Comprensión de las resistencias pull-up y pull-down con diagramas y fórmulas

Comprensión de las resistencias pull-up y pull-down con diagramas y fórmulas

En esta publicación vamos a explorar la resistencia pull-up y la resistencia pull-down, por qué se usan comúnmente en circuitos electrónicos, qué sucede con los circuitos electrónicos sin resistencia pull-up o pull-down, y cómo calcular pull-up y Valores de resistencia pull-down y finalmente veremos sobre la configuración del colector abierto.

Cómo funcionan las entradas y salidas lógicas en circuitos digitales

En la electrónica digital y la mayoría de los circuitos basados ​​en microcontroladores, las señales digitales involucradas se procesan en forma de lógica1 o lógica0, es decir, 'ALTA' o 'BAJA'.

Las puertas lógicas digitales se convierten en las unidades fundamentales de cualquier circuito digital, y al utilizar las puertas 'Y', 'O' y 'NO' podemos construir circuitos complejos, sin embargo, como se indicó anteriormente, las puertas digitales pueden aceptar solo dos niveles de voltaje que 'ALTO ”Y“ BAJO ”.



Los valores “ALTO” y “BAJO” generalmente tienen la forma de 5V y 0V respectivamente. 'ALTO' también se conoce como '1' o señal positiva del suministro y 'BAJO' también se conoce como '0' o señal negativa del suministro.

Los problemas surgen en un circuito lógico o un microcontrolador cuando la entrada alimentada está en algún lugar de la región indefinida entre 2V y 0V.

En tal situación, es posible que un circuito lógico o un microcontrolador no reconozca la señal correctamente, y el circuito hará algunas suposiciones incorrectas y se ejecutará.

Generalmente, una puerta lógica puede reconocer la señal como 'BAJA' si la entrada está por debajo de 0,8 V y puede reconocer la señal como 'ALTA' si la entrada está por encima de 2 V. Para los microcontroladores, esto puede variar mucho.

Niveles lógicos de entrada no definidos

Los problemas surgen cuando la señal está entre 0.8V y 2V y varía aleatoriamente en los pines de entrada, este problema se puede explicar con un circuito de ejemplo usando un interruptor conectado a un IC o un microcontrolador.

Supongamos que un circuito usa un microcontrolador o un IC, si cerramos el circuito, el pin de entrada pasa a 'LOW' y el relé se pone 'ON'.

Si abrimos el interruptor, el relé debería apagarse, ¿verdad? Bueno en realidad no.

Sabemos que los circuitos integrados digitales y los microcontroladores digitales solo toman la entrada como “ALTA” o “BAJA”, cuando abrimos el interruptor, el pin de entrada está en circuito abierto. No es ni “ALTO” ni “BAJO”.

El pin de entrada debe ser 'ALTO' para apagar el relé, pero en la situación abierta este pin se vuelve vulnerable a captaciones perdidas, cargas estáticas perdidas y otros ruidos eléctricos del entorno, lo que puede hacer que el relé se encienda y apague. al azar.

Para evitar tales disparos aleatorios debido a la pérdida de voltaje, en este ejemplo es obligatorio vincular el pin de entrada digital que se muestra a una lógica 'ALTA', de modo que cuando el interruptor se apaga, el pin se conecta automáticamente a un estado definido 'ALTO' o el nivel de suministro positivo del CI.

Para mantener el pin 'HIGH' podemos conectar el pin de entrada a Vcc.

En el circuito de abajo, el pin de entrada está conectado a Vcc, que mantiene la entrada en 'ALTA' si abrimos el interruptor, lo que evita la activación aleatoria del relé.

Puede pensar, ahora tenemos la solución resuelta. Pero no ... ¡todavía no!

Según el diagrama, si cerramos el interruptor, habrá un cortocircuito y se apagará y cortocircuitará todo el sistema. Su circuito nunca puede tener la peor situación que un cortocircuito.

El cortocircuito se debe a una corriente muy grande que fluye a través de una ruta de baja resistencia que quema los rastros de la PCB, quema el fusible, activa los interruptores de seguridad e incluso puede causar daños fatales a su circuito.

Para evitar un flujo de corriente tan fuerte y también para mantener el pin de entrada en condición 'ALTA', podemos utilizar una resistencia que está conectada a Vcc, que está entre la 'línea roja'.

En esta situación el pin estará en un estado 'ALTO' si abrimos el interruptor, y al cerrar el interruptor no habrá ningún cortocircuito, y además el pin de entrada puede conectarse directamente con el GND, haciendo que ' BAJO'.

Si cerramos el interruptor, habrá una caída de voltaje insignificante a través de la resistencia pull-Up y el resto del circuito no se verá afectado.

Uno debe elegir el valor de la resistencia Pull-Up / Pull-Down de manera óptima para que no atraiga el exceso a través de la resistencia.

Cálculo del valor de la resistencia pull-up:

Para calcular un valor óptimo, tenemos que conocer 3 parámetros: 1) Vcc 2) Tensión de entrada de umbral mínimo que puede garantizar que la salida sea “ALTA” 3) Corriente de entrada de nivel alto (La corriente requerida). Todos estos datos se mencionan en la hoja de datos.

Tomemos el ejemplo de la puerta NAND lógica. De acuerdo con su hoja de datos, Vcc es 5V, voltaje de entrada de umbral mínimo (voltaje de entrada de alto nivel VELLOS) es de 2 V y corriente de entrada de alto nivel (IELLOS) es 40 uA.

Aplicando la ley de ohmios podemos encontrar el valor de resistencia correcto.

R = Vcc - VIH (MIN)/ IELLOS

Dónde,

Vcc es la tensión de funcionamiento,

VIH (MIN)es voltaje de entrada de nivel ALTO,

yoELLOSes la corriente de entrada de nivel ALTO.

Ahora hagamos la comparación

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

Podemos utilizar un valor de resistencia máximo de 75K ohmios.

NOTA:

Este valor se calcula para condiciones ideales, pero no vivimos en un mundo ideal. Para un mejor funcionamiento, puede conectar una resistencia ligeramente más baja que el valor calculado, digamos 70 K, 65 K o incluso 50 K ohmios, pero no reduzca la resistencia lo suficientemente bajo como para conducir una corriente enorme, por ejemplo, 100 ohmios, 220 ohmios para el ejemplo anterior.

Resistencias pull-up de puerta múltiple

En el ejemplo anterior, vimos cómo elegir una resistencia Pull-up para una puerta. ¿Qué pasa si tenemos 10 puertas que deben conectarse a la resistencia Pull-Up?

Una de las formas es conectar 10 resistencias Pull-Up en cada una de las puertas, pero esta no es una solución fácil y rentable. La mejor solución sería conectar todos los pines de entrada juntos a una sola resistencia Pull-Up.

Para calcular el valor de la resistencia Pull-Up para la condición anterior, siga la fórmula a continuación:

R = Vcc - VIH (MIN)/ N x IELLOS

La 'N' es el número de puertas.

Notarás que la fórmula anterior es la misma que la anterior, la única diferencia es multiplicar el número de puertas.

Entonces, hagamos los cálculos nuevamente

R = 5-2 / 10 x 40 x 10 ^ -6 = 7.5K ohmios (máximo)

Ahora, para las 10 puertas NAND, obtuvimos el valor de la resistencia de una manera que la corriente es 10 veces mayor que una puerta NAND (en el ejemplo anterior), de modo que la resistencia puede mantener un mínimo de 2 V en la carga máxima, lo que puede garantizar la requerida Salida sin ningún error.

Puede usar la misma fórmula para calcular la resistencia Pull-Up para cualquier aplicación.

Resistencias desplegables:

La resistencia Pull-Up mantiene el pin 'HIGH' si no hay ninguna entrada conectada con la resistencia Pull-down, mantiene el pin 'LOW' si no hay ninguna entrada conectada.

La resistencia desplegable se hace conectando la resistencia a tierra en lugar de Vcc.

El Pull-Down se puede calcular mediante:

R = VIL (MAX)/ ILA

Dónde,

VIL (MAX)es voltaje de entrada de nivel BAJO.

yoLAes la corriente de entrada de nivel BAJO.

Todos estos parámetros se mencionan en la hoja de datos.

R = 0.8 / 1.6 x 10 ^ -3 = 0.5K ohmios

Podemos utilizar una resistencia máxima de 500 ohmios para el pull-down.

Pero, de nuevo, deberíamos utilizar un valor de resistencia inferior a 500 ohmios.

Salida colector abierto / drenaje abierto:

Podemos decir que un pin es 'salida de colector abierto' cuando el IC no puede conducir la salida 'HIGH' pero solo puede conducir su salida 'LOW'. Simplemente conecta la salida a tierra o se desconecta de tierra.

Podemos ver cómo se realiza la configuración del colector abierto en un IC.

Dado que la salida es de tierra o de circuito abierto, necesitamos conectar una resistencia Pull-Up externa que pueda poner el pin en 'HIGH' cuando el transistor está APAGADO.

Esto es lo mismo para el drenaje abierto, la única diferencia es que el transistor interno dentro del IC es un MOSFET.

Ahora, puede preguntar por qué necesitamos una configuración de drenaje abierto. Necesitamos conectar una resistencia Pull-Up de todos modos.

Bueno, el voltaje de salida se puede variar eligiendo diferentes valores de resistencia en la salida del colector abierto, por lo que brinda más flexibilidad para la carga. Podemos conectar la carga en la salida que tiene un voltaje de funcionamiento más alto o más bajo.

Si tuviéramos un valor de resistencia de pull-up fijo, no podemos controlar el voltaje en la salida.

Una desventaja de esta configuración es que consume mucha corriente y puede que no sea amigable con la batería, necesita más corriente para su correcto funcionamiento.

Tomemos un ejemplo de la puerta 'NAND' de lógica de drenaje abierto IC 7401 y veamos cómo calcular el valor de la resistencia pull-up.

Necesitamos conocer los siguientes parámetros:

VOL (MAX)que es el voltaje de entrada máximo para IC 7401 que puede garantizar que la salida se vuelva “BAJA” (0.4V).

yoOL (MAX)que es la corriente de entrada de nivel bajo (16 mA).

Vcc es el voltaje de funcionamiento que es de 5 V.

Entonces, aquí podemos conectar un valor de resistencia Pull-Up de alrededor de 287 ohmios.

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