Como os resistores pull-up e pull-down funcionam em circuitos lógicos

Neste post, exploraremos a resistência ao pull-up e ao pull-down, por que eles são comumente usados ​​em circuitos eletrônicos, o que acontece com circuitos eletrônicos sem resistência ao pull-up ou pull-down e como calcular a tensão de pull-up e Valores de resistência à queda e, finalmente, veremos a configuração do coletor aberto.

Como 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 de lógica1 ou lógica0, ou seja, “ALTO” ou “BAIXO”.

As portas lógicas digitais se tornam as unidades fundamentais de qualquer circuito digital e, usando as portas “AND”, “OR” e “NO”, podemos construir circuitos complexos; no entanto, como observado acima, as portas digitais podem aceitar apenas dois níveis de tensão “ALTO” E “BAIXO”.

O “ALTO” e o “BAIXO” são geralmente na forma de 5V e 0V, respectivamente. “HIGH” também é chamado de “1” ou sinal de alimentação positivo e “LOW” também é chamado de “0” ou sinal de fornecimento negativo.

Os problemas surgem em um circuito lógico ou microcontrolador quando a entrada de energia está em algum lugar na região indefinida entre 2V e 0V.


Em tal situação, um circuito lógico ou um microcontrolador pode não reconhecer o sinal corretamente, e o circuito fará algumas suposições erradas e será executado.

Geralmente, uma porta lógica pode reconhecer o sinal como “BAIXO” se a entrada estiver abaixo de 0.8V e pode reconhecer o sinal como “ALTO” se a entrada estiver acima de 2V. Para microcontroladores, isso pode variar bastante.

Níveis de entrada lógica 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 um interruptor conectado a um IC ou a um microcontrolador.

Suponha um circuito usando um microcontrolador ou IC; se fecharmos o circuito, o pino de entrada ficará “LOW” e o relé “ON”.

Se abrirmos o interruptor, o relé deve disparar, certo? Bem, na verdade não.

Sabemos que os circuitos digitais integrados e os microcontroladores digitais aceitam apenas a entrada como “ALTA” ou “BAIXA”; quando abrimos a chave, o pino de entrada é simplesmente um circuito aberto. Não é “ALTO” ou “BAIXO”.

O pino de entrada deve ser “ALTO” para desligar o relé, mas na situação aberta, esse pino se torna vulnerável a captadores perdidos, cargas estáticas dispersas e outros ruídos elétricos ao redor, o que pode fazer com que o relé seja ligado e desligado. Ao acaso


Para evitar esses disparadores aleatórios devido à tensão dispersa, neste exemplo é obrigatório vincular o pino de entrada digital exibido a uma lógica “HIGH”, para que, quando o interruptor for desligado, o pino se conecte automaticamente a um estado definido “HIGH “ou o nível positivo de fornecimento do CI.

Para manter o pino “HIGH”, podemos conectar o pino de entrada ao Vcc.

No circuito a seguir, o pino de entrada é conectado ao Vcc, que mantém a entrada “HIGH” se abrirmos o interruptor, o que impede a ativação aleatória do relé.

Você pode pensar, agora temos a solução resolvida. Mas não … ainda não!

De acordo com o diagrama, se fecharmos o interruptor, haverá um curto-circuito e desligaremos e causaremos um curto-circuito em todo o sistema. Seu circuito nunca pode ter uma situação pior do que um curto-circuito.

O curto-circuito é devido a uma corrente muito grande que flui através de um caminho de baixa resistência que queima os traços da placa de circuito impresso, queima o fusível, ativa os interruptores de segurança e pode até causar danos fatais ao seu circuito.

Para evitar um fluxo de corrente tão pesado e também para manter o pino de entrada na condição “ALTA”, podemos usar um resistor conectado ao Vcc, que fica entre a “linha vermelha”.

Nesta situação, o pino estará em um estado “ALTO” se abrirmos o comutador, e ao fechar o comutador não haverá curto-circuito, e o pino de entrada também poderá se conectar diretamente ao GND, tornando-o “BAIXO” ”

Se fecharmos o comutador, haverá uma queda de tensão desprezível no resistor de pull-up e o restante do circuito não será afetado.

O valor da resistência Pull-Up / Pull-Down deve ser escolhido da melhor maneira, para que o excesso não seja atraído pela resistência.

Cálculo do valor da resistência à tração:

Para calcular um valor ideal, precisamos conhecer três parâmetros: 1) Vcc 2) Tensão de entrada de limiar mínimo que pode garantir que a saída seja “ALTA” 3) Corrente de entrada de alto nível (a corrente necessária). Todos esses dados são mencionados na folha de dados.


Vamos dar o exemplo da porta lógica NAND. De acordo com a sua ficha 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 de 40 uA.

Aplicando a lei do ohm, podemos encontrar o valor correto da resistência.

R = Vcc – VIH (MIN) / MIMIH

Onde,

Vcc é a tensão operacional,

VIH (MIN) é tensão de entrada de alto nível,

mimIH é a corrente de entrada de alto nível.

Agora vamos fazer a correspondência,

R = 5 – 2/40 x 10 ^ -6 = 75K ohms.

Podemos usar um valor máximo de resistência de 75K ohm.

NOTA:

Este valor é calculado para condições ideais, mas não vivemos em um mundo ideal. Para uma melhor operação, você pode conectar uma resistência um pouco abaixo do valor calculado, por exemplo, 70K, 65k ou mesmo 50K ohms, mas não reduza a resistência suficientemente baixa para conduzir uma corrente grande, por exemplo, 100 ohms, 220 ohms para o exemplo acima.

Resistores de pull-up de várias portas

No exemplo acima, vimos como escolher um resistor de pull-up para uma porta. E se tivermos 10 portas que todos devem conectar ao resistor de pull-up?

Uma das maneiras é conectar 10 resistores pull-up a cada uma das portas, mas essa não é uma solução econômica e fácil. A melhor solução seria conectar todos os pinos de entrada a um único resistor de pull-up.

Para calcular o valor da resistência à flexão para a condição acima, siga a fórmula abaixo:

R = Vcc – VIH (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 ohms (máximo)

Agora, para os 10 portões NAND, obtivemos o valor da resistência para que a corrente seja 10 vezes maior que uma porta NAND (no exemplo anterior), para que a resistência possa manter um mínimo de 2V na carga máxima, que pode garantir o valor necessário Saída sem nenhum erro.

Você pode usar a mesma fórmula para calcular a resistência à tração para qualquer aplicação.

Resistores implantáveis:

O resistor pull-up mantém o pino “HIGH” se nenhuma entrada estiver conectada; Com resistor implantável, ele mantém o pino “LOW” se nenhuma entrada estiver conectada.

O resistor implantável é realizado conectando o resistor ao terra, em vez de Vcc.

O menu suspenso pode ser calculado por:

R = VIL (MAX) / MIMILLINOIS

Onde,

VIL (MAX) é baixa tensão de entrada de nível.

mimILLINOIS é corrente de entrada de nível BAIXO

Todos esses parâmetros são mencionados na folha de dados.

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

Podemos usar uma resistência máxima de 500 ohms para pull-down.

Mas, novamente, devemos usar um valor de resistência inferior a 500 ohms.

Saída do coletor aberto / dreno aberto:

Podemos dizer que um pino é “saída de coletor aberto” quando o IC não pode acionar a saída “ALTA”, mas pode apenas conduzir sua saída “BAIXA”. Simplesmente conecte a saída ao terra ou desconecte-o do solo.

Podemos ver como a configuração do coletor aberto é feita em um IC.

Como a saída é aterrada ou em circuito aberto, precisamos conectar um resistor de pull-up externo que possa colocar o pino “HIGH” quando o transistor estiver desligado.

É o mesmo para o dreno aberto; A única diferença é que o transistor interno dentro do IC é um MOSFET.

Agora, você pode estar se perguntando por que precisamos de uma configuração de dreno aberto? Precisamos conectar um resistor pull-up de qualquer maneira.

Bem, a tensão de saída pode ser variada escolhendo diferentes valores de resistência na saída do coletor aberto, proporcionando mais flexibilidade para o carregamento. Podemos conectar a carga à saída que tem uma tensão operacional mais alta ou mais baixa.

Se tivéssemos um valor fixo de resistência à tração, não poderíamos controlar a tensão na saída.

Uma desvantagem dessa configuração é que ela consome muita corrente e pode não ser compatível com a bateria; ela precisa de uma corrente mais alta para sua operação correta.

Vamos dar um exemplo da porta “NAND” da lógica de drenagem aberta IC 7401 e ver como calcular o valor do resistor pull-up.

Precisamos conhecer os seguintes parâmetros:

VOL (MAX) qual é a tensão máxima de entrada no IC 7401 que pode garantir que a saída seja “LOW” (0,4V).

mimOL (MAX) qual é a corrente de entrada de baixo nível (16 mA).

Vcc é a tensão operacional que é de 5V.

Portanto, aqui podemos conectar um valor de resistência à tração em torno de 287 ohms.

Tem alguma pergunta? Por favor, use a caixa de comentários abaixo para expressar seus pensamentos, suas perguntas serão respondidas o mais breve possível



FONTE

Nota: Este foi traduzido do Inglês para português (auto)

Pode conter erros de tradução

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Veja na FONTE até ser revisado o post.

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