Для чего нужны подтягивающие резисторы
Перейти к содержимому

Для чего нужны подтягивающие резисторы

  • автор:

Применение подтягивающих резисторов

Резисторы являются наиболее часто используемыми устройствами при проектировании аппаратуры, но помимо разделения напряжения и ограничения тока существует множество способов их использования! Такие как: стабилизация сигналов, предотвращение плавания и повышение надежности. Подтягивающие резисторы являются распространенным компонентом схемы. Он играет важную роль в цифровых и аналоговых схемах. В этой статье мы подробно представим роль и принцип действия подтягивающих резисторов, а также рассмотрим, почему подтягивающие резисторы используются в конструкции аппаратного обеспечения.

1. Что такое подтягивающий резистор?
Подтягивающий резистор — это резистор, подключенный к сигнальной линии, цель которого — подтянуть сигнальную линию до определенного уровня. Обычно он используется вместе с переключателями, кнопками, датчиками и другими компонентами для обеспечения стабильности и надежности сигнала.

2. Стабильный сигнал
В цифровых схемах подтягивающие резисторы используются для стабилизации входных сигналов. При отсутствии внешнего входа сигнальная линия находится в плавающем состоянии и легко подвергается воздействию электромагнитных помех, что приводит к неопределенности сигнала. При подключении подтягивающего резистора сигнальная линия подтягивается до определенного уровня (обычно высокого уровня), тем самым предотвращая плавание и нестабильность сигнала.

3. Предотвращение плавания
Когда сигнальная линия не подключена к источнику питания или земле, она находится в плавающем состоянии (высокий или низкий уровень). Это плавающее состояние может вызвать непредсказуемое поведение схемы, например, ложное срабатывание, помехи другим сигнальным линиям и т. д. При использовании подтягивающего резистора сигнальная линия будет подтянута до определенного уровня, когда она не подключена к другим источникам сигнала, тем самым предотвращая плавающее напряжение сигнала. Для обеспечения нормальной работы (или запуска) устройства!

4. Повышение надежности
Подтягивающие резисторы также могут повысить надежность схемы. В некоторых случаях сигнальная линия может отсоединиться или иметь плохой контакт. Без подтягивающих резисторов сигнальные линии могут дрейфовать до неопределенных уровней, вызывая ошибки схемы или непредсказуемое поведение. При использовании подтягивающего резистора, даже если сигнальная линия отключена или плохо подключена, сигнальная линия будет подтянута до определенного уровня, сохраняя стабильность схемы.

5. Значение подтягивающего резистора
Выбор подходящего номинала подтягивающего резистора очень важен для обеспечения правильной работы схемы. Если номинал подтягивающего резистора слишком велик, время нарастания сигнала может замедлиться, что повлияет на скорость передачи сигнала. Если значение слишком мало, это может привести к увеличению энергопотребления и выделению ненужного тепла. В соответствии с конкретными требованиями применения и характеристиками сигнальной линии необходимо сделать разумный выбор значения.

в заключение:
При разработке аппаратного обеспечения подтягивающие резисторы являются важными компонентами, обеспечивающими стабильность сигнала, предотвращение плавающего напряжения и повышение надежности. Он стабилизирует сигналы, предотвращает плавание сигнальных линий и поддерживает стабильность схемы, когда сигнальные линии отсоединены или плохо подключены. Разумный выбор номинала подтягивающего резистора имеет решающее значение для нормальной работы схемы. За счет правильного применения подтягивающих резисторов можно повысить производительность и надежность аппаратной конструкции.

Какова роль подтягивающего резистора?

Так называемый подтягивающий резистор предназначен для подключения порта GPIO микроконтроллера к источнику питания через резистор. В начальном случае вывод GPIO имеет определенный высокий уровень для предотвращения неисправности без подтягивающего резистора.

Подайте GPIO сигнал определенного уровня. Порт GPIO микроконтроллера может быть неопределенным сигналом в исходном состоянии, что приводит к неправильной работе. Чтобы преодолеть эту ситуацию, добавление подтягивающего резистора зажимает порт высоко, чтобы избежать ложного срабатывания.

Улучшение возможностей привода порта. Для некоторых цепей с выходом с открытым стоком и открытым коллектором порт может выводить только сигналы, но без нагрузки, например, выход OC оптопары и выход OC компаратора. Добавьте подтягивающий резистор на выходе, чтобы увеличить его привод. способность. Выход компаратора показан ниже.

Сначала объясните подтягивающий резистор: роль подтягивающего резистора заключается в том, чтобы зажимать неопределенный сигнал через резистор на высоком уровне, а резистор действует как ограничитель тока.

Как подтянуть резистор

Нет четкой формулы расчета и технических требований к подтягивающему резистору. Как правило, он выбирается в соответствии с типичным значением и эмпирическим значением. При проектировании схемы обычно выбирайте 4.7k-10k в качестве подтягивающего резистора, и понижающий резистор также является диапазоном.

Про Ардуино и не только

Мы бы хотели отслеживать нажатие кнопки для выполнения каких-то действий. Для этого мы подключили линию +5В через резистор и кнопку к цифровому выводу Ардуино, полагая, что при нажатии на кнопку ток потечет через нее и Ардуино считает на цифровом входе 2 сигнал высокого уровня. Соответственно, при размыкании контакта мы рассчитываем получить на входе сигнал низкого уровня. Так ли это? Проверим.
Подключим кнопку по приведенной схеме и загрузим в Ардуино следующий скетч. Результат его работы посмотрим в мониторе порта.

void setup() < Serial.begin(9600); pinMode(2, INPUT); > void loop() < Serial.println(digitalRead(2)); delay(1000); >

При нажатии на кнопку Ардуино, действительно, зафиксирует на входе сигнал высокого уровня, при этом в монитор порта будет выводиться значение «1». Но при отпускании кнопки в мониторе порта будут выводиться как «0», так и «1». Я даже больше скажу: можно исключить из схемы кнопку (все равно она разомкнута), у нас останется только провод, подключенный к порту 2 Ардуино, результат опроса порта будет таким же непредсказуемым. Особенно это хорошо заметно с длинным куском провода. Почему так происходит? Дело в том, что вход Ардуино не подключен ни к линии питания, ни к земле — он находится «ни в каком» состоянии. Такое состояние называется высокоимпедансным или Z-состоянием. Провод в данном случае выполняет роль антенны, на которую оказывают воздействие окружающие ее электромагнитные поля. В результате Ардуино непредсказуемо фиксирует то высокий, то низкий уровень сигнала на данном входе.

Чтобы логический вход не оставался в подвешенном состоянии при разомкнутом контакте кнопки и гарантировать на нем сигнал низкого уровня, его через резистор соединяют с землей. Такой резистор называют подтягивающим: он обеспечивает подтяжку сигнала к земле (как в данном случае) или же к питанию, если устанавливается между логическим входом устройства и линией питания. Соответственно при подтяжке к питанию на логическом входе будет гарантирован высокий уровень сигнала.

Иногда подтягивающим называют резистор, который подтягивает именно к питанию, также используют англоязычный термин pull-up (pull-up резистор). А для обозначения резистора, подтягивающего к земле, можно использовать термин стягивающий или pull-down резистор. Ниже приведены схемы подключения кнопки к логическому входу (не обязательно Ардуино) с использованием подтягивающего и стягивающего резисторов.

Попробуйте подключить кнопку к Ардуино используя одну из приведенных схем. В этот раз в мониторе порта не будет никаких неожиданных значений.

Как вы понимаете, подтягивающие резисторы весьма востребованы в электронике. Они нужны не только для подключения кнопок, но также при подключении выводов устройств с Z-состоянием или открытым коллектором. Поэтому многие контроллеры имеют встроенные подтягивающие резисторы, в том числе и Ардуино (а точнее используемые в них микроконтроллеры). Чтобы подтянуть порт Ардуино к питанию необходимо функцией pinMode установить для данного порта режим INPUT_PULLUP. Давайте немного изменим схему и скетч из начала этой статьи. Из схемы уберем резистор и установим кнопку между вторым портом и землей:

А в скетче изменим режим работы порта на INPUT_PULLUP, чтобы задействовать внутренний подтягивающий резистор:

void setup() < Serial.begin(9600); pinMode(2, INPUT_PULLUP); > void loop() < Serial.println(digitalRead(2)); delay(1000); >

Загрузите этот код в Ардуино и убедитесь, что схема работает как нам нужно без дополнительных (внешних) резисторов. В тот момент когда кнопка разомкнута порт Ардуино не остается подвешенным в воздухе: он подтянут к питанию внутренним резистором. Поэтому на нем гарантирован сигнал высокого уровня. А при нажатии кнопки будет считываться сигнал низкого уровня.

Не забывайте о встроенных подтягивающих резисторах Ардуино. Я довольно часто замечаю, что люди, пишущие статьи про Ардуино, не знают об их наличии и вешают для тех же кнопок внешние подтягивающие резисторы.

Что такое сильный (strong pull-up) и слабый (weak pull-up) подтягивающий резистор? Чем ниже сопротивление подтягивающего резистора, тем больший ток протекает через него и тем сильнее он подтягивает сигнал к питанию (или земле, если речь о pull-down резисторе). Отсюда и название сильный подтягивающий резистор. Соответственно, чем выше сопротивление, тем слабже резистор подтягивает сигнал, поэтому его называют слабым.

Как выбрать номинал для подтягивающего резистора? Общая рекомендация — это, как правило, 10кОм. Где-то от 5кОм и ниже считается сильной подтяжкой, 20..100кОм — слабая. Подтягивающие резисторы Ардуино имеют номинал 20..50кОм (конкретное значение подбирается и устанавливается на заводе изготовителе), т.е. являются слабыми. Поэтому в документации к различным устройствам можно увидеть рекомендации использовать более сильные подтягивающие резисторы. Особенно это актуально для устройств, работающих в неблагоприятных условиях или при значительной длине проводников, когда увеличивается вероятность возникновения электромагнитных помех.

Есть ли в Ардуино подтяжка к земле (внутренние pull-down резисторы)? — Нет. В Ардуино доступны только к подтягивающие к питанию резисторы. Поэтому если вам нужно подтянуть вывод к земле, то используйте для этого внешний резистор.

На этом всё. А дочитавшим до конца в качестве бонуса функциональная схема порта ввода/вывода микроконтроллера ATmega328P, используемого в Arduino UNO. На схеме показан подтягивающий резистор и условия для его включения:

  • бит PUD (PULLUP DISABLE) регистра MCUCR должен быть сброшен;
  • регистр DDxn (Data Direction) должен быть установлен в 0, т.е. порт сконфигурирован на ввод;
  • регистр PORTxn должен быть установлен в 1.

Схема порта ввода-вывода Ардуино. Подтягивающий резистор

Возможно, Вам будет интересно:

28 комментариев:

Друг ты опять спас меня, только из твоей статьи понял что если PULLUPом включаем подтягивающий резистор надо кидать контакт датчиков на землю. Весь русскоязычный интернет ато перешерстил. Спасибо. Ответить Удалить

Узнал про подтягивающие из курса универа в PIC16, использовать в ардуино начну сегодня 😀 Удалить

Православная статья. Ответить Удалить

Надеюсь, в том смысле, что хорошая? Удалить

Рад помочь Удалить

Получил Raspberry Pi и пользуюсь готовыми решениями с интернета, но ненмогу понять принципов работы, что очень напрягает (скорее раздражает). Ваш пост очень помог, хотя все ещё никакне могу понять две вещи:
1. Разве резистор на 10к Ом не должен снижать напряжение до нулевых значений, что при подводе к вводу должен преобразовываться в 0?
2. Почему при нажатии кнопки сигнал не разделяется и не поступает одновременно и на заземление и на ввод?
Ответить Удалить

А почему резистор должен снижать напряжение?
Посмотрите на приведенную выше схему включения подтягивающего резистора. Когда кнопка разомкнута ток течет от VCC через резистор к микроконтроллеру — цифровой вход подтянут к питанию, на нем сигнал высокого уровня.
Сопротивление порта микроконтроллера (в режиме INPUT) очень велико и при нажатии на кнопку ток пойдет по цепи с меньшим сопротивлением — через кнопку. Через цифровой вход ток уже не потечет, на нем будет сигнал низкого уровня. Удалить

Спасибо за ответ, наконец то все понял. Странно что все это хорошо знал когда был школьником, а сейчас ума не приложу как все это работает. Хорошо что вы продолжаете поддерживать пост и читателей (особенно таких как я). Ответить Удалить

Великая статья. А главное понятно мне начинающему. Ответить Удалить
Привет Владимир !
Очень хорошая статья , спасибо . Ответить Удалить

Добрый день.
С удовольствием читаю ваши статьи.
Вопрос. Как влияют на энергопотребление подключение кнопки через стягивающий и подтягивающий резисторы? Ответить Удалить

Добрый день!
Вообще увеличивают, ведь через них протекает ток. Тем больший, чем меньше сопротивление резистора. Но по этому поводу не стоит заморачиваться, если вы работаете с Ардуино: на ее фоне подтяжка не влияет на потребление. А вот когда вы пересядете с Ардуино на отдельные микроконтроллеры и начнете считать микроамперы, вот тогда можно обратить на этот вопрос внимание.

Nick Gammon на странице http://www.gammon.com.au/power привел результаты своих измерений тока, потребляемого ATmega328P в режиме SLEEP_MODE_PWR_DOWN (BOD и ADC отключены) для различных состояний выводов:

Все пины в режиме OUTPUT, LOW: 0.35 мкА.
Все пины в режиме OUTPUT, HIGH: 1.86 мкА.
Все пины в режиме INPUT, LOW (внутренние подтягивающие резисторы не задействованы): 0.35 мкА.
Все пины в режиме INPUT, HIGH (задействованы внутренние подтягивающие резисторы): 1.25 мкА.

Разница в последних двух результатах — это и есть потери на подтяжку всех выводов. Удалить

Добрый день, Владимир большое спасибо за обзоры и пояснения, уже несколько дней усиленно штудирую интернет, из всего, что довелось перечитать и пересмотреть — Ваши материал пожалуй самое внятное.

Я сейчас в одном большом ступоре, если не сложно помогите, пожалуйста, определиться, какой контроллер (или систему) лучше взять за основу. Я биолог, но так получилось, что уже давно помимо прочего, отвечаю за сбор, хранение и обработку данных. Признаюсь сразу — программирование как таковое вызывает паралич мозга, но есть такое слово НАДО, поэтому уже 14 и 2 года соответственно у меня успешно работают две базы собранные на VB в Exel, из записей встроенного ридера, уроков «Планеты EXEL» и всякого разного не всегда цензурного….

В общем, сперва почитал восторги на счет Ардуино, посмотрел FLProg (с души вроде не воротит, как XOD ID), в процессе Arduino IDE мелькает — тоже вроде бы явного отторжения не вызывает. Не нравиться два момента — цена кусается, и кушать все таки любит она, а с моим зрение боюсь даже светодиод отпаять будет проблематично. Второй взгляд был на STM32L0 — тут вроде бы и энергопотребление вкусное и часы реального времени тебе встроенные и. зашел еще на один ресурс БЛИН, уши в трубочку свернулись. и мозги-то народу ардуиной зс$р@ны и все эти ваши таблЭтки и примочки хуже чем инвалиды на всю жизнь бейсиком искалеченные и ниже -10 уже не работает и вообще… ИДИТЕ ВЫ. Не мешайте народу НОРМАЛЬНЫЕ языки программирования изучать, ПУСТЬ УЧАТ, а не это ваше всякое-разное!

В общем аппаратная часть STM32 если честно нравиться, но как ее программировать и с какого боку прошивать, пока даже образно, если честно плохо понимаю, в то время как по Ардуино и в скетчах уже покопался и библиотеки посмотрел, логического шока вроде нет (пока). Вот и думаю имеет смысл углубляться в Ардуино среду или все же на какие-то другие контроллеры посмотреть? Например MSP430 еще рассматривал, но это я так понимаю еще одна среда и уже другая, значит и скетчи для датчиков не факт, что будут и библиотеки тоже, то есть все руками через регистры, что это такое я вроде бы (хотя не факт), а вот как руками делать пока увы не представляю.

Сама задача из-за чего весь сыр-бор выглядит так, есть необходимость сделать простую, но гибкую метеосистему. Гибкую в том плане, что вот надо сейчас сделать регистратор температуры и влажности воздуха, что бы просыпался, допустим каждые 10 минут, снимал данные, писал на SD и засыпал, но при этом с автономным сроком работы хотя бы полгода и МАЛЕНЬКИЙ (грибники тырят блин) и все это в количестве штук 5-10 за не сильно астрономическую сумму (к слову посмотрел цены очень хороших датчиков SHT35 и приятно офигел, с модулями не сравнить). А завтра надо тоже самое, но плюс замер света и каждый час продувание камеры вентилятором (для учета транспирации), то есть уже не такое автономное (пара недель), не такое маленькое (может с батарейкой солнечной или даже с выводом данных по wi-fi/sim/радиоканалу), но что бы не с нуля и в той же системе?

Про энергосбережение читал кстати очень внимательно, про прерывания тоже. Главная головная боль на данный момент, ОЧЕНЬ много информации о том, что из глубокого сна хорошо выходить по внешнему прерыванию, например с часов реального времени (выбрал DS3231), нашел даже связку блоков сон/пробуждение для FLProg, библиотеки вроде бы тоже есть. НО. нигде не найду, хоть сколько ни будь, внятного объяснения куда в этом случае прописывать или ставить в визуальную среду этот самый внутренний будильник часов реального времени, как программировать его, способна ли сама программа после пробуждения его перепрограммировать на новое время и как запрограммировать ногу SQW на модуле, что бы она выдавала этот самый вожделенный сигнал на пробуждение платы.

Буду очень признателен, если хотя бы по общему направлению сориентируете — куда смотреть и что искать.
Ответить Удалить

Добрый день!
С STM я не работал, поэтому сравнить с AVR не могу. Может оно было бы и лучше. Но Ардуино однозначно популярнее, для нее куча библиотек, примеров — на ней будет проще сделать. И если использовать не саму Ардуину, а отдельно микроконтроллер, то потребление будет реально низким. Проработать автономно год, периодически просыпаясь для опроса датчиков — запросто.

Что касается flprog, то, мне кажется, для серьезных проектов он не очень. Лучше использовать нормальную IDE, в которой сам всё контролируешь.

Так что мне видится следующее решение: AVR (ATmega328P) + DS3231 + датчики + на что писать показания (flash). Часы программируются на генерацию сигнала с нужным интервалом (10 минут), они будут выдавать его на SQW. Микроконтроллер при включении переводим в режим PowerDown, разрешив пробуждение по внешнему прерыванию — от DS3231. Проснувшись, запитываем датчики и память, читаем показания, пишем их в память, отключаем всех и снова спать до следующего сигнала будильника.

Цена ATmega328P на Али меньше 100р. Потребление, как уже сказал, низкое: спать — хоть несколько лет; с учетом просыпаний — нужно иметь представление об общем потреблении системы, но батареи 1Ач на год-то должно хватить. Температурный диапазон -40..105C. Вполне нормальный МК для данной задачи. Удалить

На ютубе есть несколько понятных видео по запросу «Метеостанция на Ардуино», можете сначала на ардуино повторить, понять логику работы, потом перекатываться на другие аппаратные платформы. Удалить

Подтягивающий ( стягивающий) резистор — что это, и зачем он нужен

Для понимания сути раскрываемой темы проведем небольшой эксперимент — соберем небольшую схему с кнопкой и напишем скетч, который в Serial будет выдавать значение состояния кнопки:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
int buttonPin = 8; void setup () < pinMode (buttonPin, INPUT ); Serial.begin(9600); // Настраиваем Serial для вывода информации >void loop () < Serial.println( digitalRead (buttonPin)); // Выводим состояние кнопки delay (1000); // Ждем одну секунду >

Запустив скетч и не нажимая кнопку, убеждаемся в том, что состояние пина 8 меняется даже от обычного прикосновения к проводу — совершенно непредсказуемым образом.

Стабильность появляется только при нажатии кнопки.

Так происходит потому, что когда кнопка находится в отжатом состоянии, схема приобретает вид:

Получается, что 8 пин находится в неопределенном « подвешенном» состоянии и при считывании его значения нельзя определенно сказать, в каком он состоянии — HIGH или LOW . Такое состояние ещё называется высокоомным состоянием или состоянием Z. А провод, соединяющий пин платы с кнопкой, выполняет роль антенны для различных электромагнитных наводок. Именно эти наводки и заставляют контакт вести себя непредсказуемым образом. Для того чтобы устранить эту ситуацию, необходимо сделать так, чтобы в любом состоянии кнопки на 8 пине было однозначное значение. Для этого скорректируем схему следующим образом — подключим пин 8 к земле через резистор номиналом 10 КОм:

Теперь, когда кнопка отжата, можно со 100%-уверенностью говорить о том, что состояние на пине 8 — LOW , так как он подключен к земле. Но если нажать на кнопку, то ток пойдет по пути наименьшего сопротивления и значение на пине 8 станет HIGH . Вот этот добавленный в схему резистор и называется стягивающим, потому что в неопределенном состоянии « стягивает» потенциал к земле, делая его определенным — LOW .

Номинал резистора рассчитывается исходя из максимально протекающего тока. Максимальный ток, который способен выдать цифровой пин Arduino — 40 мА ( 0,04 А). При напряжении 5В, по закону Ома, находим сопротивление участка цепи:

Таким образом минимально допустимый для использования номинал резистора — 125 Ом.

В то же время, чтобы стягивающий/подтягивающий резистор, не оказывал влияния на остальные участки цепи при замыкании ( эффект делителя напряжения), рекомендуется выбирать намного больший номинал 1-10 кОм.

Если поменять местами резистор и кнопку получится схема с подтягивающим резистором.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *