Was ist ein Pull-up-Widerstand und wie verwendet man ihn?

Bild, das eine digitale Schaltung macht, in der ein Druckknopf benötigt wird, um eine LED einzuschalten. Sie verdrahten die Schaltung richtig, indem Sie ein Ende des Tasters mit einem digitalen Eingang und Masse mit dem anderen verbinden. Wenn Sie endlich Strom liefern, bemerken Sie, dass die LED ein- und ausgeht, ohne dass Sie den Schalter drücken.

Wenn Sie solche Situationen schon einmal beobachtet haben, haben Sie wahrscheinlich vergessen, Ihrer digitalen Schaltung einen Pull-up-Widerstand hinzuzufügen. Was genau ist ein Pull-up-Widerstand? Wie funktioniert es und wie benutzt man es?

Was ist ein Pullup-Widerstand?

Ein Pull-up-Widerstand ist ein Widerstand, den Sie einer digitalen Schaltung hinzufügen, um unerwünschte Signale zu vermeiden, die die Logik oder Programmierung Ihrer Schaltung stören könnten. Es ist eine Möglichkeit, eine Eingangsleitung auf positiv oder VCC vorzuspannen oder zu ziehen, wenn kein anderes aktives Gerät die Leitung ansteuert. Indem Sie die Leitung auf VCC ziehen, setzen Sie den Standardzustand der Leitung effektiv auf 1 oder wahr.

Das Festlegen eines Standardzustands aller Eingangspins ist wichtig, um zufällige Signale zu vermeiden, die während ihres schwebenden Zustands erzeugt werden. Ein Eingangspin befindet sich in einem schwebenden Zustand, wenn er von einer aktiven Quelle wie Masse oder VCC getrennt wird.

Pullup-Widerstände werden typischerweise in digitalen Schaltungen verwendet Mikrocontroller und Einplatinencomputer.

Funktionsweise eines Pull-up-Widerstands in einer Schaltung

Wenn Sie einen Momentschalter in einer digitalen Schaltung verwenden, bewirkt das Drücken des Schalters, dass sich die Schaltung schließt und True oder High an den Mikrocontroller überträgt. Das Deaktivieren des Schalters verhindert jedoch nicht unbedingt, dass der Eingangsstift solche Signale sendet.

Dies liegt daran, dass das Trennen der Verbindung durch einen Schalter bedeutet, dass sie nur noch mit Luft verbunden ist. Dadurch befindet sich die Leitung in einem schwebenden Zustand, in dem Signale aus der Umgebung möglicherweise dazu führen können, dass der Stift zu einem bestimmten Zeitpunkt hoch angehoben wird.

Um zu verhindern, dass diese Streusignale in Ihrem Schaltkreis registriert werden, müssen Sie die Eingangsleitung mit genügend Spannung versorgen, damit sie weiterhin hoch registriert wird, wenn keine Masse mehr erkannt wird. Sie können VCC jedoch nicht direkt an die Eingangsleitung anschließen, da der Stromkreis kurzgeschlossen wird, sobald der Schalter / Sensor die Leitung mit Masse verbindet.

Um ein Kurzschließen der Pull-up-Spannung zu vermeiden, müssen Sie einen Widerstand verwenden. Mit dem richtigen Widerstandswert wird sichergestellt, dass die schwebende Leitung genug Spannung hat, um hoch zu steigen, während sie niedrig genug ist, um den Stromkreis nicht vorzeitig kurzzuschließen. Die Höhe des Widerstands hängt von dem Logiktyp ab, den Ihre Schaltung verwendet.

Logikfamilien erklären

Um den Widerstandswert Ihres Pull-up-Widerstands richtig zu berechnen, müssen Sie wissen, welchen Logiktyp Ihre Schaltung zum Betrieb verwendet. Die Logikfamilie, die Ihre Schaltung verwendet, bestimmt den Widerstandswert, den Ihr Pull-up-Widerstand benötigt.

Es gibt mehrere Arten von Logik. Hier sind einige davon:

Wenn Sie sich nicht sicher sind, welche Logikfamilie Sie verwenden, ist es sehr wahrscheinlich, dass Ihre Schaltung CMOS- oder TTL-Logikfamilien verwendet, da ECL und DTL schon lange veraltet sind. Chipmarkierungen mit Präfixen wie „74“ oder „54“ sind typischerweise TLL-Chips, während Chipmarkierungen mit „CD“ oder „MC“ auf einen CMOS-Chip hinweisen. Wenn Sie sich immer noch nicht sicher sind, können Sie ganz einfach herausfinden, welche Logikfamilie Ihr Controller verwendet, indem Sie online schnell nach dem Datenblatt suchen.

So berechnen Sie den Wert des Pull-up-Widerstands

Nachdem Sie nun die verschiedenen Arten von Logikfamilien und ihre minimalen Ein- und maximalen Ausschaltspannungen verstanden haben, können wir nun mit der Berechnung der Werte für unseren Pull-up-Widerstand fortfahren.

Um den korrekten Widerstandswert zu berechnen, benötigen Sie drei Werte. Die minimale Einschaltspannung der Logikfamilie, die Ihre Schaltung verwendet, die Versorgungsspannung der Schaltung und der Eingangsleckstrom, die Sie dem Datenblatt oder von entnehmen können mit einem Multimeter.

Sobald Sie alle Variablen haben, können Sie sie einfach in die folgende Formel einsetzen:

Widerstandswert = (Versorgungsspannung - logisch hohe Spannung) / Eingangsleckstrom

Nehmen wir zum Beispiel an, Ihre Schaltung verwendet TTL und die Eingangsleitung verwendet 100 uA bei 5 V. Wir wissen, dass TTL mindestens 2 V benötigt, um hoch anzuheben, und maximal 0,8 Volt, um niedrig anzuheben. Dies würde bedeuten, dass die richtige Spannung, die unseren Pull-up-Widerstand verlässt, zwischen 3 V und 4 V liegen sollte, da die Spannung höher als 2 V sein muss, aber nicht höher als unsere Versorgungsspannung, die 5 V beträgt.

Unsere gegebenen Werte wären:

• Versorgungsspannung = 5V
• Logik Hochspannung = 4V
• Eingangsleckstrom = 100 μA oder 0,0001 A

Jetzt, da wir die Variablen haben, setzen wir sie in die Formel ein:

(5V - 4V) / 100μA = 10.000 Ohm

Unser Pull-up-Widerstand muss 10.000 Ohm (10 Kiloohm oder 10 kΩ) betragen.

So verwenden Sie einen Pull-up-Widerstand in einer Schaltung

Pullup-Widerstände werden normalerweise in digitalen Schaltungen verwendet, um unerwünschte Interferenzen mit der digitalen Programmierung einer Schaltung zu vermeiden. Sie können Pull-up-Widerstände verwenden, wenn die digitale Schaltung Schalter und Sensoren als Eingabegeräte verwendet. Außerdem sind Pull-up-Widerstände nur wirksam, wenn die Eingangspins mit Masse verbunden sind. Wenn die Eingangspins mit VCC verbunden sind, sollten Sie stattdessen Pulldown-Widerstände verwenden.

Um einen Pull-up-Widerstand zu verwenden, müssen Sie die Eingangsleitung finden, die mit einem Eingabegerät verbunden ist. Sobald Sie ihn gefunden haben, sollten Sie den Wert Ihres Widerstands mithilfe der zuvor besprochenen Formel berechnen. Wenn Ihre Schaltung nicht wirklich viel Präzision erfordert, können Sie einfach Widerstandswerte im Bereich von 1 kΩ bis 10 kΩ verwenden.

Nachdem Sie nun Ihren Widerstand mit dem richtigen Wert haben, können Sie ein Ende des Pull-up-Widerstands an VCC und ein Ende zwischen dem Eingabegerät und der MCU platzieren. Glückwunsch! Sie wissen jetzt, was ein Pull-up-Widerstand ist und wie man ihn verwendet.

Einige Mikrocontroller wie Arduino-Boards und SBCs wie der Raspberry Pi verfügen über interne Pull-up-Widerstände, die Sie anstelle externer Pull-up-Widerstände im Code auslösen können.

Festigen Sie Ihr Wissen durch Erfahrung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein Pull-up-Widerstand eine wichtige Komponente ist, um Ihre Schaltung vor Störungen in der Nähe zu schützen. Indem der Standardzustand eines Eingangspins auf hoch gesetzt wird, wird verhindert, dass zufällige Signale die Logik oder Programmierung Ihrer Schaltung stören. Und jetzt, da Sie wissen, wie man einen verwendet, möchten Sie Ihr neu gewonnenes Wissen vielleicht festigen, indem Sie es auf Ihre nächsten Projekte anwenden.