В этом посте мы собираемся изучить подтягивающий резистор и понижающий резистор, почему они обычно используются в электронных схемах, что происходит с электронными схемами без подтягивающего или понижающего резистора, а также как рассчитать подтягивающий и понижающий резисторы. Значения понижающего резистора, и, наконец, мы увидим конфигурацию открытого коллектора.

Как работают логические входы и выходы в цифровых схемах

В цифровой электронике и большинстве схем на основе микроконтроллеров задействованные цифровые сигналы обрабатываются в форме логического 1 или логического 0, то есть «ВЫСОКИЙ» или «НИЗКИЙ».

Цифровые логические вентили становятся основными элементами любой цифровой схемы, и, используя логические элементы «И», «ИЛИ» и «НЕ», мы можем создавать сложные схемы, однако, как отмечалось выше, цифровые вентили могут принимать только два уровня напряжения, которые «ВЫСОКИЙ »И« НИЗКИЙ ».

«ВЫСОКИЙ» и «НИЗКИЙ» обычно имеют форму 5 В и 0 В соответственно. «ВЫСОКИЙ» также обозначается «1» или положительным сигналом источника питания, а «НИЗКИЙ» также обозначается «0» или отрицательным сигналом источника питания.

Проблемы возникают в логической схеме или микроконтроллере, когда запитанный вход находится где-то в неопределенной области между 2 и 0 В.

В такой ситуации логические схемы или микроконтроллер могут не распознать сигнал должным образом, и схема сделает некоторые неправильные предположения и выполнит их.

Как правило, логический вентиль может распознавать сигнал как «НИЗКИЙ», если входной сигнал ниже 0,8 В, и может распознавать сигнал как «ВЫСОКИЙ», если входной сигнал выше 2 В. Для микроконтроллеров это может сильно различаться.

Неопределенные уровни входной логики

Проблемы возникают, когда сигнал находится в диапазоне от 0,8 В до 2 В и изменяется случайным образом на входных контактах. Эту проблему можно объяснить на примере схемы с использованием переключателя, подключенного к ИС или микроконтроллеру.

Предположим, что в схеме используется микроконтроллер или ИС, если мы замыкаем цепь, входной вывод переходит в состояние «НИЗКИЙ», а реле включается.

Если мы разомкнем выключатель, реле должно выключиться, верно? Ну не совсем.

Мы знаем, что цифровые ИС и цифровые микроконтроллеры принимают только входной сигнал «ВЫСОКИЙ» или «НИЗКИЙ», когда мы размыкаем переключатель, входной контакт просто разомкнут. Это ни «ВЫСОКИЙ», ни «НИЗКИЙ».

Входной вывод должен быть «ВЫСОКИМ», чтобы реле выключилось, но в разомкнутой ситуации этот вывод становится уязвимым для случайных наводок, случайных статических зарядов и других электрических помех от окружающих, которые могут привести к включению и выключению реле. случайно.

Чтобы предотвратить такие случайные срабатывания из-за паразитного напряжения, в этом примере становится обязательным привязать показанный цифровой входной вывод к «ВЫСОКОЙ» логике, чтобы при выключении переключателя контакт автоматически переходил в определенное состояние «ВЫСОКОЕ». или положительный уровень предложения IC.

Чтобы поддерживать вывод «ВЫСОКИЙ», мы можем подключить входной вывод к Vcc.

В приведенной ниже схеме входной контакт подключен к Vcc, который сохраняет вход «ВЫСОКИЙ», если мы размыкаем переключатель, что предотвращает случайное срабатывание реле.

Вы можете подумать, теперь у нас есть решение. Но нет .... еще нет!

Согласно диаграмме, если мы замкнем выключатель, произойдет короткое замыкание и отключение и короткое замыкание всей системы. В вашей цепи никогда не может быть худшей ситуации, чем короткое замыкание.

Короткое замыкание происходит из-за очень большого тока, протекающего по пути с низким сопротивлением, который сжигает следы печатной платы, перегорает предохранитель, срабатывает предохранительные выключатели и даже может вызвать смертельное повреждение вашей цепи.

Чтобы предотвратить такой сильный ток, а также поддерживать входной вывод в состоянии «ВЫСОКОЕ», мы можем использовать резистор, подключенный к Vcc, то есть между «красной линией».

В этой ситуации контакт будет в состоянии «ВЫСОКИЙ», если мы разомкнем переключатель, и при замыкании переключателя не будет никакого короткого замыкания, а также входной контакт может напрямую подключаться к GND, что делает его « НИЗКИЙ'.

Если мы замкнем переключатель, на подтягивающем резисторе будет незначительное падение напряжения, и остальная часть схемы останется неизменной.

Следует выбрать оптимальное значение резистора Pull-Up / Pull-Down, чтобы он не проходил через резистор излишков.

Расчет номинала подтягивающего резистора:

Чтобы вычислить оптимальное значение, мы должны знать 3 параметра: 1) Vcc 2) Минимальное пороговое входное напряжение, которое может гарантировать, что выход будет «ВЫСОКИМ» 3) Входной ток высокого уровня (требуемый ток). Все эти данные указаны в даташите.

Давайте возьмем пример логического вентиля NAND. Согласно его таблице данных Vcc составляет 5 В, минимальное пороговое входное напряжение (входное напряжение высокого уровня V_ИХ) составляет 2 В и входной ток высокого уровня (I_ИХ) составляет 40 мкА.

“что делает амперметр ”

Применяя закон Ома, мы можем найти правильное значение резистора.

R = Vcc - V_{IH (МИН)}/ I_ИХ

Где,

Vcc - рабочее напряжение,

V_{IH (МИН)}Входное напряжение ВЫСОКОГО уровня,

я_ИХ- входной ток ВЫСОКОГО уровня.

Теперь давайте проведем сопоставление,

R = 5 - 2/40 x 10 ^ -6 = 75 кОм.

Мы можем использовать резистор с максимальным сопротивлением 75 кОм.

ПРИМЕЧАНИЕ:

Это значение рассчитано для идеальных условий, но мы не живем в идеальном мире. Для лучшей работы вы можете подключить резистор немного ниже расчетного, например, 70 кОм, 65 кОм или даже 50 кОм, но не уменьшайте сопротивление до достаточно низкого уровня, чтобы он проводил большой ток, например 100 Ом, 220 Ом для приведенного выше примера.

Подтягивающие резисторы с несколькими затворами

В приведенном выше примере мы увидели, как выбрать подтягивающий резистор для одного затвора. Что делать, если у нас есть 10 вентилей, которые все нужно подключить к подтягивающему резистору?

Один из способов - подключить по 10 подтягивающих резисторов к каждому затвору, но это не является экономичным и простым решением. Лучшим решением было бы соединить все входные контакты вместе с одним подтягивающим резистором.

Чтобы рассчитать номинал резистора Pull-Up для вышеуказанного условия, используйте формулу ниже:

R = Vcc - V_{IH (МИН)}/ N x I_ИХ

«N» - это количество ворот.

Вы заметите, что приведенная выше формула такая же, как и предыдущая, единственное отличие состоит в умножении количества ворот.

Итак, давайте снова посчитаем,

R = 5-2 / 10 x 40 x 10 ^ -6 = 7,5 кОм (максимум)

Теперь для 10 вентилей И-НЕ мы получили значение резистора таким образом, что ток в 10 раз выше, чем один вентиль И-НЕ (в предыдущем примере), так что резистор может поддерживать минимум 2 В при пиковой нагрузке, что может гарантировать требуемую вывод без ошибок.

Вы можете использовать ту же формулу для расчета резистора Pull-Up для любого приложения.

Понижающие резисторы:

Подтягивающий резистор сохраняет на выводе «ВЫСОКИЙ» уровень, если ни один вход не подключен к подтягивающему резистору, он сохраняет «НИЗКИЙ» на выводе, если вход не подключен.

Понижающий резистор создается путем подключения резистора к земле вместо Vcc.

Pull-Down можно рассчитать следующим образом:

R = V_{IL (MAX)}/ I_THE

Где,

V_{IL (MAX)}- входное напряжение НИЗКОГО уровня.

я_THE- входной ток НИЗКОГО уровня.

Все эти параметры указаны в даташите.

R = 0,8 / 1,6 x 10 ^ -3 = 0,5 кОм

Мы можем использовать резистор максимум 500 Ом для Pull-down.

Но опять же, мы должны использовать резистор сопротивлением менее 500 Ом.

Выход с открытым коллектором / открытый слив:

Мы можем сказать, что вывод является «выходом с открытым коллектором», когда ИС не может управлять выходом «HIGH», а может управлять только своим выходом «LOW». Он просто подключает выход к земле или отключается от земли.

Мы видим, как в ИС выполняется конфигурация открытого коллектора.

Поскольку выход является заземлением или разомкнутой цепью, нам необходимо подключить внешний подтягивающий резистор, который может переключить вывод в «ВЫСОКИЙ», когда транзистор выключен.

То же самое и с открытым стоком, с той лишь разницей, что внутренний транзистор внутри ИС представляет собой полевой МОП-транзистор.

Теперь вы можете спросить, зачем нам конфигурация с открытым стоком? В любом случае нам нужно подключить подтягивающий резистор.

Ну, выходное напряжение можно изменять, выбирая разные значения резистора на выходе с открытым коллектором, что дает больше гибкости для нагрузки. Мы можем подключить нагрузку к выходу с более высоким или более низким рабочим напряжением.

Если бы у нас было фиксированное значение подтягивающего резистора, мы не могли бы контролировать напряжение на выходе.

Одним из недостатков этой конфигурации является то, что она потребляет большой ток и может не работать с батареями, для ее правильной работы требуется более высокий ток.

Давайте возьмем пример логического затвора NAND с открытым стоком IC 7401 и посмотрим, как рассчитать значение подтягивающего резистора.

Нам необходимо знать следующие параметры:

V_{OL (МАКС.)}что является максимальным входным напряжением для IC 7401, которое может гарантировать переключение выхода «НИЗКОЕ» (0,4 В).

я_{OL (МАКС.)}входной ток низкого уровня (16 мА).

Vcc - это рабочее напряжение, равное 5 В.