Comprendre les résistances pull-up et pull-down avec des diagrammes et des formules

Dans cet article, nous allons explorer les résistances pull-up et pull-down, pourquoi elles sont couramment utilisées dans les circuits électroniques, ce qui arrive aux circuits électroniques sans résistance pull-up ou pull-down, et comment calculer le pull-up et Pull-down les valeurs de résistance et enfin nous verrons à propos de la configuration de collecteur ouvert.

Fonctionnement des entrées et sorties logiques dans les circuits numériques

Dans l'électronique numérique et la plupart des circuits basés sur un microcontrôleur, les signaux numériques impliqués sont traités sous la forme de logic1 ou logic0, c'est-à-dire «HIGH» ou «LOW».

Les portes logiques numériques deviennent les unités fondamentales de tout circuit numérique, et en utilisant les portes «ET», «OU» et «NON», nous sommes en mesure de construire des circuits complexes, mais comme indiqué ci-dessus, les portes numériques ne peuvent accepter que deux niveaux de tension qui «ÉLEVÉ» »Et« FAIBLE ».

Les valeurs «HIGH» et «LOW» sont généralement sous la forme de 5V et 0V respectivement. «HIGH» est également appelé «1» ou signal positif de l'alimentation et «LOW» est également appelé «0» ou signal négatif de l'alimentation.

Des problèmes surviennent dans un circuit logique ou un microcontrôleur lorsque l'entrée alimentée se trouve quelque part dans la région non définie entre 2V et 0V.

Dans une telle situation, un circuit logique ou un microcontrôleur peut ne pas reconnaître correctement le signal, et le circuit fera de fausses hypothèses et s'exécutera.

En général, une porte logique peut reconnaître le signal comme «BAS» si l'entrée est inférieure à 0,8 V et peut reconnaître le signal comme «ÉLEVÉ» si l'entrée est supérieure à 2 V. Pour les microcontrôleurs, cela peut en fait beaucoup varier.

Niveaux logiques d'entrée non définis

Les problèmes surviennent lorsque le signal est compris entre 0,8 V et 2 V et varie de manière aléatoire au niveau des broches d'entrée, ce problème peut être expliqué avec un exemple de circuit utilisant un commutateur connecté à un circuit intégré ou à un microcontrôleur.

Supposons un circuit utilisant un microcontrôleur ou un circuit intégré, si nous fermons le circuit, la broche d'entrée devient «LOW» et le relais devient «ON».

Si nous ouvrons l'interrupteur, le relais doit s'éteindre, non? Eh bien pas vraiment.

Nous savons que les circuits intégrés numériques et les microcontrôleurs numériques ne prennent l'entrée que comme «HIGH» ou «LOW», lorsque nous ouvrons le commutateur, la broche d'entrée est juste en circuit ouvert. Ce n'est ni «HIGH» ni «LOW».

La broche d'entrée doit être «HIGH» pour désactiver le relais, mais dans la situation ouverte, cette broche devient vulnérable aux micros parasites, aux charges statiques parasites et à d'autres bruits électriques environnants, ce qui peut provoquer l'activation et la désactivation du relais. au hasard.

Pour éviter de tels déclenchements aléatoires dus à une tension parasite, dans cet exemple, il devient obligatoire de lier la broche d'entrée numérique affichée à une logique «HIGH», de sorte que lorsque le commutateur est désactivé, la broche se connecte automatiquement à un état défini «HIGH» ou le niveau d'alimentation positif du CI.

Pour garder la broche «HIGH», nous pouvons connecter la broche d'entrée à Vcc.

Dans le circuit ci-dessous, la broche d'entrée est connectée à Vcc, ce qui maintient l'entrée «HIGH» si nous ouvrons l'interrupteur, ce qui empêche le déclenchement aléatoire du relais.

Vous pensez peut-être que nous avons maintenant la solution élaborée. Mais non ... pas encore!

Selon le schéma, si nous fermons l'interrupteur, il y aura un court-circuit et un arrêt et un court-circuit de l'ensemble du système. Votre circuit ne peut jamais avoir de pire situation qu'un court-circuit.

Le court-circuit est dû à un courant très important traversant un chemin à faible résistance qui brûle les traces du PCB, fait griller le fusible, déclenche des interrupteurs de sécurité et peut même causer des dommages mortels à votre circuit.

Pour éviter un flux de courant aussi important et pour maintenir la broche d'entrée dans un état «HAUT», nous pouvons utiliser une résistance qui est connectée à Vcc, c'est-à-dire entre la «ligne rouge».

Dans cette situation, la broche sera dans un état «HAUT» si nous ouvrons l'interrupteur, et à la fermeture de l'interrupteur, il n'y aura pas de court-circuit, et la broche d'entrée est également autorisée à se connecter directement avec le GND, ce qui en fait ' FAIBLE'.

Si nous fermons l'interrupteur, il y aura une chute de tension négligeable via la résistance pull-up et le reste du circuit ne sera pas affecté.

Il faut choisir la valeur de la résistance Pull-Up / Pull-Down de manière optimale afin qu'elle ne tire pas l'excédent à travers la résistance.

Calcul de la valeur de la résistance de pull-up:

Pour calculer une valeur optimale, nous devons connaître 3 paramètres: 1) Vcc 2) Tension d'entrée de seuil minimum qui peut garantir de rendre la sortie «HIGH» 3) Courant d'entrée de haut niveau (Le courant requis). Toutes ces données sont mentionnées dans la fiche technique.

Prenons l'exemple de la porte logique NAND. Selon sa fiche technique, Vcc est de 5V, tension d'entrée de seuil minimum (tension d'entrée de haut niveau V_LEUR) est 2V et le courant d'entrée de haut niveau (I_LEUR) est de 40 uA.

En appliquant la loi d'Ohm, nous pouvons trouver la valeur de résistance correcte.

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

Où,

Vcc est la tension de fonctionnement,

V_{IH (MIN)}est la tension d'entrée de niveau élevé,

je_LEURest le courant d'entrée de niveau élevé.

Maintenant, faisons la correspondance,

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

Nous pouvons utiliser une valeur de résistance maximale de 75K ohm.

REMARQUE:

Cette valeur est calculée pour des conditions idéales, mais nous ne vivons pas dans un monde idéal. Pour un meilleur fonctionnement, vous pouvez connecter une résistance légèrement inférieure à la valeur calculée, par exemple 70K, 65k ou même 50K ohms, mais ne réduisez pas la résistance suffisamment pour qu'elle conduise un courant énorme, par exemple 100 ohms, 220 ohms pour l'exemple ci-dessus.

Résistances pull-up multiples

Dans l'exemple ci-dessus, nous avons vu comment choisir une résistance Pull-up pour une porte. Et si nous avons 10 portes qui doivent toutes être connectées à la résistance Pull-Up?

L'un des moyens consiste à connecter 10 résistances Pull-Up à chacune des portes, mais ce n'est pas une solution rentable et facile. La meilleure solution serait de connecter toutes les broches d'entrée ensemble à une seule résistance Pull-Up.

Pour calculer la valeur de la résistance Pull-Up pour la condition ci-dessus, suivez la formule ci-dessous:

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

Le «N» est le nombre de portes.

Vous remarquerez que la formule ci-dessus est la même que la précédente, la seule différence est de multiplier le nombre de portes.

Alors, refaisons le calcul,

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

Maintenant, pour les 10 portes NAND, nous avons obtenu la valeur de la résistance de manière à ce que le courant soit 10 fois supérieur à une porte NAND (dans l'exemple précédent), de sorte que la résistance puisse maintenir un minimum de 2 V à la charge de pointe, ce qui peut garantir le sortie sans aucune erreur.

Vous pouvez utiliser la même formule pour calculer la résistance Pull-Up pour n'importe quelle application.

Résistances pull-down:

La résistance Pull-Up maintient la broche «HIGH» si aucune entrée n'est connectée avec une résistance Pull-down, elle garde la broche «LOW» si aucune entrée n'est connectée.

La résistance pull-down est faite en connectant la résistance à la terre au lieu de Vcc.

Le Pull-Down peut être calculé par:

R = V_{IL (MAX)}/ JE_LE

Où,

V_{IL (MAX)}est la tension d'entrée de niveau BAS.

je_LEest le courant d'entrée de niveau BAS.

Tous ces paramètres sont mentionnés dans la fiche technique.

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

Nous pouvons utiliser une résistance maximale de 500 ohms pour le pull-down.

Mais encore une fois, nous devrions utiliser une valeur de résistance inférieure à 500 ohms.

Sortie collecteur ouvert / Drain ouvert:

Nous pouvons dire qu’une broche est “sortie collecteur ouvert” lorsque le CI ne peut pas piloter la sortie “HIGH” mais ne peut piloter que sa sortie “LOW”. Il connecte simplement la sortie à la terre ou se déconnecte de la terre.

Nous pouvons voir comment la configuration de collecteur ouvert est faite dans un IC.

Étant donné que la sortie est soit à la terre, soit en circuit ouvert, nous devons connecter une résistance Pull-Up externe qui peut tourner la broche «HIGH» lorsque le transistor est OFF.

Il en va de même pour le drain ouvert, la seule différence est que le transistor interne à l'intérieur du CI est un MOSFET.

Maintenant, vous pouvez vous demander pourquoi avons-nous besoin d'une configuration de drain ouvert? Nous devons quand même connecter une résistance Pull-Up.

Eh bien, la tension de sortie peut être modifiée en choisissant différentes valeurs de résistance à la sortie du collecteur ouvert, ce qui donne plus de flexibilité pour la charge. Nous pouvons connecter une charge à la sortie qui a une tension de fonctionnement supérieure ou inférieure.

Si nous avions une valeur de résistance de pull-up fixe, nous ne pouvons pas contrôler la tension à la sortie.

Un inconvénient de cette configuration est qu'elle consomme un courant énorme et peut ne pas être compatible avec la batterie, elle a besoin d'un courant plus élevé pour son bon fonctionnement.

Prenons l'exemple de la porte logique «NAND» à drain ouvert IC 7401 et voyons comment calculer la valeur de la résistance de rappel vers le haut.

Nous devons connaître les paramètres suivants:

V_{OL (MAX)}qui est la tension d'entrée maximale à IC 7401 qui peut garantir de tourner la sortie «LOW» (0,4 V).

je_{OL (MAX)}qui est le courant d'entrée de bas niveau (16 mA).

Vcc est la tension de fonctionnement qui est de 5V.

Donc, nous pouvons ici connecter une valeur de résistance Pull-Up autour de 287 ohms.

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