.7 В и ?min = 100.

4.2 Выходной преобразователь для входов КМОП –TTL

Оба напряжения находятся в пределах выходных напряжений портов MSP430: DVCC -0.25 В и DVSS + 0.25 В при DVCC = 2.7 В… 3.6 В. Никаких согласующих элементов в данном случае не требуется, TTL-КМОП микросхемы содержат встроенный преобразователь 3-В/5-В.

4.3 Согласование со входами микросхемы ULN2003

Для увеличения выходных токов или для управления несколькими (до семи) 5-вольтовыми выходами можно использовать выходной буфер ULN2003A. Его характеристики приведены ниже:

ILmax	Максимальный выходной ток	500 мА
VLmax	Максимальное выходное напряжение	50 В
VI(on)max	Максимальное входное напряжение (IL = 200 мА)	2.4 В
II(on)max	Максимальный входной ток (VI = 3.85 В)	1.35 мА
ICEmax	Максимальный ток утечки выхода (VCE = 50 В)	50 мкA

В правой части рис. 7, ULN2003A используется в качестве выходного буфера для согласования с 5-вольтовыми и 12-вольтовыми периферийными устройствами. Защитные диоды на выходе ULN2003A используемые для 12-вольтовых периферийных устройств не влияют на 5-вольтовые сигналы.

Рис. 7. Интерфейсы с сильноточными выходными буферами ULN2003

4.4 Выходной преобразователь на операционном усилителе

Согласование с системами, имеющими напряжение питания V(sys) до 16 В можно реализовать на базе счетверённого ОУ TLC27L4. Резистивные делители на инвертирующих входах TLC27L4 образуют напряжения ? 1.5 В. Номиналы резисторов RB1 и RB2 должны удовлетворять условиям:

Рис. 8. Выходной преобразователь на операционном усилителе

4.5 Выходные преобразователи на интегральных микросхемах

В качестве выходных преобразователей 3-вольтовых с 5-вольтовыми схемами можно использовать практически любые TTL-совместимые ИС, например, такие, как семейства HCT и AHCT. То же самое справедливо и для биполярных ИС. Если источник питания 5 В может выключаться в то время, как 3-вольтовый источник остаётся включенным (например, в ситуации, изображённой на рис. 11), то для коммутации VCC можно использовать только ИС, не содержащие встроенных защитных диодов. В противном случае, через защитный диод будет протекать ток с 3-вольтового источника питания на землю. Это означает, что в таких случаях можно использовать только семейство AHCT или биполярные ИС.

5 Двунаправленные преобразователи

5.1 Простой двунаправленный преобразователь на ОУ

Интерфейс, изображенный на рис. 9 можно использовать в случае, если требуется двунаправленный обмен между MSP430 и 5-вольтовыми системами. Операционный усилитель исполняет роль триггера: порт ввода-вывода, работающий в режиме выхода, контролирует состояние триггера. Второй порт ввода-вывода должен быть сконфигурирован как вход.

Рис. 9. Двунаправленный интерфейс между 3-вольтовой и 5-вольтовой системами

Формулы расчёта резисторов R3, R4 и R5 для наихудших случаев:

Следующее неравенство гарантирует высокий уровень на входе MSP430 с учётом токов утечки MSP430 и операционного усилителя Ilkg и Ilkg(Op):

Последнее неравенство обеспечивает высокий уровень на входе внешнего устройства с учётом его тока утечки Ilkg(sys):

Где	Vref	Опорное напряжение для детектирования входного уровня	[В]
Ilkg	Ток утечки входа MSP430	[A]
Ilkg(Op)	Ток утечки входа ОУ	[A]
Ilkg(sys)	Ток утечки входа 5-вольтовой системы	[A]

Пример: двунаправленный интерфейс со следующими параметрами: V(sys) = 5 В ±10%, V(sysH)min = 4 В, V(sys+)max = 3.5 В, Ilkg(sys) = ±1 мкA, Ilkg(Op) = ±700 пA, Ilkg = ±50 нA, Vref = 1.5 В ±5%. Начальный разброс резистора p = ±5%. Минимальное напряжение питания DVCC(min) = 2.7 В (3.0 V – 10%).

Номиналы трёх резисторов равны: R3 = 330 k?, R4 = 2M?, R5 = 1.6 M?

5.2 Двунаправленный преобразователь на интегральных микросхемах

MSP430 определяет направление передачи при помощи вывода DIR. Шина A может быть при необходимости отключена от шины B при помощи вывода OE.

Рис. 10. Двунаправленный преобразователь на интегральных микросхемах

6 Источники питания

Примечание: формулы для расчёта рассматриваемых ниже источников питания приведены в разделе Источники питания для систем на базе MSP430 (Power Supplies for MSP430 Systems) в [1]. Также в этом разделе рассмотрены другие типы источников питания, например трансформаторные ИП и приведены соответствующие формулы.

На рис. 11 показан конденсаторный источник питания на два выходных напряжения, VCC1 = 3 В и VCC2 = 5 В. Если выходного тока TLC27L4s недостаточно, то можно использовать выходной буфер NPN, как нарисовано на рис. 12.

Рис. 11. Конденсаторный источник питания с двумя выходными напряжениями

Активный режим (Active mode): выход MSP430 подключенный к PD переключается в высокоимпедансное состояние
Режим пониженного энергопотребления (LPM3): выход MSP430 подключенный к PD подключается к DVCC. На выходе 5-вольтового регулятора напряжение, близкое к 0 .

На рис. 12 показан источник питания на два выходных напряжения VCC1 = 3 В и VCC2 = 5 В. 3-вольтовый источник питания буферизован NPN-транзистором для увеличения тока.

Рис. 12. Источник питания с двумя выходными напряжениями

Как показано в данном примере применения, существуют различные недорогие способы подключения 3-вольтовых микроконтроллеров семейства MSP430 к 5-вольтовым схемам. В некоторых случаях внешние 5-вольтовые устройства уже содержат необходимые элементы сопряжения. Автор выражает благодарность Eilhard Haseloff за его ценные замечания.

Читайте также: