Forståelse af pull-up- og pull-down-modstande med diagrammer og formler

Forståelse af pull-up- og pull-down-modstande med diagrammer og formler

I dette indlæg skal vi undersøge pull-up-modstand og pull-down-modstand, hvorfor de ofte bruges i elektroniske kredsløb, hvad der sker med elektroniske kredsløb uden pull-up eller pull-down-modstand, og hvordan man beregner pull-up og Træk ned modstandsværdier, og endelig vil vi se om konfiguration af åben samler.



Sådan fungerer logiske ind- og udgange i digitale kredsløb

I digital elektronik og de fleste mikrocontrollerbaserede kredsløb behandles de involverede digitale signaler i form af logic1 eller logic0, dvs. “HIGH” eller “LOW”.

Digitale logiske porte bliver de grundlæggende enheder i ethvert digitalt kredsløb, og ved at bruge 'AND', 'OR' og 'NOT' gate er vi i stand til at opbygge komplekse kredsløb, men som nævnt ovenfor kan digitale porte kun acceptere to spændingsniveauer, som 'HIGH ”Og” LAV ”.





“HIGH” og “LOW” er generelt i form af henholdsvis 5V og 0V. “HIGH” betegnes også som “1” eller positivt signal fra forsyningen, og “LAV” betegnes også som “0” eller negativt signal fra forsyningen.

Problemer opstår i et logisk kredsløb eller en mikrokontroller, når den tilførte indgang er et eller andet sted i det udefinerede område mellem 2V og 0V.



I en sådan situation genkender logiske kredsløb eller mikrokontroller muligvis ikke signalet korrekt, og kredsløbet antager nogle forkerte antagelser og udfører.

Generelt kan en logisk gate genkende signalet som 'LAV', hvis indgangen er under 0,8 V og kan genkende signalet som 'HØJ', hvis indgangen er over 2 V. For mikrokontrollere kan dette faktisk variere meget.

Udefinerede inputlogiske niveauer

Problemerne opstår, når signalet er mellem 0,8V og 2V og varierer tilfældigt ved indgangsstifterne. Dette problem kan forklares med et eksempel på et kredsløb ved hjælp af en switch tilsluttet en IC eller en mikrocontroller.

Antag et kredsløb ved hjælp af en mikrocontroller eller en IC, hvis vi lukker kredsløbet, går indgangsstiften 'LAV' og relæet tænder 'TIL'.

Hvis vi åbner kontakten, skal relæet slå “OFF”, ikke? Nå ikke rigtig.

Vi ved, at de digitale IC'er og digitale mikrokontrollere kun tager input som enten 'HIGH' eller 'LOW', når vi åbner kontakten, er inputpinden bare åben. Det er hverken “HØJ” eller “LAV”.

Indgangsstiften skal være “HIGH” for at slukke for relæet, men i åben situation bliver denne pin sårbar over for omstrejfende pickupper, omstrejfende statiske opladninger og anden elektrisk støj fra omgivelserne, hvilket kan få relæet til at tænde og slukke tilfældigt.

For at forhindre sådanne tilfældige udløsere på grund af vildspænding bliver det i dette eksempel obligatorisk at binde den viste digitale indgangsstift til en 'HIGH' -logik, så når kontakten vippes af, forbinder stiften automatisk til en defineret tilstand 'HIGH' eller IC's positive forsyningsniveau.

For at holde stiften “HIGH” kan vi forbinde inputstiften til Vcc.

I nedenstående kredsløb er indgangsstiften forbundet til Vcc, som holder indgangen “HIGH”, hvis vi åbner kontakten, hvilket forhindrer tilfældig udløsning af relæet.

Du tror måske, nu har vi fundet løsningen. Men nej .... ikke endnu!

I henhold til diagrammet, hvis vi lukker kontakten, vil der være kortslutning og slukke og kortslutte hele systemet. Dit kredsløb kan aldrig have nogen værste situation end en kortslutning.

Kortslutningen skyldes meget stor strøm, der strømmer gennem en lav modstandsbane, som brænder PCB-spor, blæser af sikring, udløser sikkerhedsafbrydere og endda kan forårsage fatale skader på dit kredsløb.

For at forhindre en sådan kraftig strømgennemstrømning og også for at holde indgangsstiften i “HIGH” -tilstand kan vi bruge en modstand, der er forbundet til Vcc, det er mellem den 'røde linje'.

I denne situation vil stiften være i 'HIGH' -tilstand, hvis vi åbner kontakten, og ved lukning af kontakten vil der ikke være nogen kortslutning, og også input-stiften får lov til at forbinde direkte med GND, hvilket gør det til ' LAV'.

Hvis vi lukker kontakten, vil der være et ubetydeligt spændingsfald via pull-up-modstanden, og resten af ​​kredsløbet forbliver upåvirket.

Man skal vælge Pull-Up / Pull-Down-modstandsværdien optimalt, så den ikke trækker overskydende gennem modstanden.

Beregning af pull-up-modstandsværdi:

For at beregne en optimal værdi skal vi kende 3 parametre: 1) Vcc 2) Minimum tærskelindgangsspænding, som kan garantere at udgangen bliver “HIGH” 3) Højt niveau indgangsstrøm (Den krævede strøm). Alle disse data er nævnt i databladet.

Lad os tage eksemplet med logisk NAND-gate. Ifølge databladet er Vcc 5V, minimum tærskelindgangsspænding (højt niveau indgangsspænding V.DEM) er 2V og indgangsstrøm på højt niveau (IDEM) er 40 uA.

Ved at anvende ohm's lov kan vi finde den korrekte modstandsværdi.

R = Vcc - VIH (MIN)/ JegDEM

Hvor,

Vcc er driftsspændingen,

VIH (MIN)er indgangsspænding på HIGH niveau,

jegDEMer den høje indgangsstrøm.

Lad os nu sammenligne,

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

Vi kan bruge en modstandsværdi maksimalt på 75K ohm.

BEMÆRK:

Denne værdi beregnes for ideelle forhold, men vi lever ikke i en ideel verden. For den bedste drift kan du tilslutte en modstand lidt lavere end den beregnede værdi, f.eks. 70K, 65k eller endda 50K ohm, men reducer ikke modstanden lavt nok til at den vil lede enorm strøm for eksempel 100 ohm, 220 ohm til ovenstående eksempel.

Pull-Up modstande med flere gate

I ovenstående eksempel så vi, hvordan man vælger en Pull-up-modstand til en port. Hvad hvis vi har 10 porte, som alle skal forbindes til Pull-Up-modstand?

En af måderne er at forbinde 10 Pull-Up-modstande ved hver af portene, men dette er ikke omkostningseffektiv og nem løsning. Den bedste løsning ville være at forbinde alle inputstifter sammen til en enkelt Pull-Up-modstand.

Følg nedenstående formel for at beregne Pull-Up-modstandsværdien for ovenstående tilstand:

R = Vcc - VIH (MIN)/ N x IDEM

'N' er antallet af porte.

Du vil bemærke, at ovenstående formel er den samme som den foregående, den eneste forskel er at multiplicere antallet af porte.

Så lad os lave matematikken igen,

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

Nu for de 10 NAND-porte fik vi modstandsværdien på en måde, så strømmen er 10 gange højere end en NAND-port (I det foregående eksempel), så modstanden kan opretholde mindst 2V ved spidsbelastning, hvilket kan garantere det krævede output uden nogen fejl.

Du kan bruge den samme formel til beregning af Pull-Up-modstand til enhver applikation.

Pull-Down-modstande:

Pull-Up-modstanden holder stiften “HIGH”, hvis der ikke er tilsluttet nogen indgang til Pull-down-modstanden, den holder stiften “LOW”, hvis der ikke er tilsluttet nogen input.

Nedtrækningsmodstanden er lavet ved at forbinde modstanden til jorden i stedet for Vcc.

Pull-Down kan beregnes ved:

R = VIL (MAX)/ JegDET

Hvor,

VIL (MAX)er indgangsspænding på lavt niveau.

jegDETer indgangsstrøm for LAVT niveau.

Alle disse parametre er nævnt i databladet.

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

Vi kan maksimalt bruge 500 ohm modstand til pull-down.

Men igen skal vi bruge en modstandsværdi mindre end 500 ohm.

Åben kollektor output / Åben afløb:

Vi kan sige, at en stift er 'open collector output', når IC'en ikke kan drive output 'HIGH', men kun kan drive sin output 'LOW'. Det forbinder simpelthen output til jorden eller afbrydelse fra jorden.

Vi kan se, hvordan den åbne samlekonfiguration er lavet i en IC.

Da udgangen enten er jord eller åben, er vi nødt til at tilslutte en ekstern pull-up-modstand, som kan dreje stiften “HIGH”, når transistoren er OFF.

Dette er det samme for Open drain, den eneste forskel er, at den interne transistor inde i IC'en er en MOSFET.

Nu kan du spørge, hvorfor har vi brug for en åben afløbskonfiguration? Vi skal alligevel tilslutte en Pull-Up-modstand.

Nå, udgangsspændingen kan varieres ved at vælge forskellige modstandsværdier ved den åbne kollektorudgang, så det giver mere fleksibilitet for belastningen. Vi kan forbinde belastning ved udgang, der har højere eller lavere driftsspænding.

Hvis vi havde en fast optrækningsmodstandsværdi, kan vi ikke kontrollere spændingen ved udgangen.

En ulempe ved denne konfiguration er, at den bruger enorm strøm og muligvis ikke er batterivenlig, og den har brug for højere strøm for dens korrekte drift.

Lad os tage et eksempel på IC 7401 open drain logic 'NAND' gate og se, hvordan man beregner pull-up modstandsværdien.

Vi skal kende følgende parametre:

VOL (MAX)hvilket er den maksimale indgangsspænding til IC 7401, som kan garantere at dreje udgangen 'LAV' (0,4 V).

jegOL (MAX)som er lavt niveau indgangsstrøm (16mA).

Vcc er driftsspændingen, som er 5V.

Så her kan vi forbinde en Pull-Up-modstandsværdi omkring 287 ohm.

Har du spørgsmål? Brug kommentarfeltet nedenfor til at udtrykke dine tanker, dine spørgsmål bliver besvaret ASAP




Forrige: Digital buffer - Arbejde, Definition, Sandhedstabel, Dobbelt inversion, Fan-out Næste: Forståelse af skalar (V / f) kontrol til induktionsmotorer