مقاومت پول آپ و پول دان چیست؟ بررسی مقاومت پولاپ

سلام. آموزش مقاومت پول آپ و پول دان چیست؟ بررسی کامل پول آپ (مقاومت بالا کش) و پول دان (مقاومت پایین کش) را آماده کردیم.

مقاومت چیست؟

مقاومت ها وسیله محدود کننده جریان هستند که به فراوانی‌  در مدار های الکترونیکی و محصولات مورد استفاده قرار می گیرند. این یک جزء غیر فعال است که هنگامی که جریان از آن عبور می کند، مقاومت را فراهم می کند. انواع مختلفی از مقاومت ها وجود دارد. واحد اندازه گیری مقاومت “اهم” است که نماد آن Ω است.

مقاومت پول آپ = Pull Up = بالا کش

مقاومت پول دان = Pull Down = پایین کش

مقاومت Pull-up و Pull-Down چیست و چرا به آنها نیاز داریم؟

اگر مدار دیجیتالی را در نظر بگیریم ، پین ها همیشه 0 یا 1 هستند. در بعضی موارد ، باید حالت را از 0 به 1 یا از 1 به 0  تغییر دهیم. در هر دو حالت ، یا باید پین دیجیتال را 0 نگه داریم و سپس حالت را به 1 تغییر دهیم یا باید آن را  0 نگه داریم و سپس به 1 تغییر دهید. در هر دو مورد ، ما باید پین دیجیتالی را “ high”   و یا “low”   درست کنیم اما نمی توان آن را شناور کرد.

بنابراین ، در هر حالت ، هر مرحله همانطور ک در زیر نشان داده شده است تغییر میکند.

حال اگر مقدار High و Low را با مقدار ولتاژ واقعی جایگزین کنیم ، آنگاه سطح منطق High ، HIGH خواهد بود (بگذارید 5V بگوییم) و Low زمین یا 0v خواهد بود. از مقاومت Pull-up برای ایجاد حالت پیش فرض پین دیجیتال به عنوان High یا در سطح منطق استفاده می شود(در تصویر فوق 5V است) و یک مقاومت Pull-Down دقیقا برعکس عمل می کند ، این حالت پیش فرض دیجیتال را ایجاد می کند. پین به عنوان Low (0v)

اما چرا به جای آن مقاومت ، لازم داریم که بتوانیم پین های منطق دیجیتال را مستقیماً به ولتاژ سطح منطقی یا با زمین مانند تصویر زیر وصل کنیم؟

خوب ، ما نتوانستیم این کار را انجام دهیم. از آنجا که مدار دیجیتال در جریان کم کار می کند ، اتصال پین های منطق به طور مستقیم به ولتاژ منبع تغذیه یا زمین انتخاب مناسبی نیست. با اتصال مستقیم سرانجام جریان مشابه درست مانند اتصال کوتاه افزایش می یابد و می تواند به مدار منطق حساس آسیب برساند ، که این کار توصیه نمی شود.

برای کنترل جریان فعلی ، ما به مقاومت های pull-down و pull-up نیاز داریم. یک مقاومت اجازه می دهد جریان کنترل شده از منبع تغذیه ولتاژ به پین های ورودی دیجیتال جاری شود. جایی که مقاومت های پول دان می توانند به طور مؤثر عبور جریان را از پین های دیجیتال به زمین کنترل کنند. در عین حال، هر دو مقاومت ِ پول آپ و پول دان، حالت دیجیتال را low یا high نگه می دارند.

مقاومت های پول آپ و پول دان کجا مورد استفاده قرار می گیرند؟

با مراجعه به تصویر میکروکنترلر فوق، جایی که پین های منطق دیجیتالی با ground و vcc کوتاه می شوند، ما می توانیم اتصال را با استفاده از مقاومت های pull up/down تغییر می دهیم.

فرض کنید، ما به حالت منطقی پیش فرض نیاز داریم و می خواهیم حالت را با برخی تعامل یا لوازم جانبی خارجی تغییر دهیم، از مقاومت های pull up/down استفاده می کنیم.

مقاومت Pull up پول آپ

اگر ما به عنوان پیش فرض، حالت high  را نیاز داشته باشیم و بخواهیم حالت را با برخی تعامل های خارجی به low  تغییر دهیم. ما می توانیم از مقاومت pull-up استفاده کنیم مانند تصویر زیر :

پین ورودی منطق دیجیتال P0.5 را می توان از منطق 1 یا High گرفته تا منطق 0 یا Low با استفاده از کلید SW1 تغییر داد. مقاومت R1 به عنوان مقاومت pull-up عمل می کند. این از طریق منبع تغذیه 5 ولت با ولتاژ منطق متصل می شود. بنابراین ، هنگامی که سوئیچ فشرده نشده است ، پین ورودی منطق همیشه ولتاژ پیش فرض 5 ولت دارد یا پین همیشه High است تا اینکه سوئیچ را فشار دهید و پین را به زمین متصل کنید تا منطق آن Low باشد.

با این حال ، همانطور که بیان کردیم ، پین را نمی توان مستقیماً به زمین یا Vcc وصل کرد ، زیرا در نهایت باعث می شود مدار به دلیل شرایط اتصال کوتاه آسیب ببیند ، اما در این حالت ، مجدداً با استفاده از سوئیچ بسته به زمین متصل میشود . اما ، با دقت نگاه کنید ، واقعاً وصل نمی شود. زیرا طبق قانون اهم ، به دلیل مقاومت در برابر فشار ، مقدار کمی از جریان از منبع به مقاومت و سوییچ جریان می یابد و سپس به زمین می رسد.

اگر ما از این مقاومت درگیر استفاده نکنیم ، هنگام فشار دادن سوئیچ ، خروجی به طور مستقیم به زمین متصل میشود ، از طرف دیگر ، هنگامی که سوئیچ باز می شود ، پین سطح منطق شناور می شود و می تواند منجر به نتیجه ی نامطلوبی شود.

مقاومت Pull Down پول دان

همین مورد مشابه نیز در مقاومت پول دان نیز صدق می‌کند.  اتصال زیر را در نظر بگیرید، جایی که مقاومت Pull Down با اتصال نشان داده شده است.

در تصویر بالا ، دقیقاً اتفاقی برعکس رخ می دهد.  مقاومت  pull down R1  به زمین یا 0V متصل می شود.  بنابراین پین منطق دیجیتال P0.3 را به صورت پیش فرض 0 قرار می دهیم تا سوئیچ فشرده شود و پین سطح منطق بیشتر شود.  در چنین شرایطی ، مقدار کمی جریان از منبع 5 ولت با استفاده از سوئیچ بسته و مقاومت پول دان به زمین جریان می یابد ، از این رو از کم شدن پین سطح منطق با منبع 5V جلوگیری می کند.

بنابراین ، برای مدارهای سطح منطق مختلف، می توانیم از مقاومتهای Pull-up و Pull-down استفاده کنیم.  این در سخت افزارهای مختلف  تعبیه شده رایج است ، یک سیستم پروتکل سیم ، اتصالات جانبی در میکروچیپ ، Raspberry pi، Arduino و بخش های مختلف تعبیه شده و همچنین برای ورودی های CMOS و TTL متداول است.

محاسبه مقدار واقعی مقاومت Pull-up و Pull-down

اکنون، از آنجایی میدانیم چگونه از مقامت pull-up و pull-down استفاده کنیم، سوال این است که مقادیر واقعی آن ها چه خواهد بود؟ هر چند که در بسیاری از مدارهای سطح منطق دیجیتال، میتوانیم مقاومت های pull-up و pull-down را در محدوده ی 2k تا 4.7k ببینیم. اما مقدار واقعی چه خواهد بود؟

برای فهم این موضوع، ما باید بدانیم ولتاژ منطق چیست؟ چه مقدار ولتاژ به عنوان Logic low (منطق کم) و چه مقدار به عنوان Logic High (منطق بالا) اشاره شده است؟

برای سطوح منطق مختلف، میکروکنترلرهای مختلف، از یک محدوده ی متنفاوت برای منطق کم و منطق بالا استفاده می کنند.

اگر ما ورودی سطح منطق ترانزیستور-ترانزیستور (TTL) را در نظر بگیریم، نمودار زیر حداقل ولتاژ منطق برای تعیین منطق بالا و حداکثر ولتاژ منطق برای تشخیص منطق به عنوان 0 یا پایین را نشان خواهد داد.

همانطور که می توانیم بینیم، آن برای منطق TTL ، حداکثر ولتاژ برای منطق 0 ، 0.8 ولت است. بنابراین اگر ما کمتر از 0.8 ولت را فراهم کنیم، سطح منطق به عنوان 0 پذیرفته خواهد شد. از طرف دیگر ، اگر ما بیشتر از 2ولت تا حداکثر 5.25ولت را فراهم کنیم، منطق به عنوان High پذیرفته خواهد شد. اما در 0.8 ولت تا 2 ولت یک منطقه ی خالی است، در آن ولتاژ، نمی تواند تضمین شود که منطق به عنوان High یا Low پذیرفته خواهد شد. بنابراین برای طرف امن، در ساختمان TTL ما 0 ولت تا 0.8 ولت را به عنوان پایین و 2 وات تا 5 ولت را به عنوان بالا می پذیریم، که آن تضمین شده است که پایین و بالا به وسیله ی تراشه های منطق در آن ولتاژ حاشیه ای شناخته خواهد شد.

برای تعیین مقدار، فرمول قانون ساده ی اهم (0hms) است :

V = I x R
R = V/I

در نمونه ی مقاومت pull-up ، ولتاژ منبع – حداقل ولتاژ پذیرفته شده به عنوان بالا – V خواهد بود.

و جریان حداکثر جریان فرورفته توسط پین های منطق خواهد بود.

بنابراین ،

Rpull-up = (Vsupply – VH(min)) / Isink

ولتاژ اعمالی Vsupply ، حداقل ولتاژ پذیرفته شده به عنوان (high) بالا Vh(min)  و حداکثر جریان فرورفته توسط پین دیجیتال Isink می باشد.

همین مورد قابل اجرا برای مقاومت pull-down هم هست. اما فرمول یک تغییر جزئی دارد .

Rpull-up = (VL(max) – 0) / Isource

حداکثر ولتاژ پذیرفته شده به عنوان منطق Low (کم) VL(max) و Isource حداکثر جریان نشات گرفته به وسیله ی پین دیجیتال است.

مثال کاربردی برای مقاومت های بالا کش و پایین کش

فرض کنید ما یک مدار منطق داریم جایی که منبع تغذیه 3.3 ولت است و ولتاژ بالا منطقِ قابل قبول 3 ولت است، و ما می توانیم یک جریان را حداکثر 30uA کاهش دهیم، سپس ما می توانیم مقاومت پول آپ (مقاومت بالا نگه دار) را با استفاده از فرمول انتخاب کنیم، مانند این روش:

اکنون، اگر ما همان مثالی را که در بالا بیان شده در نظر بگیریم، جایی که مدار 1 ولت را به عنوان ولتاژ پایین منطقِ حداکثر می پذیرد و منبع می تواند تا جریان 200uA افزایش یابد سپس  مقاومت پول دان خواهد بود،

Pull up داخلی میکرو

علاوه بر اضافه کردن مقاومت های pull up /down، میکروکنترلر های مدرن مقاومت های pull up داخلی را برای پین های 1/0  دیجیتال که درون واحد میکروکنترلر وجود دارند، پشتیبانی می کنند. اگرچه در اکثر موارد این یک پول آپ ضعیف است، به این معنی که جریان بسیار کم است.

اغلب اوقات، ما برای بیشتر از 2 یا 3 پین ورودی – خروجی دیجیتال به پول آپ نیاز داریم. در چنین حالتی از شبکه مقاومت استفاده می شود. تهیه و ادغام تعداد پین های پایین بسیار آسان است.

آن شبکه مقاومت یا مقاومت های SIP نامیده می شود.

این نماد شبکه مقاومت است. پین 1 به پین های مقاومت متصل می شود. این پین نیاز دارد برای پول آپ به vcc یا برای پول دان به ground متصل شود. با استفاده از این مقاومت SIP، مقاومت های جداگانه از بين می روند و در نتیجه تعداد مؤلفه و فضای موجود در برد کاهش می یابد. در مقادیر مختلفی از چند اهم تا کیلو اهم در دسترس است.