ロジックレベル変換モジュールの使い方|Arduino・ESP32・ラズパイ

ロジックレベル変換モジュールの使い方|Arduino・ESP32・ラズパイ
ロジックレベル変換モジュールの使い方|Arduino・ESP32・ラズパイ

この記事ではロジックレベル変換モジュールの使い方を解説いたします。ArduinoやESP32、Raspberry PiなどでI2Cデバイスを取り扱うときに、信号レベルがミスマッチな場合にロジックレベル変換モジュールを使って5V信号を3.3Vに降圧したり、3.3V信号を5V信号へ昇圧できます。

つかうもの

この記事でつかうものをご紹介いたします。

ロジックレベル変換モジュール

Amazonで購入したこちらのロジックレベル変換モジュールを使用します。

ESP32

この記事ではESP32を例に解説いたします。

MOSFET IRF520

そもそもロジックレベル変換モジュールを使ってみるきっかけとなったのは、MOSFETのIRF520をESP32のGPIOで制御するためでした。IRF520はゲートのスレッショルド電圧が4Vと高めで、ESP32のGPIO出力では電圧が足りずうまく動作しなかったのです。

▼ 以前Raspberry PiでもIRF520を扱いましたが、Raspberry PiのGPIOは3.3V出力のはずですがなぜか直結で制御できてました。

MOSFETでなくても、お困りのI2Cデバイスを使ってもらっても構いません。

その他

また、ブレッドボードやジャンプワイヤもあると便利です。

ロジックレベル変換モジュールの使い方

ロジックレベル変換モジュールの各ピンの役割

こちらは私が購入したロジックレベル変換モジュールの基板の拡大写真です。

ロジックレベル変換モジュール
ロジックレベル変換モジュール

各ピンの役割は次のとおりになってます。

ピン名称役割
HV1レベルHチャネル1
HV2レベルHチャネル2
HV5V
GND0V, GND
HV3レベルHチャネル3
HV4レベルHチャネル4
LV1レベルLチャネル1
LV2レベルLチャネル2
LV3V3
GND0V, GND
LV3レベルLチャネル3
LV4レベルLチャネル4

4チャネル分の信号を変換できます。素子にはMOSFETが使われているようです。LVにLOW信号の電源3.3Vを繋ぎ、HVにHIGH信号の電源5Vを繋いでおきます。GNDは共通で繋ぎます。

ESP32とロジックレベル変換モジュールの配線図

実際にESP32とロジックレベル変換モジュールを配線させた図です。ここではMOSFETを使ってますが、4ch分ありますのでI2Cでの配線も理解できますね?

ESP32とロジックレベル変換モジュールの配線図
ESP32とロジックレベル変換モジュールの配線図

オシロスコープで波形の確認

実際に出力信号をオシロスコープで確認してみました。LV1とHV1を比較したところ、確かに3.3Vが5V信号へ変換されてます。

オシロスコープで3.3Vと5Vの信号波形の確認
オシロスコープで3.3Vと5Vの信号波形の確認

ESP32のI2Cのクロック周波数はデフォルトで100kHzが使われるようですので、100kHzのPWM信号で確認してみました。5V変換後の立ち上がりは丸みを帯びてますが、これでもI2C通信は可能なのがデジタルの良いところです。

オシロスコープで100kHzのPWM信号の確認
オシロスコープで100kHzのPWM信号の確認

PWM(100kHz)のプログラミング例

先ほどオシロスコープで確認するために作ったPWM信号のソースコードは次のとおりです。

cpp
/**
 * @date 2022-12-20
 * @author Toshihiko Arai
 * @copyright https://101010.fun
 */
#include <Arduino.h>

// PWMが使える端子は限られている
#define PWM_PIN 33
#define PWM_FREQ 100000 // 100kHz -> default I2C clock freq
#define PWM_CHANNEL 0
#define PWM_BIT 8

void setup() {
    pinMode(PWM_PIN, OUTPUT);
    ledcSetup(PWM_CHANNEL, PWM_FREQ, PWM_BIT);
    ledcAttachPin(PWM_PIN, PWM_CHANNEL);
}
void loop() {
    ledcWrite(PWM_CHANNEL, 128); // duty 50%
    delay(15);
}

最後までご覧いただきありがとうございます!

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▼ Arduino初心者向きの内容です。ほかのArduino書籍と比べて図や説明がとてもていねいで読みやすいです。Arduinoで一通りのセンサーが扱えるようになります。

▼ 外国人が書いた本を翻訳したものです。この手の書籍は、目からうろこな発見をすることが多いです。

▼ Arduinoの入門書を既に読んでいる方で、次のステップを目指したい人向きの本です。C言語のプログラミングの内容が中心です。ESP32だけでなく、ふつうのArduinoにも役立つ内容でした。

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