Разбиране на изтеглящи и падащи резистори със схеми и формули

В тази публикация ще изследваме изтеглящ резистор и падащ резистор, защо те често се използват в електронни схеми, какво се случва с електронните вериги без издърпващ или изтеглящ резистор и как да се изчисли изтеглянето и Падащи стойности на резистора и накрая ще видим за конфигурацията на отворен колектор.

Как работят логическите входове и изходи в цифрови схеми

В цифровата електроника и повечето схеми, базирани на микроконтролер, включените цифрови сигнали се обработват под формата на логика1 или логика0, т.е. “HIGH” или “LOW”.

Цифровите логически портали се превръщат в основните единици на всяка цифрова верига и като използваме портата „И“, „ИЛИ“ и „НЕ“, ние можем да изградим сложни вериги, но както е отбелязано по-горе, цифровите порта могат да приемат само две нива на напрежение, които „HIGH ”И„ НИСКО ”.

“HIGH” и “LOW” обикновено са под формата на 5V и 0V съответно. „HIGH“ се нарича също „1“ или положителен сигнал на захранването, а „LOW“ също се нарича „0“ или отрицателен сигнал на захранването.

Проблеми възникват в логическа схема или микроконтролер, когато подаваният вход е някъде в недефинираната област между 2V и 0V.

В такава ситуация логически схеми или микроконтролер може да не разпознаят правилно сигнала и веригата ще направи някои грешни предположения и ще се изпълни.

Обикновено логическата порта може да разпознае сигнала като „LOW“, ако входът е под 0.8V и може да разпознае сигнала като „HIGH“, ако входът е над 2V. За микроконтролерите това всъщност може да варира много.

Недефинирани входни логически нива

Проблемите възникват, когато сигналът е между 0.8V и 2V и варира произволно на входните щифтове, този проблем може да бъде обяснен с примерна схема, използваща превключвател, свързан към IC или микроконтролер.

Да приемем верига с помощта на микроконтролер или интегрална схема, ако затворим веригата, входният щифт отива „НИСКО“ и релето се включва „ON“.

Ако отворим ключа, релето трябва да се изключи, нали? Ами не наистина.

Знаем, че цифровите интегрални схеми и цифровите микроконтролери приемат вход само като „HIGH“ или „LOW“, когато отворим ключа, входният щифт е просто отворен. Той не е нито „HIGH“, нито „LOW“.

Входният щифт трябва да бъде „HIGH“, за да изключи релето, но в отворена ситуация този щифт става уязвим за разсеяни пикапи, разсеяни статични заряди и други електрически шумове от околните, които могат да доведат до включване и изключване на релето на случаен принцип.

За да се предотвратят такива случайни задействания поради разсеяно напрежение, в този пример става задължително да се обвърже показаният цифров входен щифт с логика „HIGH“, така че когато превключвателят да се откачи, щифтът автоматично се свързва към определено състояние „HIGH“ или положителното ниво на предлагане на IC.

За да запазим пина „HIGH“, можем да свържем входния щифт към Vcc.

В схемата по-долу входният щифт е свързан към Vcc, който запазва входа „HIGH“, ако отворим превключвателя, което предотвратява случайно задействане на релето.

Може би си мислите, че вече сме разработили решението. Но не .... още не!

Според диаграмата, ако затворим превключвателя, ще има късо съединение и изключване и късо съединение на цялата система. Вашата верига никога не може да има по-лоша ситуация от късо съединение.

Късото съединение се дължи на много голям ток, преминаващ през тракт с ниско съпротивление, който изгаря следите от печатни платки, изгаряне на предпазител, задействане на предпазни превключватели и дори може да причини фатални щети на вашата верига.

За да предотвратим такъв тежък токов поток и също така да поддържаме входния щифт в състояние „HIGH“, можем да използваме резистор, който е свързан към Vcc, който е между „червената линия“.

В тази ситуация щифтът ще бъде в състояние „HIGH“, ако отворим превключвателя и при затварянето на превключвателя няма да има късо съединение, а също така входният щифт може да се свързва директно с GND, правейки го „ НИСКО ”.

Ако затворим ключа, ще има незначителен спад на напрежението през издърпващия резистор и останалата част от веригата ще остане незасегната.

Човек трябва да избере оптимално стойността на резистора Pull-Up / Pull-Down, така че да не изтегля излишък през резистора.

Изчисляване на стойността на издърпващ резистор:

За да изчислим оптимална стойност, трябва да знаем 3 параметъра: 1) Vcc 2) Минимален праг на входното напрежение, който може да гарантира изхода „HIGH“ 3) Входен ток от високо ниво (Необходимият ток). Всички тези данни са споменати в листа с данни.

Да вземем за пример логическата NAND порта. Според неговия лист с данни Vcc е 5V, минимално прагово входно напрежение (входно напрежение от високо ниво V_ТЯХ) е 2V и входен ток от високо ниво (I_ТЯХ) е 40 uA.

Прилагайки закона на ома, можем да намерим правилната стойност на резистора.

R = Vcc - V_{IH (MIN)}/ I_ТЯХ

Където,

Vcc е работното напрежение,

V_{IH (MIN)}е входно напрежение с ВИСОКО ниво,

Аз_ТЯХе входният ток с ВИСОКО ниво.

Сега нека направим съвпадение,

R = 5 - 2/40 x 10 ^ -6 = 75K ома.

Можем да използваме стойност на резистора максимум 75K ома.

ЗАБЕЛЕЖКА:

Тази стойност се изчислява за идеални условия, но ние не живеем в идеален свят. За най-добра работа можете да свържете резистор малко по-нисък от изчислената стойност, да речем 70K, 65k или дори 50K ohm, но не намалявайте съпротивлението достатъчно ниско, че да проведе огромен ток, например 100 ohm, 220 ohm за горния пример.

Издърпващи резистори с множество врати

В горния пример видяхме как да изберем издърпващ резистор за една порта. Ами ако имаме 10 порта, които всички трябва да бъдат свързани към издърпващ резистор?

Един от начините е да свържете 10 Pull-Up резистори на всяка от портата, но това не е икономически ефективно и лесно решение. Най-доброто решение би било свързването на всички входни щифтове заедно към един издърпващ резистор.

За да изчислите стойността на издърпващия резистор за горното състояние, следвайте формулата по-долу:

R = Vcc - V_{IH (MIN)}/ N x I_ТЯХ

„N“ е броят на портите.

Ще забележите, че горната формула е същата като предишната, единствената разлика е умножаването на броя на портите.

Така че, нека да направим математиката отново,

R = 5 -2 / 10 x 40 x 10 ^ -6 = 7.5K ома (максимум)

Сега за 10-те NAND порта получихме стойността на резистора по начин, по който токът е 10 пъти по-висок от един NAND порта (В предишния пример), така че резисторът да може да поддържа минимум 2V при пиково натоварване, което може да гарантира необходимото изход без никаква грешка.

Можете да използвате същата формула за изчисляване на Pull-Up резистор за всяко приложение.

Стягащи резистори:

Издърпващият резистор запазва щифта „HIGH“, ако не е свързан вход с падащ резистор, той държи щифта „LOW“, ако няма свързан вход.

Падащият резистор се прави чрез свързване на резистора към земята вместо Vcc.

Изтеглянето може да се изчисли чрез:

R = V_{IL (MAX)}/ I_НА

Където,

V_{IL (MAX)}е входно напрежение от НИСКО ниво.

Аз_НАе входен ток от НИСКО ниво.

Всички тези параметри са посочени в листа с данни.

R = 0,8 / 1,6 x 10 ^ -3 = 0,5K ома

Можем да използваме максимум 500 ома резистор за Pull-down.

Но отново трябва да използваме стойност на резистора по-малка от 500 ома.

Изход на отворен колектор / отворен дренаж:

Можем да кажем, че щифтът е „изход с отворен колектор“, когато интегралната схема не може да управлява изхода „HIGH“, но може да управлява изхода си само „LOW“. Той просто свързва изхода към земята или изключва от земята.

Можем да видим как се прави конфигурацията на отворения колектор в IC.

Тъй като изходът е или земя, или отворена верига, трябва да свържем външен издърпващ резистор, който може да завърти щифта „HIGH“, когато транзисторът е изключен.

Това е същото за Open drain, единствената разлика е, че вътрешният транзистор вътре в IC е MOSFET.

Сега можете да попитате защо се нуждаем от отворена конфигурация за източване? Все пак трябва да свържем издърпващ резистор.

Е, изходното напрежение може да варира, като се избират различни стойности на резистора на изхода на отворения колектор, така че дава по-голяма гъвкавост за товара. Можем да свържем товар на изход, който има по-високо или по-ниско работно напрежение.

Ако имахме фиксирана стойност на издърпващ резистор, не можем да контролираме напрежението на изхода.

Един недостатък на тази конфигурация е, че консумира огромен ток и може да не е щадящ батерията, за правилната му работа се нуждае от по-висок ток.

Нека да вземем пример за порта за отворен логически канал „NAND“ на IC 7401 и да видим как да изчислим стойността на издърпващия резистор.

Трябва да знаем следните параметри:

V_{OL (MAX)}което е максималното входно напрежение към IC 7401, което може да гарантира завъртане на изхода „НИСКО“ (0.4V).

Аз_{OL (MAX)}което е входният ток от ниско ниво (16mA).

Vcc е работното напрежение, което е 5V.

И така, тук можем да свържем стойност на издърпващ резистор около 287 ома.

Имате ли въпроси? Моля, използвайте полето за коментари по-долу, за да изразите вашите мисли, вашите запитвания ще бъдат отговорени възможно най-скоро