W tym poście zamierzamy zbadać rezystor pull-up i rezystor pull-down, dlaczego są one powszechnie stosowane w obwodach elektronicznych, co dzieje się z obwodami elektronicznymi bez rezystora pull-up lub pull-down oraz jak obliczyć pull-up i Wartości rezystorów pull-down i wreszcie zobaczymy konfigurację z otwartym kolektorem.

Jak działają wejścia i wyjścia logiczne w obwodach cyfrowych

W elektronice cyfrowej i większości obwodów opartych na mikrokontrolerach zaangażowane sygnały cyfrowe są przetwarzane w postaci logiki1 lub logiki0, czyli „WYSOKI” lub „NISKI”.

Cyfrowe bramki logiczne stają się podstawowymi jednostkami każdego obwodu cyfrowego, a wykorzystując bramki „AND”, „OR” i „NOT” jesteśmy w stanie budować złożone obwody, jednak, jak wspomniano powyżej, cyfrowe bramki mogą akceptować tylko dwa poziomy napięcia, które „WYSOKI ' i nisko'.

„WYSOKI” i „NISKI” mają zwykle postać odpowiednio 5 V i 0 V. „WYSOKI” jest również określany jako „1” lub dodatni sygnał zasilania, a „NISKI” jest również określany jako „0” lub ujemny sygnał zasilania.

Problemy pojawiają się w obwodzie logicznym lub mikrokontrolerze, gdy zasilane wejście znajduje się gdzieś w nieokreślonym obszarze między 2V a 0V.

W takiej sytuacji układy logiczne lub mikrokontroler mogą nie rozpoznać poprawnie sygnału, a układ dokona pewnych błędnych założeń i wykona.

Generalnie bramka logiczna może rozpoznać sygnał jako „NISKI”, jeśli na wejściu jest poniżej 0,8 V i może rozpoznać sygnał jako „WYSOKI”, jeśli napięcie na wejściu przekracza 2 V. W przypadku mikrokontrolerów może się to znacznie różnić.

Niezdefiniowane poziomy logiki wejściowej

Problemy pojawiają się, gdy sygnał ma wartość od 0,8 V do 2 V i zmienia się losowo na pinach wejściowych, ten problem można wyjaśnić na przykładzie obwodu z przełącznikiem podłączonym do układu scalonego lub mikrokontrolera.

Przyjmijmy układ z mikrokontrolerem lub układem scalonym, jeśli zamkniemy obwód, pin wejściowy przechodzi w stan „LOW”, a przekaźnik w stan „ON”.

Jeśli otworzymy przełącznik, przekaźnik powinien się wyłączyć, prawda? No nie bardzo.

Wiemy, że cyfrowe układy scalone i cyfrowe mikrokontrolery przyjmują tylko wejście jako „WYSOKI” lub „NISKI”, kiedy otwieramy przełącznik, pin wejściowy jest po prostu rozwarty. Nie jest ani „WYSOKI”, ani „NISKI”.

Styk wejściowy musi być „WYSOKI” w celu wyłączenia przekaźnika, ale w sytuacji otwartej ten pin staje się podatny na zbłąkane przetworniki, zbłąkane ładunki statyczne i inne szumy elektryczne z otoczenia, które mogą powodować włączanie i wyłączanie przekaźnika losowo.

Aby zapobiec takim przypadkowym wyzwoleniom z powodu napięcia błądzącego, w tym przykładzie konieczne staje się powiązanie pokazanego styku wejścia cyfrowego z logiką „WYSOKA”, tak aby po wyłączeniu przełącznika styk automatycznie łączył się ze zdefiniowanym stanem „WYSOKI” lub dodatni poziom podaży IC.

Aby utrzymać pin „HIGH”, możemy podłączyć pin wejściowy do Vcc.

W poniższym obwodzie pin wejściowy jest podłączony do Vcc, co powoduje, że po rozwarciu przełącznika na wejściu pozostaje „HIGH”, co zapobiega przypadkowemu wyzwoleniu przekaźnika.

Możesz pomyśleć, teraz mamy wypracowane rozwiązanie. Ale nie ... jeszcze nie!

Zgodnie ze schematem jeśli zamkniemy wyłącznik to nastąpi zwarcie i wyłączy się i zwierze cały układ. Twój obwód nigdy nie może mieć gorszej sytuacji niż zwarcie.

Zwarcie jest spowodowane bardzo dużym prądem płynącym przez ścieżkę o niskiej rezystancji, który spala ślady PCB, przepalanie bezpiecznika, wyzwalanie wyłączników bezpieczeństwa, a nawet może spowodować śmiertelne uszkodzenie obwodu.

Aby zapobiec tak dużemu przepływowi prądu, a także utrzymać pin wejściowy w stanie „HIGH”, możemy wykorzystać rezystor, który jest podłączony do Vcc, czyli między „czerwoną linią”.

W tej sytuacji pin będzie w stanie „WYSOKI” jeśli otworzymy przełącznik, a po zamknięciu przełącznika nie będzie zwarcia, a także pin wejściowy będzie mógł łączyć się bezpośrednio z GND, dzięki czemu „ NISKA'.

Jeśli zamkniemy przełącznik, nastąpi znikomy spadek napięcia na rezystorze podciągającym, a reszta obwodu pozostanie nienaruszona.

Należy optymalnie dobrać wartość rezystora pull-up / pull-down, aby nie przepuszczał nadmiaru przez rezystor.

Obliczanie wartości rezystora podciągającego:

Aby obliczyć optymalną wartość, musimy znać 3 parametry: 1) Vcc 2) Minimalne progowe napięcie wejściowe, które gwarantuje, że wyjście będzie „WYSOKIE” 3) Wysoki poziom prądu wejściowego (wymagany prąd). Wszystkie te dane są wymienione w arkuszu danych.

Weźmy przykład logicznej bramki NAND. Zgodnie z arkuszem danych Vcc wynosi 5 V, minimalne napięcie wejściowe progu (napięcie wejściowe wysokiego poziomu V._IM) wynosi 2 V i prąd wejściowy wysokiego poziomu (I._IM) wynosi 40 uA.

“jakiego rodzaju medium transmisyjnego używa komunikacja bezprzewodowa? ”

Stosując prawo Ohma, możemy znaleźć prawidłową wartość rezystora.

R = Vcc - V_{IH (MIN)}/ JA_IM

Gdzie,

Vcc to napięcie robocze,

V_{IH (MIN)}jest napięciem wejściowym WYSOKIEGO poziomu,

ja_IMjest prądem wejściowym WYSOKIEGO poziomu.

Teraz zróbmy dopasowanie,

R = 5 - 2/40 x 10 ^ -6 = 75 kiloomów.

Możemy użyć rezystora o maksymalnej wartości 75 kiloomów.

UWAGA:

Ta wartość jest obliczana dla idealnych warunków, ale nie żyjemy w idealnym świecie. Aby uzyskać najlepsze działanie, można podłączyć rezystor nieco niższy niż obliczona wartość, powiedzmy 70 K, 65 k lub nawet 50 K Ω, ale nie zmniejszaj rezystancji na tyle nisko, aby przewodził duży prąd, na przykład 100 Ω, 220 Ω dla powyższego przykładu.

Rezystory pull-up z wieloma bramkami

W powyższym przykładzie widzieliśmy, jak wybrać rezystor podciągający dla jednej bramki. A co, jeśli mamy 10 bramek, z których wszystkie trzeba podłączyć do rezystora podciągającego?

Jednym ze sposobów jest podłączenie 10 rezystorów podciągających do każdej bramki, ale nie jest to opłacalne i łatwe rozwiązanie. Najlepszym rozwiązaniem byłoby połączenie wszystkich pinów wejściowych razem w jeden rezystor podciągający.

Aby obliczyć wartość rezystora podciągającego dla powyższego stanu, postępuj według poniższego wzoru:

R = Vcc - V_{IH (MIN)}/ N x I_IM

„N” to liczba bramek.

Zauważysz, że powyższy wzór jest taki sam jak poprzedni, jedyną różnicą jest pomnożenie liczby bramek.

Więc zróbmy jeszcze raz matematykę,

R = 5-2 / 10 x 40 x 10 ^ -6 = 7,5 K omów (maksymalnie)

Teraz dla 10 bramek NAND otrzymaliśmy wartość rezystora w taki sposób, że prąd jest 10 razy większy niż jedna bramka NAND (w poprzednim przykładzie), dzięki czemu rezystor może utrzymać minimum 2 V przy obciążeniu szczytowym, co może zagwarantować wymagane wyjście bez żadnego błędu.

Możesz użyć tego samego wzoru do obliczenia rezystora podciągającego dla dowolnej aplikacji.

Rezystory pull-down:

Rezystor pull-up utrzymuje styk „HIGH”, jeśli żadne wejście nie jest połączone z rezystorem pull-down, utrzymuje styk „LOW”, jeśli żadne wejście nie jest podłączone.

Rezystor obniżający jest wykonywany poprzez podłączenie rezystora do masy zamiast Vcc.

Opadanie można obliczyć w następujący sposób:

R = V_{IL (MAX)}/ JA_THE

Gdzie,

V_{IL (MAX)}jest napięciem wejściowym o niskim poziomie.

ja_THEjest prądem wejściowym o niskim poziomie.

Wszystkie te parametry są wymienione w arkuszu danych.

R = 0,8 / 1,6 x 10 ^ -3 = 0,5 kilooma

Do pull-down możemy użyć maksymalnie rezystora 500 omów.

Ale znowu powinniśmy użyć wartości rezystora mniejszej niż 500 omów.

Wyjście typu otwarty kolektor / otwarty spust:

Możemy powiedzieć, że pin jest „wyjściem z otwartym kolektorem”, gdy układ scalony nie może sterować wyjściem „WYSOKI”, ale może tylko sterować wyjściem „NISKIE”. Po prostu łączy wyjście z masą lub odłącza od masy.

Możemy zobaczyć, jak konfiguracja otwartego kolektora jest tworzona w układzie scalonym.

Ponieważ na wyjściu znajduje się masa lub obwód otwarty, musimy podłączyć zewnętrzny rezystor podciągający, który może obrócić pin „HIGH”, gdy tranzystor jest wyłączony.

To samo dotyczy otwartego drenu, jedyną różnicą jest to, że wewnętrzny tranzystor wewnątrz układu scalonego to MOSFET.

Teraz możesz zapytać, dlaczego potrzebujemy konfiguracji otwartego spustu? I tak musimy podłączyć rezystor pull-up.

Cóż, napięcie wyjściowe można zmieniać, wybierając różne wartości rezystorów na wyjściu z otwartym kolektorem, dzięki czemu zapewnia większą elastyczność obciążenia. Do wyjścia można podłączyć obciążenie, które ma wyższe lub niższe napięcie robocze.

Gdybyśmy mieli stałą wartość rezystora podciągającego, nie moglibyśmy kontrolować napięcia na wyjściu.

Jedną z wad tej konfiguracji jest to, że zużywa on ogromny prąd i może nie być przyjazny dla baterii, potrzebuje wyższego prądu do poprawnej pracy.

Weźmy przykład bramki „NAND” logiki otwartego drenu IC 7401 i zobaczmy, jak obliczyć wartość rezystora podciągającego.

Musimy znać następujące parametry:

V_{OL (MAX)}które jest maksymalnym napięciem wejściowym IC 7401, które może zagwarantować ustawienie wyjścia „LOW” (0,4 V).

ja_{OL (MAX)}czyli prąd wejściowy niskiego poziomu (16mA).

Vcc to napięcie robocze, które wynosi 5 V.