In questo post esploreremo il resistore pull-up e il resistore pull-down, perché sono comunemente usati nei circuiti elettronici, cosa succede ai circuiti elettronici senza resistore pull-up o pull-down e come calcolare pull-up e Valori del resistore di pull-down e infine vedremo la configurazione a collettore aperto.

Come funzionano gli ingressi e le uscite logiche nei circuiti digitali

Nell'elettronica digitale e nella maggior parte dei circuiti basati su microcontrollori i segnali digitali coinvolti vengono elaborati sotto forma di logica1 o logica0, cioè 'ALTA' o 'BASSA'.

Le porte logiche digitali diventano le unità fondamentali di qualsiasi circuito digitale e utilizzando le porte 'AND', 'OR' e 'NOT' siamo in grado di costruire circuiti complessi, tuttavia, come notato sopra, le porte digitali possono accettare solo due livelli di tensione che 'HIGH 'E' BASSA '.

'ALTO' e 'BASSO' sono generalmente rispettivamente nella forma di 5V e 0V. 'ALTO' è anche indicato come '1' o segnale positivo dell'alimentazione e 'BASSO' è anche indicato come '0' o segnale negativo dell'alimentazione.

I problemi sorgono in un circuito logico o un microcontrollore quando l'ingresso alimentato si trova da qualche parte nella regione indefinita tra 2V e 0V.

In una tale situazione, un circuito logico o un microcontrollore potrebbe non riconoscere correttamente il segnale e il circuito farà alcune supposizioni errate ed eseguirà.

Generalmente una porta logica può riconoscere il segnale come 'BASSO' se l'ingresso è inferiore a 0,8 V e può riconoscere il segnale come 'ALTO' se l'ingresso è superiore a 2 V. Per i microcontrollori questo può effettivamente variare molto.

Livelli logici di ingresso non definiti

I problemi sorgono quando il segnale è compreso tra 0,8 V e 2 V e varia in modo casuale sui pin di ingresso, questo problema può essere spiegato con un circuito di esempio utilizzando un interruttore collegato a un IC o un microcontrollore.

Supponiamo che un circuito utilizzi un microcontrollore o un IC, se chiudiamo il circuito, il pin di ingresso diventa 'LOW' e il relè si attiva 'ON'.

Se apriamo l'interruttore, il relè dovrebbe spegnersi, giusto? Beh, non proprio.

Sappiamo che i circuiti integrati digitali e i microcontrollori digitali accettano solo input come 'HIGH' o 'LOW', quando apriamo l'interruttore, il pin di ingresso è semplicemente aperto. Non è né 'ALTO' né 'BASSO'.

Il pin di ingresso deve essere 'ALTO' per disattivare il relè, ma nella situazione aperta questo pin diventa vulnerabile a pickup vaganti, cariche statiche vaganti e altri disturbi elettrici circostanti, che possono causare l'attivazione e la disattivazione del relè a caso.

Per evitare tali inneschi casuali dovuti alla tensione parassita, in questo esempio diventa obbligatorio collegare il pin di ingresso digitale mostrato a una logica 'ALTA', in modo che quando l'interruttore viene spostato, il pin si collega automaticamente a uno stato definito 'ALTO' o il livello di offerta positivo del CI.

Per mantenere il pin “ALTO” possiamo collegare il pin di ingresso a Vcc.

Nel circuito sottostante il pin di ingresso è collegato a Vcc, che mantiene l'ingresso “ALTO” se apriamo l'interruttore, il che impedisce l'attivazione casuale del relè.

Potresti pensare, ora abbiamo la soluzione elaborata. Ma no .... non ancora!

Come da diagramma, se chiudiamo l'interruttore ci sarà un cortocircuito e spegnerà e cortocircuiterà l'intero sistema. Il tuo circuito non può mai avere una situazione peggiore di un cortocircuito.

Il cortocircuito è dovuto a una corrente molto elevata che scorre attraverso un percorso a bassa resistenza che brucia le tracce del PCB, la rottura del fusibile, l'attivazione degli interruttori di sicurezza e può persino causare danni fatali al circuito.

Per evitare un flusso di corrente così intenso e anche per mantenere il pin di ingresso in condizione “HIGH”, possiamo utilizzare un resistore che è collegato a Vcc, cioè tra la 'linea rossa'.

In questa situazione il pin sarà in uno stato 'HIGH' se apriamo l'interruttore, e chiudendo l'interruttore non ci sarà alcun cortocircuito, e anche il pin di ingresso potrà collegarsi direttamente con GND, rendendolo ' BASSO'.

Se chiudiamo l'interruttore ci sarà una caduta di tensione trascurabile tramite la resistenza di pull-up e il resto del circuito rimarrà inalterato.

È necessario scegliere il valore del resistore Pull-Up / Pull-Down in modo ottimale in modo che non attiri l'eccesso attraverso il resistore.

Calcolo del valore della resistenza di pull-up:

Per calcolare un valore ottimale dobbiamo conoscere 3 parametri: 1) Vcc 2) Soglia minima di tensione di ingresso che può garantire di rendere l'uscita “ALTA” 3) Corrente di ingresso di alto livello (La corrente richiesta). Tutti questi dati sono menzionati nella scheda tecnica.

Prendiamo l'esempio della porta logica NAND. Secondo il suo datasheet Vcc è 5V, tensione di ingresso di soglia minima (tensione di ingresso di alto livello V_LORO) è 2 V e la corrente di ingresso di alto livello (I._LORO) è 40 uA.

“cos'è un megger e come funziona ”

Applicando la legge di ohm possiamo trovare il valore corretto del resistore.

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

Dove,

Vcc è la tensione di esercizio,

V_{IH (MIN)}è la tensione di ingresso di livello ALTO,

io_LOROè la corrente di ingresso di livello ALTO.

Ora facciamo la corrispondenza,

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

Possiamo usare un valore di resistenza massimo di 75K ohm.

NOTA:

Questo valore è calcolato per condizioni ideali, ma non viviamo in un mondo ideale. Per un funzionamento ottimale è possibile collegare un resistore leggermente inferiore al valore calcolato, ad esempio 70K, 65k o anche 50K ohm, ma non ridurre la resistenza a un livello sufficientemente basso da condurre una corrente enorme, ad esempio 100 ohm, 220 ohm per l'esempio sopra.

Resistenze multiple di pull-up per gate

Nell'esempio sopra, abbiamo visto come scegliere un resistore di pull-up per un gate. E se avessimo 10 porte che devono essere tutte collegate al resistore di pull-up?

Uno dei modi è collegare 10 resistori di pull-up a ciascuno dei gate, ma questa non è una soluzione facile e conveniente. La soluzione migliore sarebbe collegare tutti i pin di ingresso insieme a un singolo resistore di pull-up.

Per calcolare il valore della resistenza di pull-up per la condizione di cui sopra, seguire la formula seguente:

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

La 'N' è il numero di porte.

Noterai che la formula sopra è la stessa della precedente l'unica differenza è moltiplicare il numero di porte.

Quindi, facciamo di nuovo i conti,

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

Ora per le 10 porte NAND, abbiamo ottenuto il valore del resistore in modo che la corrente sia 10 volte superiore a una porta NAND (nell'esempio precedente), in modo che il resistore possa mantenere un minimo di 2V al carico di picco, che può garantire il richiesto output senza errori.

È possibile utilizzare la stessa formula per calcolare la resistenza di pull-up per qualsiasi applicazione.

Resistori pull-down:

Il resistore Pull-Up mantiene il pin “HIGH” se nessun ingresso è collegato con il resistore Pull-down, mantiene il pin “LOW” se nessun ingresso è collegato.

Il resistore pull-down si ottiene collegando il resistore a massa invece che a Vcc.

Il Pull-Down può essere calcolato da:

R = V_{IL (MAX)}/ IO_IL

Dove,

V_{IL (MAX)}è la tensione di ingresso di livello BASSO.

io_ILè la corrente di ingresso di livello BASSO.

Tutti questi parametri sono menzionati nella scheda tecnica.

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

Possiamo usare un massimo di 500 ohm per il pull-down.

Ma ancora una volta, dovremmo usare un valore di resistenza inferiore a 500 ohm.

Uscita open collector / Open Drain:

Possiamo dire che un pin è 'uscita a collettore aperto' quando l'IC non può pilotare l'uscita 'HIGH' ma può solo guidare la sua uscita 'LOW'. Collega semplicemente l'uscita a terra o scollega da terra.

Possiamo vedere come viene realizzata la configurazione open collector in un IC.

Poiché l'uscita è a massa o a circuito aperto, è necessario collegare un resistore di pull-up esterno che può portare il pin 'ALTO' quando il transistor è spento.

Questo è lo stesso per Open drain, l'unica differenza è che il transistor interno all'interno dell'IC è un MOSFET.

Ora, potresti chiedere perché abbiamo bisogno di una configurazione a scarico aperto? Dobbiamo comunque collegare un resistore pull-up.

Ebbene, la tensione di uscita può essere variata scegliendo diversi valori di resistenza all'uscita a collettore aperto, in modo da offrire maggiore flessibilità per il carico. Possiamo collegare un carico in uscita che ha una tensione di esercizio maggiore o minore.

Se avessimo un valore di resistenza pull-up fisso non possiamo controllare la tensione in uscita.

Uno svantaggio di questa configurazione è che, consuma un'enorme corrente e potrebbe non essere compatibile con la batteria, ha bisogno di una corrente più elevata per il suo corretto funzionamento.

Prendiamo ad esempio il gate 'NAND' con logica open drain IC 7401 e vediamo come calcolare il valore del resistore di pull-up.

Dobbiamo conoscere i seguenti parametri:

V_{OL (MAX)}che è la massima tensione di ingresso all'IC 7401 che può garantire di trasformare l'uscita in “BASSA” (0.4V).

io_{OL (MAX)}che è la corrente di ingresso di livello basso (16mA).

Vcc è la tensione di esercizio che è 5V.