Что такое подтягивающий резистор, и зачем он нужен?

Резисторы являются устройствами ограничения тока, которые широко используются в электронных схемах и изделиях. Резистор – это пассивный компонент, который обеспечивает сопротивление при протекании тока через него. Сегодня существует много разных типов резисторов.

Если мы рассмотрим цифровую схему, то ее контакты всегда будут либо в состоянии логического 0, либо в состоянии логической 1. В некоторых случаях нам нужно изменить состояние с 0 на 1 или с 1 на 0. В любом случае нам нужно удерживать цифровой контакт либо в 0 и затем изменить состояние на 1, либо нам нужно удерживать его на 1, а затем изменить на 0. В обоих случаях нам нужно сделать цифровой вывод либо «высоким», либо «низким», но его нельзя оставлять плавающим.

Таким образом, в каждом случае состояние меняется, как показано ниже.

Теперь, если мы заменим значение High и Low фактическим значением напряжения, то High будет логическим уровнем 1 (скажем, 5V), а Low будет заземлением или 0 В.

Pull-up резистор используется, чтобы сделать состояние по умолчанию цифрового вывода высоким, то есть High (на изображении выше это 5 В), а Pull-Down резистор делает в точности наоборот, он делает состояние по умолчанию цифрового контакта низким, то есть Low (0 В).

Но зачем нам нужны эти резисторы, вместо этого мы могли бы подключить цифровые логические выводы непосредственно к напряжению уровня логики или к земле, как показано на рисунке ниже?

Так делать нельзя. Поскольку цифровая схема работает при слабом токе, подключение логических контактов непосредственно к напряжению питания или заземлению не является хорошим вариантом. Поскольку прямое соединение в конечном итоге увеличивает ток, как и короткое замыкание, это может привести к повреждению чувствительной логической схемы. Чтобы контролировать ток, нам нужны резисторы с понижением или повышением напряжения. Подтягивающий к питанию (pull-up) резистор позволяет контролировать поток тока от источника напряжения питания к цифровым входным контактам, а подтягивающие к земле (pull-down) резисторы могут эффективно управлять током от цифровых контактов к земле. В то же время оба резистора, повышающий и понижающий, поддерживают цифровое состояние низкого или высокого логического уровня.

Где и как использовать подтягивающие резисторы

Ссылаясь на приведенное выше изображение микроконтроллера, где цифровые логические выводы закорочены с заземлением и питанием, мы могли бы изменить соединение, используя pull-up и pull-down резисторы. Предположим, нам нужно логическое состояние по умолчанию, и мы хотим изменить состояние с помощью некоторого взаимодействия или внешних периферийных устройств, мы используем pull-up или pull-down резисторы

Использование pull-up резистора

Если нам нужно высокое логическое состояние по умолчанию и мы хотим изменить состояние на низкое с помощью внешнего взаимодействия, мы можем использовать подтягивающий резистор, как показано на рисунке ниже.

Цифровой логический входной контакт P0.5 может переключаться с логической 1 или High на логическую 0 или Low с помощью переключателя SW1. Резистор R1 действует как подтягивающий резистор. Он связан с логическим напряжением от источника питания 5В. Таким образом, когда переключатель не нажат, на контакт логического входа всегда подается напряжение по умолчанию 5 В, если контакт не закорочен на землю, то логический уровень станет низким (Low).

Однако, как мы уже говорили, контакт не может быть напрямую закорочен на землю или питание, поскольку это в конечном итоге приведет к повреждению цепи из-за короткого замыкания, но в этом случае мы снова замыкаем на землю с помощью замкнутого переключателя. Но, посмотрите внимательно, на самом деле это не короткое замыкание. Поскольку, согласно закону Ома, из-за сопротивления подтягивающего резистора небольшое количество тока будет течь от источника к резистору и переключателю и затем достигнет земли.

Если мы не используем этот подтягивающий резистор, выход будет непосредственно закорочен на землю при нажатии переключателя, с другой стороны, когда переключатель будет разомкнут, вывод логического уровня будет плавать, что может дать некоторый нежелательный результат.

Использование pull-down резистора

То же самое верно и для резистора с понижением напряжения. Рассмотрим нижеследующее соединение, где показан pull-down резистор в цепи.

На изображении выше происходит прямо противоположное предыдущему варианту с pull-up резистором. Здесь мы имеем понижающий резистор R1, который связан с землей или 0В. Таким образом, вывод цифрового логического уровня P0.3 по умолчанию равен 0 до тех пор, пока не будет нажат переключатель, и вывод логического уровня не станет высоким. В этом случае небольшое количество тока протекает от источника 5 В через замкнутый переключатель и pull-down резистор, что предотвращает замыкание линии с источником 5 В.

Таким образом, для различных схем логического уровня мы можем использовать резисторы Pull-up и Pull-down. Это наиболее часто встречается в различном встроенном оборудовании, однопроводной системе протоколов, периферийных соединениях, Raspberry Pi, Arduino и прочих микроконтроллерных и микропроцессорных устройствах.

Расчет подтягивающего резистора

Теперь, когда мы знаем, как использовать подтягивающие резисторы Pull-up и Pull-down, возникает вопрос, как рассчитать номинал этих резисторов? Хотя во многих схемах цифрового логического уровня мы видим повышающие или понижающие резисторы в диапазоне от 2 кОм до 4,7 кОм. Но каково будет действительное номинальное значение?

Чтобы понять это, нам нужно знать, что такое логическое напряжение. Какое напряжение является низким логическим уровнем, а какое – высоким? Для различных логических уровней различные микроконтроллеры используют разные диапазоны напряжения для высокого логического уровня и низкого логического уровня. Если мы рассмотрим вход уровня транзисторно-транзисторной логики (TTL), ниже на графике будет показано минимальное логическое напряжение для высокого логического сигнала и максимальное логическое напряжение для обнаружения низкого логического сигнала.

Как мы видим, для логики TTL максимальное напряжение логического 0 составляет 0,8 В. Таким образом, если мы предоставим менее 0,8 В, логический уровень будет принят как 0. С другой стороны, если мы обеспечим более 2 В до максимума 5,25 В, сигнал будет распознан как высокий логический уровень. Но при напряжении от 0,8 до 2 В это пустая область, при этом напряжении нельзя гарантировать, что логика будет принята High или Low. Итак, для безопасности, в архитектуре TTL мы принимаем от 0 В до 0,8 В как низкий уровень и от 2 В до 5 В как высокие, что гарантирует, что 0 и 1 будут распознаваться логическими микросхемами при этом предельном напряжении.

Для определения значения подтягивающего резистора по формуле используется простой закон Ома:

В случае подтягивающего pull-up резистора, V будет напряжением источника. И ток будет максимальным током, потребляемым логическими линиями.

Здесь Vпит – это напряжение питания, Vвыс(min) – это минимальное допустимое напряжение высокого логического уровня, а Iпотр – максимальный ток, потребляемый цифровым выводом.

То же самое относится и к pull-down резистору. Но формула имеет небольшое изменение.

Здесь Vниз(max) – максимальное напряжение низкого логического уровня, а Iотд – максимальный ток, отдаваемый цифровым выводом.

© digitrode.ru

Теги: резистор