что такое подтягивающий резистор
Что такое подтягивающий резистор?
В цифровой схемотехнике есть не только понятие «подтягивающий резистор», но и «заземляющий». Наши зарубежные «партнёры» называют их соответственно pull-up & pull-down резисторами. Это просто резисторы, которые подключаются между входом/выходом цифровой микросхемы и питанием/землей. Какой в этом смысл?
Вся соль вот в чем. Случается так, что не все вывод микросхемы используются в схеме. Иногда они либо вовсе не задействованы, либо включаются в работы только в опредленных ситуациях. Выводы цифровых микросхем обладают достаточно большим сопротивлением и если свободные выводы никуда не подключить, то от посторонних электромагнитных полей на них могут образоваться достаточно большие потенциалы, которые будут восприниматься микросхемой как полезный сигнал, от чего произойдёт её ложное срабатывание. По этой причине инженеры придумали фиксировать потенциалы таких выводов с помощью хитрого, но простого трюка.
Фиксация производится с помощью обычного резистора, включенного между выводом (будь то вход иили выход) микросхемы и питанием/землёй. Такой резистор как-бы «подтягивает» потенциал вывода до потенциала питания или земли. При этом, помимо фиксации потенциала, сохраняется возможность использовать вывод по назначению. Очень умно!
Самое время заострить внимание на том, почему это вообще работает. Подтягивающий резистор выбирается таким, чтобы ток через него был очень маленьким. Такой ток называется слабым сигналом. И если вывод будет «подтянут» с помощью подтягивающего резистора к питанию/земле, а затем на него подать полезный сигнал (сильный сигнал), то соотношение между их мощностями будет на столько большим, что слабый сигнал будет не заметен на фоне сильного. Т.е. на вывод микросхемы подаются оба сигнала, но ведущую роль играет только сильный.
Таким образом подтягивающий резистор решает задачу защиты цифровой микросхемы от ложных срабатываний.
Стягивающие и подтягивающие резисторы. В чём различие
Стягивающие и подтягивающие резисторы широко применяются в схемотехнике для подавления помех (шумов).
Давайте сразу начнём с примера и зальём на arduino следующий скетч, а в пин 10 воткнём небольшой проводок:
Надо отметить, что физически стягивающий и подтягивающий резисторы ничем не отличаются, то есть один и тот же резистор можно использовать и так, и так. Различая только в подключении. Главное, чтоб наминал резистора был большой: 10 кОм или более. Но обо всём по порядку.
Возьмём к примеру подключение обычной кнопки к ардуино. Подсоединяем один контакт кнопки к плюсу, а другой к пину 10 (скетч у нас уже залит). На мониторе порта видны те же самые нолики и единички. Нажимаем на кнопку – 1, отпускаем опять 1..0..0..1..1… А должно быть нажали – 1, отпустили – 0. Чтобы добиться этого применим стягивающий резистор.
Стягивающий резистор
Стягивающий резистор – резистор соединяющий нужный нам участок цепи с нулём (землёй, GND). В нашем примере это участок между пином 10 и кнопкой. Подсоединим всё по схеме:
Открываем монитор порта: кнопка не нажата – нули. Нажимаем – единице. Таким образом мы чётко разграничили состояния кнопки: нажата – 1, не нажата – 0. С этим уже можно работать…
Подтягивающий резистор
Но что нам делать если при нажатой кнопке на вход ардуино мы можем подать только 0 (землю, GND). С этим я столкнулся, когда решил применить в проекте энкодер на модуле KY-040. В нём есть встроенная кнопка, при нажатии на которую на выход подаётся земля. И чтобы воспользоваться этой кнопкой я применил подтягивающий резистор.
Открыв монитор порта видим: когда кнопка не нажата на пин 10 подаётся логическая 1, нажимаем кнопку и там уже логический 0.
Резисторы: последовательное и параллельное соединение, токоограничивающие и подтягивающие сопротивления
Резистор (сопротивление) — один из наиболее распространённых компонентов в электронике. Его назначение — простое: сопротивляться течению тока, преобразовывая его часть в тепло.
Основной характеристикой резистора является сопротивление. Единица измерения сопротивления — Ом (Ohm, Ω). Чем больше сопротивление, тем большая часть тока рассеивается в тепло. В схемах, питаемых небольшим напряжением (5 – 12 В), наиболее распространены резисторы номиналом от 100 Ом до 100 кОм.
Закон Ома
Закон Ома позволяет на заданном участке цепи определить одну из величин: силу тока I, напряжение U, сопротивление R, если известны две остальные:
Для обозначения напряжения наряду с символом U используется V.
Рассмотрим простую цепь
Расчитаем силу тока, проходящего через резистор R1 и, соответственно, затем через лампу L1. Для простоты будем предполагать, что сама лампа обладает нулевым собственным сопротивлением.
Аналогично, если бы у нас был источник питания на 5 В и лампа, которая по документации должна работать при токе 20 мА, нам нужно бы было выбрать резистор подходящего номинала.
В данном случае, разница в 10 Ом между идеальным номиналом и имеющимся не играет большого значения: можно смело брать стандартный номинал — 240 или 220 Ом.
Аналогично, мы могли бы расчитать требуемое напряжение, если бы оно было не известно, а на руках были значения сопротивления и желаемая сила тока.
Соединение резисторов
При последовательном соединении резисторов, их сопротивление суммируется:
При параллельном соединении, итоговое сопротивление расчитывается по формуле:
Если резистора всего два, то:
В частном случае двух одинаковых резисторов, итоговое сопротивление при параллельном соединении равно половине сопротивления каждого из них.
Таким образом можно получать новые номиналы из имеющихся в наличии.
Применеие на практике
Среди ролей, которые может выполнять резистор в схеме можно выделить следующие:
Токоограничивающий резистор
Пример, на котором рассматривался Закон Ома представляет собой также пример токоограничевающего резистора: у нас есть компонент, который расчитан на работу при определённом токе — резистор снижает силу тока до нужного уровня.
В случае с Ардуино следует ограничивать ток, поступающий с выходных контактов (output pins). Напряжение, в состоянии, когда контакт включен (high) составляет 5 В. Исходя из документации, ток не должен превышать 40 мА. Таким образом, чтобы безопасно увести ток с контакта в землю понадобится резистор номиналом R = U / I = 5 В / 0.04 А = 125 Ом или более.
Стягивающие и подтягивающие резисторы
Стягивающие (pull-down) и подтягивающие (pull-up) резисторы используются в схемах рядом со входными контактами логических компонентов, которым важен только факт: подаётся ноль вольт (логический ноль) или не ноль (логическая единица). Примером являются цифровые входы Ардуино. Резисторы нужны, чтобы не оставить вход в «подвешенном» состоянии. Возьмём такую схему
Мы хотим, чтобы когда кнопка не нажата (цепь разомкнута), вход фиксировал отсутствие напряжения. Но в данном случае вход находится в «никаком» состоянии. Он может срабатывать и не срабатывать хаотично, непредсказуемым образом. Причина тому — шумы, образующиеся вокруг: провода действуют как маленькие антенны и производят электричество из электромагнитных волн среды. Чтобы гарантировать отсутствие напряжения при разомкнутой цепи, рядом с входом ставится стягивающий резистор:
Теперь нежелательный ток будет уходить через резистор в землю. Для стягивания используются резисторы больших сопротивлений (10 кОм и более). В моменты, когда цепь замкнута, большое сопротивление резистора не даёт большей части тока идти в землю: сигнал пойдёт к входному контакту. Если бы сопротивление резистора было мало (единицы Ом), при замкнутой цепи произошло бы короткое замыкание.
Аналогично, подтягивающий резистор удерживает вход в состоянии логической единицы, пока внешняя цепь разомкнута:
То же самое: используются резисторы больших номиналов (10 кОм и более), чтобы минимизировать потери энергии при замкнутой цепи и предотвратить короткое замыкание при разомкнутой.
Делитель напряжения
Делитель напряжения (voltage divider) используется для того, чтобы получить из исходного напряжения лишь его часть. Например, из 9 В получить 5. Он подробно описан в отдельной статье.
Мощность резисторов
Резисторы помимо сопротивления обладают ещё характеристикой мощности. Она определяет нагрузку, которую способен выдержать резистор. Среди обычных керамических резисторов наиболее распространены показатели 0.25 Вт, 0.5 Вт и 1 Вт. Для расчёта нагрузки, действующей на резистор, используйте формулу:
При превышении допустимой нагрузки, резистор будет греться и его срок службы может сильно сократиться. При сильном превышении — резистор может начать плавиться и вызвать воспламенение. Будьте осторожны!
Подтягивающий резистор — что это такое и зачем нужен
Для организации работы Ардуино, в частности для подачи управляющего напряжения на высокоимпедансный вход кнопкой требуется использования подтягивающего резистора. Без него невозможно организовать правильное функционирование контроллера.
Принцип работы подтягивающего резистора
Для подключения различных устройств к Ардуино используются резисторы. Резисторы бывают внутренние и внешние, постоянные и переменные (внутренние переменные могут быть цифровыми).
Устройство
Резистор – от английского глагола «resistance» (сопротивление). Пассивный элемент, который создает препятствие для движения электрического тока. Часть тока преобразуется из электрической энергии в тепло.
Переменный резистор имеет еще один контакт, который называется ползунок. Он передвигается по резистивному слою и изменяет сопротивление между ползунком и контактами резистора.
Ардуино переменный резистор это резистивная линейка с электронными переключателями на каждом шаге потенциометра. В один момент времени может быть закрытым только один переключатель. От этого зависит сопротивление, которое выдает потенциометр.
Для чего используется
Они имеют разные функции:
Работа токоограничивающего резистора заключается в ограничения тока.
Пример: в Ардуино требуется ограничить ток с выходных контактов. По документации он не должен превышать 40 мА. Напряжение питания 5В. По закону Ома определяется номинал резистора R= U/I = 5В/0,04А = 125 Ом (не меньше).
Стягивающий и подтягивающий резисторы используются в схемах рядом с входными контактами логических элементов. Стягивающие – когда нужен четкий логический ноль. Подтягивающий резистор arduino – когда нужна логическая единица.
Делитель напряжения используется для получения части напряжения от целого. Например: питание автомобильной бортовой сети 12,7В. Нужно зарядить аккумулятор для смартфона, который использует напряжение 5В. Делается делитель напряжения из двух резисторов сопротивление которых относится как 5 к 7. Еще одно сопротивление для ограничения тока.
Типы подтягивающих резисторов
Вход логических элементов обычно имеет, так называемое высокоимпедансное состояние – точка имеет высокое сопротивление и не подключена ни к питанию, ни к земле. Проводник подключенный к логическому входу будет выполнять роль антенны и срабатывать от паразитных наводок. На выходе Ардуино будет выдаваться совсем не то, что требуется. Чтобы вход не оставался в подвешенном состоянии его, через пассивный резистор, подключают (подтягивают) к линии питания. Соответственно на логическом входе гарантированно будет логическая единица. Такой резистор называется подтягивающим.
Подтягивающие резисторы могут быть:
Другой характеристикой является:
Сильный
Если резистор имеет небольшое сопротивление, то через него идет больший ток и разность потенциалов между линией питания и логическим входом будет небольшая. Он будет сильнее притягивать логическую единицу к входу Ардуино.
Но с другой стороны слишком большой ток постоянно идущий через вход устройство – это больший нагрев и бесполезные потери энергии.
Слабый
Если сопротивление резистора большое, то ток, идущий через резистор, будет небольшим. Соответственно разность потенциалов между входом и линией питания будет достаточно большой (подбирается так, чтобы напряжение между землей и входом не слишком отличалась от 3,3В).
Основные характеристики подтягивающих резисторов Arduino
Основные характеристики резисторов это:
Сопротивление — это величина сопротивления проводника, к которому проложено напряжение в 1 Вольт и течет ток в 1 Ампер.
Допуск – отклонение сопротивления от номинала в результате технологической погрешности при изготовлении.
Мощность способность преобразовать в тепловую определенное количество электрической энергии при прохождении тока через резистор. Формула имеет вид: P= I 2 x R.
Расчет подтягивающего резистора
Расчет минимального сопротивления резистора достаточно прост и определяется из формулы:
Rp = (Vcc – 0,4)/3mA где:
Соответственно Rp = (5V- 0,4V)/3mA= 1,5 кОм – Это минимальное сопротивление.
Максимальное сопротивление определяется по емкости шины конкретного устройства по формуле:
1µs – время нарастания сигнала для стандартного сигнала;
Cb – емкость шины – 20 пФ.
Расчет показывает, что сопротивление будет равно 50 кОм.
Как правильно выбрать номинал
Номинал резистора лежит в пределах от 1,5 кОм до 50 кОм. Подбирается обычно подбором. Подается соответствующий сигнал с рабочей частотой. Просматриваются осциллограммы и меняя сопротивления выбирается наиболее подходящее.
Схема подключения переменных резисторов к Ардуино
Для Подключения управляющих элементов на вход Ардуино разработаны стандартные схемы.
Подключение кнопок
Подключение кнопок хорошо представлена в схемах на рисунках.
Подключение кнопки с помощью стягивающего резистора.
Стягивающий резистор подключен между землей и логическим входом устройства.
Подключение кнопки с помощью подтягивающего резистора.
Подтягивающий резистор включен между линией питания и входом устройства.
Подключение микроконтроллера
Ардуино – это популярный микроконтроллер, в который уже загружен набор базовых АТ команд (как BIOS в компьютере). Этот набор называется прошивкой. Пользователь может самостоятельно перепрошить микроконтроллер под свои задачи. Для выполнения конкретных задач пользователь может сам написать программу на специальном языке программирования, а может использовать уже написанные другими программы. Эти программы называются библиотеки и загружаются через стандартный порт в память микроконтроллера.
Как сделать осциллограф на Ардуино для компьютера, читайте здесь.
Другие
Имея Ардуино с загруженной библиотекой Вы получаете инструмент управляющей нужной системой. Достаточно подключить нужные датчики. Датчики можно подключать цифровые и аналоговые. Цифровые уже ориентированы на работу с Ардуино. Аналоговые подключаются через аналогово-цифровые преобразователи, встроенные в микроконтроллер. Если их не хватает – приходится использовать мультиплексоры.
Спектр датчиков широк и постоянно пополняется новыми. Уже сейчас широко используются в качестве датчиков различные терморезисторы, объемные датчики, фотодатчики, резистивные датчики положения.
Наличие огромного количество уже готовых библиотек также облегчает жизнь изобретателей и просто «рукастых» людей. Возможности Ардуино ограничиваются только их фантазией.
Подтягивающий резистор
Из Википедии — свободной энциклопедии
Подтягивающий резистор — резистор, включённый между проводником, по которому распространяется электрический сигнал, и питанием (pull-up resistor — подтягивающий вверх/подтягивающий к питанию резистор), либо между проводником и землёй (pull-down resistor — стягивающий резистор).
Подтягивающий резистор нужен, чтобы гарантировать на логическом входе, с которым соединён проводник, высокий (в первом случае) либо низкий (во втором случае) уровень в случаях:
Цепь с подтягивающим резистором можно сравнить с делителем напряжения из двух резисторов — большого подтягивающего и очень маленького на месте кнопки или открытого стока.
Любой логический вход имеет ёмкость относительно земли. Если сигнал формируется на открытом выводе ключевого элемента, то чем больше сопротивление подтягивающего резистора, тем больше время нарастания или спада сигнала при размыкании ключевого элемента. Если подтяжка к питанию, то надо учитывать время нарастания сигнала. Если подтяжка к земле, то — время спада сигнала. Время спада или нарастания — это время между размыканием ключа и достижением сигнала порогового напряжения.
Пороговое напряжение — это напряжение, при достижении которого логическим входом фиксируется изменение логического состояния.
Время спада или нарастания — это произведение сопротивления, ёмкости и коэффициента, который учитывает пороговое напряжение.
При проектировании логических схем приходится рассчитывать сопротивление подтягивающего резистора, при этом известны ёмкость входа и пороговое напряжение. Время спада или нарастания пропорционально сопротивлению подтягивающего резистора, то есть, например, при увеличении сопротивления вдвое время спада или нарастания увеличится вдвое.