В зарубежных источниках их называют pull-up (стягивающий резистор) или pull-down (подтягивающий резистор) сопротивлениями.
Такое сопротивление как-бы «подтягивает» потенциал вывода до потенциала питания или корпуса. При этом, кроме функции фиксации потенциала, подтягивающий резистор дает возможность использовать вывод микросхемы по своему прямому назначению.
Следует выбирать подтягивающий резистор таким образом, чтобы протекающий через него ток был очень низкий. Такой ток принято нызывать слабым сигналом. И если вывод микроконтроллера будет «подтянут» с помощью сопротивления, а затем на него подать полезный (сильный) сигнал, то соотношение между мощностями будет велико, и слабый сигнал будет полностью не виден на фоне сильного. Т.е. на вывод микросборки через подтягивающий резистор поступают оба сигнала, но главную роль играет только сильный сигнал.
Таким простым способом решается задача защиты цифровой микросхем и микроконтроллеров от случайных срабатываний. Точнее можно сказать, что эти сопротивления чётко задают или определяют логический уровень на высокоомных входах цифровых микросхем.
Стягивающие и подтягивающие резисторы применяются в модулях Ардуино со входными контактами логических компонентов, которым важен только один факт: поступает ноль вольт (логический ноль) или не ноль (логическая единица). Подтягивающие резисторы здесь нужны, чтобы не оставить вход Arduino в «подвешенном» состоянии. Рассмотрим такую схему подключения подтягивающего резистора.
Нам надо, чтобы когда кнопка не нажата, вход платы фиксировал полное отсутствие напряжения. Но в данном примере выше вход находится в «никаком» состоянии. Он может срабатать и нет, случайным образом. Причина тому различные шумы, образующиеся вокруг провода и действуют как антенны и генерирующие небольшой потенциал из электромагнитных волн. Чтобы полностью гарантировать отсутствие напряжения при разомкнутой схеме, рядом с входом Arduino необходимо добавить стягивающий резистор, как на схеме ниже.
Теперь наведенный ток будет утекать через стягивающий компонент в землю. Для стягивания применяются радио элементы больших сопротивлений (10 кОм и выше). В моменты, когда схема замкнута, большое сопротивление не дает основной части тока попасть на землю: сигнал следует к входному контакту Ардуино. Если бы сопротивление было низким (единицы Ом), при замкнутой цепи случилось бы короткое замыкание.
Аналогичным образом, подтягивающий резистор удерживает сигнальный вход в состоянии логической единицы, пока внешняя цепь находится в разомкнутом состоянии:
Также применяются подтягивающие резисторы больших номиналов (10 кОм и выше), чтобы минимизировать потери энергии при замкнутойсхеме и исключить короткое замыкание при разомкнутой цепи.
Резисторы: последовательное и параллельное соединение, токоограничивающие и подтягивающие сопротивления
Резистор (сопротивление) — один из наиболее распространённых компонентов в электронике. Его назначение — простое: сопротивляться течению тока, преобразовывая его часть в тепло.
Основной характеристикой резистора является сопротивление. Единица измерения сопротивления — Ом (Ohm, Ω). Чем больше сопротивление, тем большая часть тока рассеивается в тепло. В схемах, питаемых небольшим напряжением (5 – 12 В), наиболее распространены резисторы номиналом от 100 Ом до 100 кОм.
Закон Ома
Закон Ома позволяет на заданном участке цепи определить одну из величин: силу тока I, напряжение U, сопротивление R, если известны две остальные:
Для обозначения напряжения наряду с символом U используется V.
Рассмотрим простую цепь
Расчитаем силу тока, проходящего через резистор R1 и, соответственно, затем через лампу L1. Для простоты будем предполагать, что сама лампа обладает нулевым собственным сопротивлением.
Аналогично, если бы у нас был источник питания на 5 В и лампа, которая по документации должна работать при токе 20 мА, нам нужно бы было выбрать резистор подходящего номинала.
В данном случае, разница в 10 Ом между идеальным номиналом и имеющимся не играет большого значения: можно смело брать стандартный номинал — 240 или 220 Ом.
Аналогично, мы могли бы расчитать требуемое напряжение, если бы оно было не известно, а на руках были значения сопротивления и желаемая сила тока.
Соединение резисторов
При последовательном соединении резисторов, их сопротивление суммируется:
При параллельном соединении, итоговое сопротивление расчитывается по формуле:
Если резистора всего два, то:
В частном случае двух одинаковых резисторов, итоговое сопротивление при параллельном соединении равно половине сопротивления каждого из них.
Таким образом можно получать новые номиналы из имеющихся в наличии.
Применеие на практике
Среди ролей, которые может выполнять резистор в схеме можно выделить следующие:
Токоограничивающий резистор
Пример, на котором рассматривался Закон Ома представляет собой также пример токоограничевающего резистора: у нас есть компонент, который расчитан на работу при определённом токе — резистор снижает силу тока до нужного уровня.
В случае с Ардуино следует ограничивать ток, поступающий с выходных контактов (output pins). Напряжение, в состоянии, когда контакт включен (high) составляет 5 В. Исходя из документации, ток не должен превышать 40 мА. Таким образом, чтобы безопасно увести ток с контакта в землю понадобится резистор номиналом R = U / I = 5 В / 0.04 А = 125 Ом или более.
Стягивающие и подтягивающие резисторы
Стягивающие (pull-down) и подтягивающие (pull-up) резисторы используются в схемах рядом со входными контактами логических компонентов, которым важен только факт: подаётся ноль вольт (логический ноль) или не ноль (логическая единица). Примером являются цифровые входы Ардуино. Резисторы нужны, чтобы не оставить вход в «подвешенном» состоянии. Возьмём такую схему
Мы хотим, чтобы когда кнопка не нажата (цепь разомкнута), вход фиксировал отсутствие напряжения. Но в данном случае вход находится в «никаком» состоянии. Он может срабатывать и не срабатывать хаотично, непредсказуемым образом. Причина тому — шумы, образующиеся вокруг: провода действуют как маленькие антенны и производят электричество из электромагнитных волн среды. Чтобы гарантировать отсутствие напряжения при разомкнутой цепи, рядом с входом ставится стягивающий резистор:
Теперь нежелательный ток будет уходить через резистор в землю. Для стягивания используются резисторы больших сопротивлений (10 кОм и более). В моменты, когда цепь замкнута, большое сопротивление резистора не даёт большей части тока идти в землю: сигнал пойдёт к входному контакту. Если бы сопротивление резистора было мало (единицы Ом), при замкнутой цепи произошло бы короткое замыкание.
Аналогично, подтягивающий резистор удерживает вход в состоянии логической единицы, пока внешняя цепь разомкнута:
То же самое: используются резисторы больших номиналов (10 кОм и более), чтобы минимизировать потери энергии при замкнутой цепи и предотвратить короткое замыкание при разомкнутой.
Делитель напряжения
Делитель напряжения (voltage divider) используется для того, чтобы получить из исходного напряжения лишь его часть. Например, из 9 В получить 5. Он подробно описан в отдельной статье.
Мощность резисторов
Резисторы помимо сопротивления обладают ещё характеристикой мощности. Она определяет нагрузку, которую способен выдержать резистор. Среди обычных керамических резисторов наиболее распространены показатели 0.25 Вт, 0.5 Вт и 1 Вт. Для расчёта нагрузки, действующей на резистор, используйте формулу:
При превышении допустимой нагрузки, резистор будет греться и его срок службы может сильно сократиться. При сильном превышении — резистор может начать плавиться и вызвать воспламенение. Будьте осторожны!
Подтягивающий резистор — резистор, включённый между проводником, по которому распространяется электрический сигнал, и питанием (pull-up resistor — подтягивающий вверх/подтягивающий к питанию резистор), либо между проводником и землёй (pull-down resistor — стягивающий резистор).
Подтягивающий резистор нужен, чтобы гарантировать на логическом входе, с которым соединён проводник, высокий (в первом случае) либо низкий (во втором случае) уровень в случаях:
Цепь с подтягивающим резистором можно сравнить с делителем напряжения из двух резисторов — большого подтягивающего и очень маленького на месте кнопки или открытого стока.
Любой логический вход имеет ёмкость относительно земли. Если сигнал формируется на открытом выводе ключевого элемента, то чем больше сопротивление подтягивающего резистора, тем больше время нарастания или спада сигнала при размыкании ключевого элемента. Если подтяжка к питанию, то надо учитывать время нарастания сигнала. Если подтяжка к земле, то — время спада сигнала. Время спада или нарастания — это время между размыканием ключа и достижением сигнала порогового напряжения.
Пороговое напряжение — это напряжение, при достижении которого логическим входом фиксируется изменение логического состояния.
Время спада или нарастания — это произведение сопротивления, ёмкости и коэффициента, который учитывает пороговое напряжение.
При проектировании логических схем приходится рассчитывать сопротивление подтягивающего резистора, при этом известны ёмкость входа и пороговое напряжение. Время спада или нарастания пропорционально сопротивлению подтягивающего резистора, то есть, например, при увеличении сопротивления вдвое время спада или нарастания увеличится вдвое.
Подтягивающий резистор — что это такое и зачем нужен
Для организации работы Ардуино, в частности для подачи управляющего напряжения на высокоимпедансный вход кнопкой требуется использования подтягивающего резистора. Без него невозможно организовать правильное функционирование контроллера.
Принцип работы подтягивающего резистора
Для подключения различных устройств к Ардуино используются резисторы. Резисторы бывают внутренние и внешние, постоянные и переменные (внутренние переменные могут быть цифровыми).
Устройство
Резистор – от английского глагола «resistance» (сопротивление). Пассивный элемент, который создает препятствие для движения электрического тока. Часть тока преобразуется из электрической энергии в тепло.
Переменный резистор имеет еще один контакт, который называется ползунок. Он передвигается по резистивному слою и изменяет сопротивление между ползунком и контактами резистора.
Ардуино переменный резистор это резистивная линейка с электронными переключателями на каждом шаге потенциометра. В один момент времени может быть закрытым только один переключатель. От этого зависит сопротивление, которое выдает потенциометр.
Для чего используется
Они имеют разные функции:
Работа токоограничивающего резистора заключается в ограничения тока.
Пример: в Ардуино требуется ограничить ток с выходных контактов. По документации он не должен превышать 40 мА. Напряжение питания 5В. По закону Ома определяется номинал резистора R= U/I = 5В/0,04А = 125 Ом (не меньше).
Стягивающий и подтягивающий резисторы используются в схемах рядом с входными контактами логических элементов. Стягивающие – когда нужен четкий логический ноль. Подтягивающий резистор arduino – когда нужна логическая единица.
Делитель напряжения используется для получения части напряжения от целого. Например: питание автомобильной бортовой сети 12,7В. Нужно зарядить аккумулятор для смартфона, который использует напряжение 5В. Делается делитель напряжения из двух резисторов сопротивление которых относится как 5 к 7. Еще одно сопротивление для ограничения тока.
Типы подтягивающих резисторов
Вход логических элементов обычно имеет, так называемое высокоимпедансное состояние – точка имеет высокое сопротивление и не подключена ни к питанию, ни к земле. Проводник подключенный к логическому входу будет выполнять роль антенны и срабатывать от паразитных наводок. На выходе Ардуино будет выдаваться совсем не то, что требуется. Чтобы вход не оставался в подвешенном состоянии его, через пассивный резистор, подключают (подтягивают) к линии питания. Соответственно на логическом входе гарантированно будет логическая единица. Такой резистор называется подтягивающим.
Подтягивающие резисторы могут быть:
Другой характеристикой является:
Сильный
Если резистор имеет небольшое сопротивление, то через него идет больший ток и разность потенциалов между линией питания и логическим входом будет небольшая. Он будет сильнее притягивать логическую единицу к входу Ардуино.
Но с другой стороны слишком большой ток постоянно идущий через вход устройство – это больший нагрев и бесполезные потери энергии.
Слабый
Если сопротивление резистора большое, то ток, идущий через резистор, будет небольшим. Соответственно разность потенциалов между входом и линией питания будет достаточно большой (подбирается так, чтобы напряжение между землей и входом не слишком отличалась от 3,3В).
Основные характеристики подтягивающих резисторов Arduino
Основные характеристики резисторов это:
Сопротивление — это величина сопротивления проводника, к которому проложено напряжение в 1 Вольт и течет ток в 1 Ампер.
Допуск – отклонение сопротивления от номинала в результате технологической погрешности при изготовлении.
Мощность способность преобразовать в тепловую определенное количество электрической энергии при прохождении тока через резистор. Формула имеет вид: P= I 2 x R.
Расчет подтягивающего резистора
Расчет минимального сопротивления резистора достаточно прост и определяется из формулы:
Rp = (Vcc – 0,4)/3mA где:
Соответственно Rp = (5V- 0,4V)/3mA= 1,5 кОм – Это минимальное сопротивление.
Максимальное сопротивление определяется по емкости шины конкретного устройства по формуле:
1µs – время нарастания сигнала для стандартного сигнала;
Cb – емкость шины – 20 пФ.
Расчет показывает, что сопротивление будет равно 50 кОм.
Как правильно выбрать номинал
Номинал резистора лежит в пределах от 1,5 кОм до 50 кОм. Подбирается обычно подбором. Подается соответствующий сигнал с рабочей частотой. Просматриваются осциллограммы и меняя сопротивления выбирается наиболее подходящее.
Схема подключения переменных резисторов к Ардуино
Для Подключения управляющих элементов на вход Ардуино разработаны стандартные схемы.
Подключение кнопок
Подключение кнопок хорошо представлена в схемах на рисунках.
Подключение кнопки с помощью стягивающего резистора.
Стягивающий резистор подключен между землей и логическим входом устройства.
Подключение кнопки с помощью подтягивающего резистора.
Подтягивающий резистор включен между линией питания и входом устройства.
Подключение микроконтроллера
Ардуино – это популярный микроконтроллер, в который уже загружен набор базовых АТ команд (как BIOS в компьютере). Этот набор называется прошивкой. Пользователь может самостоятельно перепрошить микроконтроллер под свои задачи. Для выполнения конкретных задач пользователь может сам написать программу на специальном языке программирования, а может использовать уже написанные другими программы. Эти программы называются библиотеки и загружаются через стандартный порт в память микроконтроллера.
Как сделать осциллограф на Ардуино для компьютера, читайте здесь.
Другие
Имея Ардуино с загруженной библиотекой Вы получаете инструмент управляющей нужной системой. Достаточно подключить нужные датчики. Датчики можно подключать цифровые и аналоговые. Цифровые уже ориентированы на работу с Ардуино. Аналоговые подключаются через аналогово-цифровые преобразователи, встроенные в микроконтроллер. Если их не хватает – приходится использовать мультиплексоры.
Спектр датчиков широк и постоянно пополняется новыми. Уже сейчас широко используются в качестве датчиков различные терморезисторы, объемные датчики, фотодатчики, резистивные датчики положения.
Наличие огромного количество уже готовых библиотек также облегчает жизнь изобретателей и просто «рукастых» людей. Возможности Ардуино ограничиваются только их фантазией.
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.
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:
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.
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:
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.
Узнал про подтягивающие из курса универа в PIC16, использовать в ардуино начну сегодня 😀
Надеюсь, в том смысле, что хорошая?
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?
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).
Великая статья. А главное понятно мне начинающему.
Добрый день. С удовольствием читаю ваши статьи. Вопрос. Как влияют на энергопотребление подключение кнопки через стягивающий и подтягивающий резисторы?
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.
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.
Что касается flprog, то, мне кажется, для серьезных проектов он не очень. Лучше использовать нормальную IDE, в которой сам всё контролируешь.
