Для чего нужен подтягивающий резистор

Подтягивающий резистор — резистор, включённый между проводником, по которому распространяется электрический сигнал, и питанием (pull-up resistor — подтягивающий вверх резистор), либо между проводником и землёй (pull-down resistor — подтягивающий вниз 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:

  • проводник не соединён с логическим выходом;
  • присоединённый логический выход находится в высокоимпедансном состоянии;
  • когда разомкнут ключевой элемент на присоединённом логическом выходе, который устроен как открытый вывод ключевого элемента. Ключевым элементом может быть полевой или биполярный транзистор, а открытым выводом — коллектор, эмиттер, сток или исток.

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.

Резистор — один из наиболее распространённых компонентов в электронике. Его назначение — простое: сопротивляться течению тока, преобразовывая его часть в тепло.

Читайте также:  Jquery потеря фокуса input

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.

Читайте также:  Айпи адреса для самсунг смарт тв

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:

Читайте также:  Sleep as android mi band 3

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!

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.