Neste post, vamos explorar o resistor pull-up e o resistor pull-down, por que eles são comumente usados em circuitos eletrônicos, o que acontece com circuitos eletrônicos sem resistor pull-up ou pull-down, e como calcular pull-up e Valores do resistor pull-down e, finalmente, veremos sobre a configuração do coletor aberto.
Como as entradas e saídas lógicas funcionam em circuitos digitais
Na eletrônica digital e na maioria dos circuitos baseados em microcontroladores, os sinais digitais envolvidos são processados na forma lógica1 ou lógica0, ou seja, “HIGH” ou “LOW”.
As portas lógicas digitais tornam-se as unidades fundamentais de qualquer circuito digital, e utilizando as portas “AND”, “OR” e “NOT” somos capazes de construir circuitos complexos, no entanto, como observado acima, as portas digitais podem aceitar apenas dois níveis de tensão que “HIGH” ” e “BAIXO”.
O “HIGH” e o “LOW” são geralmente na forma de 5V e 0V, respectivamente. “HIGH” também é referido como “1” ou sinal positivo da alimentação e “LOW” também é referido como “0” ou sinal negativo da alimentação.
Os problemas surgem em um circuito lógico ou um microcontrolador quando a entrada alimentada está em algum lugar na região indefinida entre 2V e 0V.
Em tal situação, um circuito lógico ou microcontrolador pode não reconhecer o sinal corretamente, e o circuito fará algumas suposições erradas e executará.
Geralmente uma porta lógica pode reconhecer o sinal como “LOW” se a entrada estiver abaixo de 0,8V e pode reconhecer o sinal como “HIGH” se a entrada estiver acima de 2V. Para microcontroladores, isso pode variar muito.
Níveis lógicos de entrada indefinidos
Os problemas surgem quando o sinal está entre 0,8V e 2V e varia aleatoriamente nos pinos de entrada, esse problema pode ser explicado com um exemplo de circuito usando uma chave conectada a um IC ou a um microcontrolador.
Suponha um circuito usando um microcontrolador ou um IC, se fecharmos o circuito, o pino de entrada fica “LOW” e o relé liga “ON”.
Se abrirmos o interruptor, o relé deve desligar “OFF” certo? Bem, na verdade não.
Sabemos que os CIs digitais e microcontroladores digitais só recebem entrada como “HIGH” ou “LOW”, quando abrimos a chave, o pino de entrada está apenas em circuito aberto. Não é “ALTO” nem “BAIXO”.
O pino de entrada deve estar “HIGH” para desligar o relé, mas na situação aberta esse pino se torna vulnerável a captadores perdidos, cargas estáticas perdidas e outros ruídos elétricos do ambiente, o que pode fazer com que o relé ligue e desligue aleatoriamente.
Para evitar tais disparos aleatórios devido à tensão parasita, neste exemplo torna-se obrigatório vincular o pino de entrada digital mostrado a uma lógica “HIGH”, de modo que quando a chave for desligada, o pino se conecte automaticamente a um estado definido “HIGH” ou o nível de oferta positivo do IC.
Para manter o pino “HIGH” podemos conectar o pino de entrada ao Vcc.
No circuito abaixo o pino de entrada está conectado ao Vcc, que mantém a entrada “HIGH” se abrirmos a chave, o que evita o acionamento aleatório do relé.
Você pode pensar, agora temos a solução elaborada. Mas não… ainda não!
De acordo com o diagrama, se fecharmos o interruptor, haverá curto-circuito e desligamento e curto-circuito em todo o sistema. Seu circuito nunca pode ter uma situação pior do que um curto-circuito.
O curto-circuito é devido à corrente muito grande que flui através de um caminho de baixa resistência que queima os traços da PCB, queima o fusível, aciona interruptores de segurança e até pode causar danos fatais ao seu circuito.
Para evitar um fluxo tão intenso de corrente e também para manter o pino de entrada na condição “HIGH”, podemos utilizar um resistor que é conectado ao Vcc, que fica entre a “linha vermelha”.
Nesta situação o pino estará em um estado “HIGH” se abrirmos a chave, e ao fechar a chave não haverá nenhum curto-circuito, e também o pino de entrada pode se conectar diretamente com o GND, tornando-o “ BAIXO”.
Se fecharmos a chave, haverá queda de tensão insignificante através do resistor pull-Up e o resto do circuito permanecerá inalterado.
Deve-se escolher o valor do resistor Pull-Up / Pull-Down de forma otimizada para que não atraia excesso pelo resistor.
Calculando o valor do resistor de pull-up:
Para calcular um valor ótimo, temos que conhecer 3 parâmetros: 1) Vcc 2) Tensão de entrada de limite mínimo que pode garantir a saída “HIGH” 3) Corrente de entrada de nível alto (A corrente necessária). Todos esses dados estão mencionados na ficha técnica.
Vamos pegar o exemplo da porta NAND lógica. De acordo com sua folha de dados Vcc é 5V, tensão de entrada de limite mínimo (tensão de entrada de alto nível VIH) é 2V e corrente de entrada de alto nível (IIH) é 40 uA.
Aplicando a lei de ohm, podemos encontrar o valor correto do resistor.
R = Vcc – VHI (MIN) / EUIH
Onde,
Vcc é a tensão de operação,
VHI (MIN) é a tensão de entrada de nível ALTO,
euIH é a corrente de entrada de nível ALTO.
Agora vamos fazer a correspondência,
R = 5 – 2 / 40 x 10^-6 = 75K ohms.
Podemos usar um valor de resistor máximo de 75K ohm.
NOTA:
Esse valor é calculado para condições ideais, mas não vivemos em um mundo ideal. Para uma melhor operação, você pode conectar um resistor um pouco menor do que o valor calculado, digamos 70K, 65k ou até 50K ohm, mas não reduza a resistência o suficiente para conduzir uma corrente enorme, por exemplo, 100 ohm, 220 ohm para o exemplo acima.
Resistores de pull-up de múltiplas portas
No exemplo acima, vimos como escolher um resistor Pull-up para uma porta. E se tivermos 10 portas que precisam ser conectadas ao resistor Pull-Up?
Uma das maneiras é conectar 10 resistores Pull-Up em cada uma das portas, mas isso não é uma solução econômica e fácil. A melhor solução seria conectar todos os pinos de entrada em um único resistor Pull-Up.
Para calcular o valor do resistor Pull-Up para a condição acima, siga a fórmula abaixo:
R = Vcc – VHI (MIN) / N x IIH
O “N” é o número de portas.
Você notará que a fórmula acima é a mesma que a anterior; a única diferença é multiplicar o número de portas.
Então, vamos fazer as contas novamente,
R = 5 -2 / 10 x 40 x 10^-6 = 7,5 K ohm (máximo)
Agora para as 10 portas NAND, obtivemos o valor do resistor de forma que a corrente seja 10 vezes maior que uma porta NAND (no exemplo anterior), para que o resistor possa manter o mínimo de 2V na carga de pico, o que pode garantir o saída sem nenhum erro.
Você pode usar a mesma fórmula para calcular o resistor Pull-Up para qualquer aplicação.
Resistores de pull-down:
O resistor Pull-Up mantém o pino “HIGH” se nenhuma entrada estiver conectada; com resistor pull-down, mantém o pino “LOW” se nenhuma entrada estiver conectada.
O resistor pull-down é feito conectando o resistor ao terra em vez de Vcc.
O Pull-Down pode ser calculado por:
R = VIL (MAX) / EUIL
Onde,
VIL (MAX) é a tensão de entrada de nível BAIXO.
euIL é a corrente de entrada de nível BAIXO.
Todos esses parâmetros são mencionados na folha de dados.
R = 0,8 / 1,6 x 10 ^-3 = 0,5 K ohm
Podemos usar um resistor máximo de 500 ohms para pull-down.
Mas, novamente, devemos usar um valor de resistor inferior a 500 ohms.
Saída de coletor aberto/dreno aberto:
Podemos dizer que um pino é “saída de coletor aberto” quando o IC não pode direcionar a saída “HIGH”, mas só pode direcionar sua saída “LOW”. Ele simplesmente conecta a saída ao terra ou desconecta do terra.
Podemos ver como é feita a configuração do coletor aberto em um IC.
Como a saída é terra ou circuito aberto, precisamos conectar um resistor pull-up externo que pode transformar o pino em “HIGH” quando o transistor estiver desligado.
Isso é o mesmo para drenagem aberta; a única diferença é que o transistor interno dentro do IC é um MOSFET.
Agora, você pode perguntar por que precisamos de uma configuração de drenagem aberta? Precisamos conectar um resistor Pull-Up de qualquer maneira.
Bem, a tensão de saída pode ser variada escolhendo diferentes valores de resistor na saída do coletor aberto, o que dá mais flexibilidade para a carga. Podemos conectar a carga na saída que tem tensão de operação maior ou menor.
Se tivéssemos um valor fixo de resistor pull-up, não podemos controlar a tensão na saída.
Uma desvantagem dessa configuração é que ela consome muita corrente e pode não ser compatível com a bateria, necessitando de uma corrente mais alta para seu correto funcionamento.
Vamos dar o exemplo da porta “NAND” lógica de drenagem aberta do IC 7401 e ver como calcular o valor do resistor de pull-up.
Precisamos conhecer os seguintes parâmetros:
VOL(MAX) que é a tensão máxima de entrada para IC 7401 que pode garantir a saída “LOW” (0,4V).
euOL(MAX) que é a corrente de entrada de nível baixo (16mA).
Vcc é a tensão de operação que é 5V.
Então, aqui podemos conectar um valor de resistor Pull-Up em torno de 287 ohm.
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