Что такое подтягивающий резистор и как его использовать?

Изображение, создающее цифровую схему, в которой для включения светодиода требуется кнопка. Вы правильно подключаете цепь, подключая один конец кнопки к цифровому входу и землю к другому. Когда вы, наконец, включите питание, вы заметите, что светодиод загорается и гаснет, даже если вы не нажимаете на выключатель.

Если вы когда-либо сталкивались с подобными ситуациями, вероятно, вы забыли добавить подтягивающий резистор в свою цифровую схему. Так что же такое подтягивающий резистор? Как это работает, и как вы его используете?

Что такое подтягивающий резистор?

Подтягивающий резистор — это резистор, который вы добавляете в цифровую схему, чтобы избежать нежелательных сигналов, которые могут мешать логике или программированию вашей схемы. Это способ сместить или подтянуть входную линию к положительному или VCC, когда никакое другое активное устройство не управляет линией. Подтягивая линию к VCC, вы фактически устанавливаете состояние линии по умолчанию на 1 или true.

Установка состояния по умолчанию для всех входных контактов важна, чтобы избежать случайных сигналов, генерируемых во время плавающего состояния. Входной контакт находится в плавающем состоянии, когда он отключается от активного источника, такого как земля или VCC.

Подтягивающие резисторы обычно используются в цифровых схемах с использованием микроконтроллеры и одноплатные компьютеры.

Как работает подтягивающий резистор в цепи

При использовании переключателя мгновенного действия в цифровой схеме нажатие переключателя приведет к замыканию цепи и передаче истинного или высокого уровня на микроконтроллер. Однако отключение переключателя не обязательно остановит отправку таких сигналов входным контактом.

Это связано с тем, что разрыв соединения через коммутатор означает, что он больше не подключен ни к чему, кроме воздуха. Это приводит к тому, что линия находится в плавающем состоянии, где сигналы из окружающей среды потенциально могут привести к тому, что штифт поднимется высоко в любой момент.

Чтобы предотвратить регистрацию этих паразитных сигналов в вашей схеме, вам придется подать на входную линию достаточное напряжение, чтобы она продолжала регистрировать высокий уровень, когда земля больше не обнаруживается. Однако вы не можете напрямую подключить VCC к входной линии, поскольку цепь закоротится, как только переключатель/датчик соединит линию с землей.

Чтобы избежать короткого замыкания подтягивающего напряжения, вам нужно использовать резистор. Наличие резистора с правильным значением гарантирует, что плавающая линия будет иметь достаточное напряжение для повышения высокого напряжения и достаточно низкое, чтобы не вызвать преждевременного короткого замыкания. Величина сопротивления будет зависеть от типа логики, используемой в вашей схеме.

Объяснение логических семейств

Чтобы правильно рассчитать значение сопротивления вашего подтягивающего резистора, вам нужно знать, какой тип логики использует ваша схема для работы. Логическое семейство, используемое в вашей схеме, будет определять значение сопротивления, которое потребуется вашему подтягивающему резистору.

Существует несколько типов логики. Вот несколько из них:

Если вы не уверены, какое семейство логики вы используете, очень вероятно, что ваша схема использует семейства логики CMOS или TTL, поскольку ECL и DTL давно устарели. Маркировка микросхем с префиксами «74» или «54» обычно относится к микросхемам TLL, а маркировка микросхем с «CD» или «MC» указывает на микросхему CMOS. Если вы все еще не уверены, вы можете легко узнать, какое семейство логики использует ваш контроллер, выполнив быстрый поиск его спецификации в Интернете.

Как рассчитать номинал подтягивающего резистора

Теперь, когда вы понимаете различные типы логических семейств и их минимальное напряжение включения и максимальное напряжение отключения, мы можем перейти к расчету значений для нашего подтягивающего резистора.

Чтобы рассчитать правильное значение резистора, вам понадобятся три значения. Минимальное напряжение включения логического семейства, используемого в вашей схеме, напряжение питания схемы и входной ток утечки, которые вы можете найти в техническом описании или с помощью мультиметра.

Когда у вас есть все переменные, вы можете просто подставить их в следующую формулу:

Значение сопротивления = (напряжение питания - высокое логическое напряжение) / входной ток утечки

Например, предположим, что ваша схема использует TTL, а входная линия использует 100 мкА при 5 В. Мы знаем, что TTL требуется минимум 2 В для повышения высокого уровня и максимум 0,8 В для низкого уровня. Это будет означать, что правильное напряжение, выходящее из нашего подтягивающего резистора, должно быть между 3 В и 4 В, поскольку напряжение должно быть выше 2 В, но не выше напряжения питания, которое составляет 5 В.

Наши заданные значения будут:

• Напряжение питания = 5В
• Логическое высокое напряжение = 4В
• Входной ток утечки = 100 мкА или 0,0001 А

Теперь, когда у нас есть переменные, давайте подставим их в формулу:

(5 В - 4 В) / 100 мкА = 10 000 Ом

Наш подтягивающий резистор должен быть 10 000 Ом (10 кОм или 10 кОм).

Как использовать подтягивающий резистор в цепи

Подтягивающие резисторы обычно используются в цифровых схемах, чтобы избежать нежелательных помех в цифровом программировании схемы. Вы можете использовать подтягивающие резисторы, если цифровая схема использует переключатели и датчики в качестве устройств ввода. Кроме того, подтягивающие резисторы будут эффективны только в том случае, если входные контакты подключены к земле. Если входные контакты подключены к VCC, вы можете вместо этого использовать подтягивающие резисторы.

Чтобы использовать подтягивающий резистор, вам нужно найти входную линию, которая подключается к устройству ввода. Найдя его, вы захотите рассчитать значение вашего резистора, используя формулу, обсуждавшуюся ранее. Если ваша схема на самом деле не требует большой точности, вы можете просто использовать номиналы резисторов в диапазоне от 1 кОм до 10 кОм.

Теперь, когда у вас есть резистор с правильным значением, вы можете подключить один конец подтягивающего резистора к VCC, а другой конец — между устройством ввода и MCU. Поздравляем! Теперь вы знаете, что такое подтягивающий резистор и как его использовать.

Некоторые микроконтроллеры, такие как платы Arduino, и SBC, такие как Raspberry Pi, имеют внутренние подтягивающие резисторы, которые можно активировать в коде вместо внешних подтягивающих резисторов.

Закрепите свои знания с помощью опыта

Таким образом, подтягивающий резистор является важным компонентом, помогающим защитить вашу схему от помех поблизости. Установив состояние по умолчанию для входного контакта на высокий уровень, он предотвращает вмешательство случайных сигналов в логику или программирование вашей схемы. И теперь, когда вы знаете, как его использовать, вы можете закрепить свои новые знания, применяя их в своих следующих проектах.