In diesem Beitrag werden wir uns mit Pull-Up-Widerständen und Pull-Down-Widerständen befassen, warum sie häufig in elektronischen Schaltkreisen verwendet werden, was mit elektronischen Schaltkreisen ohne Pull-Up- oder Pull-Down-Widerstand geschieht und wie Pull-Up und berechnet werden Pull-Down-Widerstandswerte und schließlich werden wir über die Open-Collector-Konfiguration sehen.

Funktionsweise von Logikeingängen und -ausgängen in digitalen Schaltkreisen

In der digitalen Elektronik und den meisten auf Mikrocontrollern basierenden Schaltungen werden die beteiligten digitalen Signale in Form von Logik1 oder Logik0 verarbeitet, d. H. 'HOCH' oder 'NIEDRIG'.

Digitale Logikgatter werden zu den Grundeinheiten jeder digitalen Schaltung, und durch die Verwendung von 'UND' -, 'ODER' - und 'NICHT' -Gattern können wir komplexe Schaltungen aufbauen. Wie oben erwähnt, können digitale Gatter jedoch nur zwei Spannungspegel akzeptieren, die 'HOCH' sind ' und tief'.

'HIGH' und 'LOW' liegen im Allgemeinen in Form von 5 V bzw. 0 V vor. 'HIGH' wird auch als '1' oder positives Signal der Versorgung bezeichnet und 'LOW' wird auch als '0' oder negatives Signal der Versorgung bezeichnet.

Probleme treten in einer Logikschaltung oder einem Mikrocontroller auf, wenn sich der eingespeiste Eingang irgendwo im undefinierten Bereich zwischen 2 V und 0 V befindet.

In einer solchen Situation erkennt eine Logikschaltung oder ein Mikrocontroller das Signal möglicherweise nicht richtig, und die Schaltung wird einige falsche Annahmen treffen und ausführen.

Im Allgemeinen kann ein Logikgatter das Signal als 'LOW' erkennen, wenn der Eingang unter 0,8 V liegt, und das Signal als 'HIGH' erkennen, wenn der Eingang über 2 V liegt. Bei Mikrocontrollern kann dies tatsächlich sehr unterschiedlich sein.

Undefinierte Eingabelogikebenen

Die Probleme treten auf, wenn das Signal zwischen 0,8 V und 2 V liegt und an den Eingangspins zufällig variiert. Dieses Problem kann mit einer Beispielschaltung unter Verwendung eines an einen IC oder einen Mikrocontroller angeschlossenen Schalters erklärt werden.

Angenommen, ein Stromkreis verwendet einen Mikrocontroller oder einen IC. Wenn wir den Stromkreis schließen, geht der Eingangspin auf „LOW“ und das Relais auf „ON“.

Wenn wir den Schalter öffnen, sollte das Relais „AUS“ schalten, oder? Nicht wirklich.

Wir wissen, dass die digitalen ICs und digitalen Mikrocontroller den Eingang nur als 'HIGH' oder 'LOW' annehmen. Wenn wir den Schalter öffnen, ist der Eingangspin nur offen. Es ist weder 'HOCH' noch 'NIEDRIG'.

Der Eingangspin muss „HIGH“ sein, um das Relais auszuschalten. In der geöffneten Situation ist dieser Pin jedoch anfällig für streunende Tonabnehmer, statische Streuladungen und andere elektrische Störungen aus der Umgebung, die dazu führen können, dass das Relais ein- und ausgeschaltet wird nach dem Zufallsprinzip.

Um solche zufälligen Auslöser aufgrund von Streuspannung zu vermeiden, muss in diesem Beispiel der gezeigte digitale Eingangspin mit einer „HIGH“ -Logik verbunden werden, damit der Pin beim Ausschalten des Schalters automatisch mit einem definierten Zustand „HIGH“ verbunden wird. oder das positive Versorgungsniveau des IC.

Um den Pin „HIGH“ zu halten, können wir den Eingangspin mit Vcc verbinden.

In der folgenden Schaltung ist der Eingangspin mit Vcc verbunden, wodurch der Eingang „HIGH“ bleibt, wenn wir den Schalter öffnen, wodurch ein zufälliges Auslösen des Relais verhindert wird.

Sie denken vielleicht, jetzt haben wir die Lösung ausgearbeitet. Aber nein ... noch nicht!

Gemäß dem Diagramm kommt es beim Schließen des Schalters zu einem Kurzschluss und zum Abschalten und Kurzschließen des gesamten Systems. Ihre Schaltung kann niemals eine schlimmste Situation als einen Kurzschluss haben.

Der Kurzschluss ist auf einen sehr großen Strom zurückzuführen, der durch einen niederohmigen Pfad fließt, der die Leiterplattenspuren verbrennt, die Sicherung durchbrennt, Sicherheitsschalter auslöst und sogar Ihren Stromkreis tödlich beschädigen kann.

Um einen derart starken Stromfluss zu verhindern und den Eingangspin im Zustand 'HOCH' zu halten, können wir einen Widerstand verwenden, der an Vcc angeschlossen ist, dh zwischen der 'roten Linie'.

In dieser Situation befindet sich der Pin in einem 'HIGH' -Zustand, wenn wir den Schalter öffnen, und beim Schließen des Schalters tritt kein Kurzschluss auf, und auch der Eingangs-Pin kann direkt mit dem GND verbunden werden, wodurch er ' NIEDRIG'.

Wenn wir den Schalter schließen, kommt es zu einem vernachlässigbaren Spannungsabfall über den Pull-Up-Widerstand, und der Rest des Stromkreises bleibt davon unberührt.

Man muss den Pull-Up / Pull-Down-Widerstandswert optimal wählen, damit kein Überschuss durch den Widerstand gezogen wird.

Berechnung des Pull-Up-Widerstandswerts:

Um einen optimalen Wert zu berechnen, müssen wir 3 Parameter kennen: 1) Vcc 2) Mindestschwellen-Eingangsspannung, die garantieren kann, dass der Ausgang „HIGH“ wird. 3) Hochpegeliger Eingangsstrom (der erforderliche Strom). Alle diese Daten sind im Datenblatt aufgeführt.

Nehmen wir das Beispiel eines logischen NAND-Gatters. Gemäß seinem Datenblatt beträgt Vcc 5 V, minimale Schwelleneingangsspannung (Hochpegel-Eingangsspannung V._SIE) ist 2 V und ein Eingangsstrom mit hohem Pegel (I._SIE) beträgt 40 uA.

“Der Hauptnachteil der Verwendung von CGI-Skripten besteht darin, dass: ”

Durch Anwendung des Ohmschen Gesetzes können wir den richtigen Widerstandswert finden.

R = Vcc - V._{IH (MIN)}/ ICH_SIE

Wo,

Vcc ist die Betriebsspannung,

V._{IH (MIN)}ist HIGH Level Eingangsspannung,

ich_SIEist der Eingangsstrom mit hohem Pegel.

Lassen Sie uns nun den Abgleich durchführen.

R = 5 - 2/40 · 10 & supmin; & sup6; = 75 kOhm.

Wir können einen Widerstandswert von maximal 75 kOhm verwenden.

HINWEIS:

Dieser Wert wird für ideale Bedingungen berechnet, aber wir leben nicht in einer idealen Welt. Für einen optimalen Betrieb können Sie einen Widerstand anschließen, der etwas niedriger als der berechnete Wert ist, z. B. 70 K, 65 K oder sogar 50 K Ohm. Reduzieren Sie den Widerstand jedoch nicht so niedrig, dass er einen großen Strom leitet, z. B. 100 Ohm, 220 Ohm für das obige Beispiel.

Pull-Up-Widerstände mit mehreren Gates

Im obigen Beispiel haben wir gesehen, wie ein Pull-up-Widerstand für ein Gate ausgewählt wird. Was ist, wenn wir 10 Gates haben, die alle an den Pull-Up-Widerstand angeschlossen werden müssen?

Eine Möglichkeit besteht darin, 10 Pull-Up-Widerstände an jedem Gate anzuschließen. Dies ist jedoch keine kostengünstige und einfache Lösung. Die beste Lösung wäre, alle Eingangspins mit einem einzigen Pull-Up-Widerstand zu verbinden.

Um den Pull-Up-Widerstandswert für die obige Bedingung zu berechnen, befolgen Sie die folgende Formel:

R = Vcc - V._{IH (MIN)}/ N x I._SIE

Das 'N' ist die Anzahl der Tore.

Sie werden feststellen, dass die obige Formel mit der vorherigen identisch ist. Der einzige Unterschied besteht darin, die Anzahl der Tore zu multiplizieren.

Also, lass uns noch einmal rechnen,

R = 5 & supmin; ² / 10 · 40 · 10 & supmin; & sup6; = 7,5 kOhm (maximal)

Für die 10 NAND-Gatter haben wir den Widerstandswert so erhalten, dass der Strom zehnmal höher ist als bei einem NAND-Gatter (im vorherigen Beispiel), sodass der Widerstand bei Spitzenlast mindestens 2 V aufrechterhalten kann, was die erforderliche Leistung gewährleisten kann Ausgabe ohne Fehler.

Sie können dieselbe Formel für die Berechnung des Pull-Up-Widerstands für jede Anwendung verwenden.

Pulldown-Widerstände:

Der Pull-Up-Widerstand hält den Pin „HIGH“, wenn kein Eingang mit dem Pull-Down-Widerstand verbunden ist, und den Pin „LOW“, wenn kein Eingang angeschlossen ist.

Der Pulldown-Widerstand wird hergestellt, indem der Widerstand anstelle von Vcc mit Masse verbunden wird.

Der Pulldown kann berechnet werden durch:

R = V._{IL (MAX)}/ ICH_DAS

Wo,

V._{IL (MAX)}ist die Eingangsspannung mit niedrigem Pegel.

ich_DASist der Eingangsstrom mit niedrigem Pegel.

Alle diese Parameter sind im Datenblatt aufgeführt.

R = 0,8 / 1,6 · 10 & supmin; ³ = 0,5 kOhm

Wir können maximal 500 Ohm Widerstand für Pulldown verwenden.

Aber auch hier sollten wir einen Widerstandswert von weniger als 500 Ohm verwenden.

Open Collector Output / Open Drain:

Wir können sagen, dass ein Pin 'Open Collector Output' ist, wenn der IC den Ausgang 'HIGH' nicht ansteuern kann, sondern nur seinen Ausgang 'LOW'. Es verbindet einfach den Ausgang mit Masse oder trennt ihn von Masse.

Wir können sehen, wie die Open-Collector-Konfiguration in einem IC vorgenommen wird.

Da der Ausgang entweder geerdet oder offen ist, müssen wir einen externen Pull-Up-Widerstand anschließen, der den Pin „HIGH“ drehen kann, wenn der Transistor ausgeschaltet ist.

Dies gilt auch für Open Drain. Der einzige Unterschied besteht darin, dass der interne Transistor im IC ein MOSFET ist.

Nun fragen Sie sich vielleicht, warum wir eine offene Abflusskonfiguration benötigen. Wir müssen sowieso einen Pull-Up-Widerstand anschließen.

Nun, die Ausgangsspannung kann variiert werden, indem unterschiedliche Widerstandswerte am Open-Collector-Ausgang gewählt werden, wodurch die Last flexibler wird. Wir können die Last am Ausgang anschließen, der eine höhere oder niedrigere Betriebsspannung hat.

Wenn wir einen festen Pull-up-Widerstandswert hätten, könnten wir die Spannung am Ausgang nicht steuern.

Ein Nachteil dieser Konfiguration besteht darin, dass sie großen Strom verbraucht und möglicherweise nicht batteriefreundlich ist. Für den korrekten Betrieb wird ein höherer Strom benötigt.

Nehmen wir ein Beispiel für das NAND-Gatter mit offener Drain-Logik des IC 7401 und sehen wir, wie der Pull-up-Widerstandswert berechnet wird.

Wir müssen die folgenden Parameter kennen:

V._{OL (MAX)}Dies ist die maximale Eingangsspannung des IC 7401, die garantieren kann, dass der Ausgang auf „LOW“ (0,4 V) geschaltet wird.

ich_{OL (MAX)}Dies ist der Eingangsstrom mit niedrigem Pegel (16 mA).

Vcc ist die Betriebsspannung von 5V.