In deze post gaan we de pull-up-weerstand en pull-down-weerstand onderzoeken, waarom ze vaak worden gebruikt in elektronische circuits, wat er gebeurt met elektronische circuits zonder pull-up- of pull-down-weerstand, en hoe pull-up en Pull-down weerstandswaarden en tot slot zullen we zien over de open collector-configuratie.

Hoe logische inputs en outputs werken in digitale schakelingen

In digitale elektronica en de meeste op microcontrollers gebaseerde circuits worden de betrokken digitale signalen verwerkt in de vorm van logic1 of logic0, d.w.z. 'HIGH' of 'LOW'.

Digitale logische poorten worden de fundamentele eenheden van elk digitaal circuit, en door de poort 'EN', 'OF' en 'NIET' te gebruiken, zijn we in staat complexe circuits te bouwen, maar zoals hierboven vermeld, kunnen digitale poorten slechts twee spanningsniveaus accepteren die 'HOOG' ”En“ LAAG ”.

De 'HIGH' en 'LOW' hebben over het algemeen de vorm van respectievelijk 5V en 0V. 'HIGH' wordt ook wel '1' of positief signaal van de voeding genoemd en 'LOW' wordt ook wel '0' of negatief signaal van de voeding genoemd.

Problemen doen zich voor in een logisch circuit of een microcontroller wanneer de gevoede ingang zich ergens in het ongedefinieerde gebied tussen 2V en 0V bevindt.

In een dergelijke situatie kan een logische schakeling of microcontroller het signaal niet goed herkennen, en zal de schakeling een aantal verkeerde aannames doen en uitvoeren.

Over het algemeen kan een logische poort het signaal als 'LAAG' herkennen als de invoer lager is dan 0,8 V en kan het signaal als 'HOOG' herkennen als de invoer hoger is dan 2 V. Voor microcontrollers kan dit eigenlijk erg variëren.

Ongedefinieerde logische invoerniveaus

De problemen doen zich voor wanneer het signaal tussen 0,8 V en 2 V ligt en willekeurig varieert bij de ingangspennen. Dit probleem kan worden verklaard met een voorbeeldcircuit met een schakelaar die is aangesloten op een IC of een microcontroller.

Stel dat een circuit gebruikmaakt van een microcontroller of een IC, als we het circuit sluiten, wordt de ingangspen 'LOW' en wordt het relais 'ON'.

Als we de schakelaar openen, moet het relais 'UIT' gaan, toch? Nou niet echt.

We weten dat de digitale IC's en digitale microcontrollers alleen invoer opnemen als 'HOOG' of 'LAAG', wanneer we de schakelaar openen, is de ingangspen gewoon open. Het is niet 'HOOG' noch 'LAAG'.

De ingangspen moet 'HOOG' zijn om het relais uit te schakelen, maar in de open situatie wordt deze pen kwetsbaar voor verdwaalde pickups, statische ladingen en andere elektrische ruis van de omgeving, waardoor het relais AAN en UIT kan gaan willekeurig.

Om dergelijke willekeurige triggers als gevolg van strooivoltage te voorkomen, wordt het in dit voorbeeld verplicht om de getoonde digitale ingangspen aan een 'HIGH' -logica te koppelen, zodat wanneer de schakelaar wordt omgedraaid, de pen automatisch verbinding maakt met een gedefinieerde toestand 'HOOG' of het positieve toevoerniveau van de IC.

Om de pin “HIGH” te houden kunnen we de input pin verbinden met Vcc.

In het onderstaande circuit is de ingangspen verbonden met Vcc, waardoor de ingang 'HIGH' blijft als we de schakelaar openen, wat willekeurige activering van het relais voorkomt.

U denkt misschien, nu hebben we de oplossing uitgewerkt. Maar nee .... nog niet!

Volgens het diagram als we de schakelaar sluiten, zal er kortsluiting zijn en het hele systeem uitschakelen en kortsluiten. Uw circuit kan nooit een ergste situatie hebben dan kortsluiting.

De kortsluiting is te wijten aan een zeer grote stroom die door een pad met een lage weerstand vloeit, waardoor de PCB-sporen worden verbrand, de zekering wordt opgeblazen, de veiligheidsschakelaars worden geactiveerd en zelfs uw circuit kan worden beschadigd.

Om een dergelijke zware stroom te voorkomen en ook om de ingangspen in 'HIGH' -conditie te houden, kunnen we een weerstand gebruiken die is aangesloten op Vcc, dat wil zeggen tussen de 'rode lijn'.

In deze situatie zal de pin in een 'HIGH' staat zijn als we de schakelaar openen, en bij het sluiten van de schakelaar zal er geen kortsluiting zijn, en ook de input pin mag rechtstreeks verbinding maken met de GND, waardoor het ' LAAG'.

Als we de schakelaar sluiten, is er een verwaarloosbare spanningsval via de pull-up-weerstand en blijft de rest van het circuit onaangetast.

Men moet de waarde van de Pull-Up / Pull-Down-weerstand optimaal kiezen, zodat er geen teveel door de weerstand wordt getrokken.

De waarde van de pull-upweerstand berekenen:

Om een optimale waarde te berekenen, moeten we 3 parameters kennen: 1) Vcc 2) Minimale drempel ingangsspanning die kan garanderen dat de uitgang 'HOOG' wordt 3) Hoog niveau ingangsstroom (de vereiste stroom). Al deze gegevens worden vermeld in de datasheet.

Laten we het voorbeeld nemen van een logische NAND-poort. Volgens het gegevensblad is Vcc 5V, minimale drempel ingangsspanning (hoog niveau ingangsspanning V._HEN) is 2V en hoog niveau ingangsstroom (I._HEN) is 40 uA.

“hoe stoorzenders voor mobiele telefoons werken ”

Door de wet van Ohm toe te passen, kunnen we de juiste weerstandswaarde vinden.

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

Waar,

Vcc is de bedrijfsspanning,

V._{IH (MIN)}is HOOG niveau ingangsspanning,

ik_HENis de ingangsstroom op hoog niveau.

Laten we nu de matching doen,

R = 5 - 2/40 x 10 ^ -6 = 75K ohm.

We kunnen een weerstandswaarde van maximaal 75K ohm gebruiken.

NOTITIE:

Deze waarde wordt berekend voor ideale omstandigheden, maar we leven niet in een ideale wereld. Voor de beste werking kunt u een weerstand aansluiten die iets lager is dan de berekende waarde, bijvoorbeeld 70K, 65k of zelfs 50K ohm, maar verlaag de weerstand niet laag genoeg om een enorme stroom te geleiden, bijvoorbeeld 100 ohm, 220 ohm voor het bovenstaande voorbeeld.

Pull-Up weerstanden met meerdere poorten

In het bovenstaande voorbeeld hebben we gezien hoe we een pull-up-weerstand voor één poort kiezen. Wat als we 10 poorten hebben die allemaal moeten worden aangesloten op een pull-up-weerstand?

Een van de manieren is om 10 Pull-Up-weerstanden op elk van de poort aan te sluiten, maar dit is geen kosteneffectieve en gemakkelijke oplossing. De beste oplossing zou zijn om alle ingangspennen met elkaar te verbinden met een enkele pull-up-weerstand.

Volg de onderstaande formule om de waarde van de pull-upweerstand voor de bovenstaande conditie te berekenen:

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

De 'N' is het aantal poorten.

U zult merken dat de bovenstaande formule hetzelfde is als de vorige, het enige verschil is het vermenigvuldigen van het aantal poorten.

Dus laten we de wiskunde nog een keer doen,

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

Nu hebben we voor de 10 NAND-poorten de weerstandswaarde op een manier dat de stroom 10 keer hoger is dan één NAND-poort (in het vorige voorbeeld), zodat de weerstand minimaal 2V kan behouden bij piekbelasting, wat het vereiste kan garanderen output zonder enige fout.

U kunt dezelfde formule gebruiken voor het berekenen van de Pull-Up-weerstand voor elke toepassing.

Pull-down weerstanden:

De Pull-Up weerstand houdt de pin 'HIGH' als er geen ingang is aangesloten met Pull-down weerstand, het houdt de pin 'LOW' als er geen ingang is aangesloten.

De pull-down-weerstand wordt gemaakt door de weerstand met aarde te verbinden in plaats van Vcc.

De Pull-Down kan worden berekend door:

R = V_{IL (MAX)}/ Ik_DE

Waar,

V._{IL (MAX)}is een LAGE ingangsspanning.

ik_DEis een LAGE ingangsstroom.

Al deze parameters worden vermeld in de datasheet.

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

We kunnen een maximale weerstand van 500 ohm gebruiken voor pull-down.

Maar nogmaals, we zouden een weerstandswaarde van minder dan 500 ohm moeten gebruiken.

Uitgang open collector / Open afvoer:

We kunnen zeggen dat een pin 'open collector output' is als de IC de output niet 'HIGH' kan aansturen, maar alleen de output 'LOW' kan sturen. Het verbindt eenvoudig de uitgang met de grond of verbreekt de verbinding met aarde.

We kunnen zien hoe de open collector-configuratie wordt gemaakt in een IC.

Aangezien de uitgang ofwel massa ofwel een open circuit is, moeten we een externe Pull-Up-weerstand aansluiten die de pin 'HOOG' kan draaien wanneer de transistor UIT is.

Dit is hetzelfde voor Open drain, het enige verschil is dat de interne transistor in het IC een MOSFET is.

Nu kunt u zich afvragen waarom we een configuratie met open afvoer nodig hebben? We moeten hoe dan ook een Pull-Up-weerstand aansluiten.

Welnu, de uitgangsspanning kan worden gevarieerd door verschillende weerstandswaarden te kiezen bij de open collectoruitgang, dus het geeft meer flexibiliteit voor de belasting. We kunnen een belasting aansluiten op de uitgang met een hogere of lagere bedrijfsspanning.

Als we een vaste pull-up-weerstandswaarde hadden, kunnen we de spanning aan de uitgang niet regelen.

Een nadeel van deze configuratie is dat deze een enorme stroom verbruikt en mogelijk niet batterijvriendelijk is, maar een hogere stroom nodig heeft voor een juiste werking.

Laten we een voorbeeld nemen van IC 7401 open drain logic 'NAND' -poort en kijken hoe de pull-up weerstandswaarde kan worden berekend.

We hebben de volgende parameters nodig:

V._{OL (MAX)}dit is de maximale ingangsspanning naar IC 7401 die kan garanderen dat de uitgang 'LAAG' (0,4 V) wordt.

ik_{OL (MAX)}dat is de lage ingangsstroom (16mA).

Vcc is de bedrijfsspanning die 5V is.