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 os 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 funcionam as entradas e saídas lógicas em circuitos digitais
Na eletrônica digital e na maioria dos circuitos baseados em microcontroladores, os sinais digitais envolvidos são processados na forma de lógica 1 ou lógica 0, ou seja, 'ALTO' ou 'BAIXO'.
As portas lógicas digitais tornam-se as unidades fundamentais de qualquer circuito digital e, ao utilizar as portas 'E', 'OU' e 'NÃO', somos capazes de construir circuitos complexos, no entanto, conforme observado acima, as portas digitais podem aceitar apenas dois níveis de tensão que 'ALTO ”E“ BAIXO ”.
O “HIGH” e “LOW” são geralmente na forma de 5 V e 0 V respectivamente. “HIGH” também é referido como “1” ou sinal positivo da fonte e “LOW” também é referido como “0” ou sinal negativo da fonte.
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 “BAIXO” se a entrada estiver abaixo de 0,8 V e pode reconhecer o sinal como “ALTO” se a entrada estiver acima de 2 V. Para microcontroladores, isso pode variar muito.
Níveis lógicos de entrada indefinidos
Os problemas surgem quando o sinal está entre 0,8 V e 2 V e varia aleatoriamente nos pinos de entrada, esse problema pode ser explicado com um circuito de exemplo usando um switch conectado a um IC ou um microcontrolador.
Suponha um circuito usando um microcontrolador ou um IC, se fecharmos o circuito, o pino de entrada ficará “BAIXO” e o relé ficará “LIGADO”.
Se abrirmos a chave, o relé deve ficar “OFF” certo? Bem, na verdade não.
Sabemos que os CIs digitais e microcontroladores digitais só aceitam a entrada como “HIGH” ou “LOW”, quando abrimos a chave, o pino de entrada está apenas com o circuito aberto. Não é “ALTO” nem “BAIXO”.
O pino de entrada deve ser 'ALTO' para desligar o relé, mas na situação aberta este pino torna-se vulnerável a captadores dispersos, cargas estáticas dispersas e outros ruídos elétricos circundantes, 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 ligar 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 fornecimento positivo do IC.
Para manter o pino “ALTO”, podemos conectar o pino de entrada ao Vcc.
No circuito abaixo, o pino de entrada é conectado ao Vcc, que mantém a entrada “HIGH” se abrirmos a chave, o que impede o acionamento aleatório do relé.
Você pode pensar, agora temos a solução trabalhada. Mas não .... ainda não!
Conforme o diagrama, se fecharmos a chave, haverá um curto-circuito e desligaremos e curto-circuitaremos todo o sistema. Seu circuito nunca pode ter qualquer situação pior do que um curto-circuito.
O curto-circuito é devido a uma corrente muito grande fluindo por um caminho de baixa resistência que queima os traços do PCB, queimando o fusível, acionando interruptores de segurança e até mesmo pode causar danos fatais ao seu circuito.
Para evitar tal fluxo de corrente pesada e também para manter o pino de entrada na condição “ALTO”, podemos utilizar um resistor que está conectado ao Vcc, que está 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 uma queda de tensão insignificante por meio do resistor pull-up e o resto do circuito não será afetado.
Deve-se escolher o valor do resistor Pull-Up / Pull-Down de forma ideal para que ele não extraia excesso através do resistor.
Calculando o valor do resistor pull-up:
Para calcular um valor ótimo, temos que conhecer 3 parâmetros: 1) Vcc 2) Tensão de entrada de limite mínimo que pode garantir fazer a saída “ALTA” 3) Corrente de entrada de alto nível (A corrente necessária). Todos esses dados são mencionados na ficha técnica.
Vejamos o exemplo da porta lógica NAND. De acordo com sua ficha técnica, Vcc é 5V, tensão de entrada de limite mínimo (tensão de entrada de alto nível VELES) é 2V e a corrente de entrada de alto nível (IELES) é 40 uA.
Aplicando a lei do ohm, podemos encontrar o valor correto do resistor.
R = Vcc - VIH (MIN)/ EUELES
Onde,
Vcc é a tensão operacional,
VIH (MIN)é a tensão de entrada de nível ALTO,
euELESé a corrente de entrada de nível ALTO.
Agora vamos fazer a correspondência,
R = 5 - 2/40 x 10 ^ -6 = 75K ohm.
Podemos usar um valor de resistor máximo 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 um resistor ligeiramente inferior ao valor calculado, digamos 70K, 65k ou mesmo 50K ohm, mas não reduza a resistência baixa o suficiente para que conduza uma grande corrente, por exemplo, 100 ohm, 220 ohm para o exemplo acima.
Resistores pull-up de múltiplas portas
No exemplo acima, vimos como escolher um resistor pull-up para uma porta. E se tivermos 10 portas e todas precisam ser conectadas ao resistor pull-up?
Uma das maneiras é conectar 10 resistores pull-up em cada porta, mas isso não é uma solução econômica e fácil. A melhor solução seria conectar todos os pinos de entrada juntos em um único resistor pull-up.
Para calcular o valor do resistor pull-up para a condição acima, siga a fórmula abaixo:
R = Vcc - VIH (MIN)/ N x IELES
O “N” é o número de portas.
Você notará que a fórmula acima é igual à anterior, a única diferença é multiplicar o número de portas.
Então, vamos fazer as contas de novo,
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 do que uma porta NAND (no exemplo anterior), de modo que o resistor possa manter um mínimo de 2V na carga de pico, o que pode garantir o necessário saída sem qualquer erro.
Você pode usar a mesma fórmula para calcular o resistor pull-up para qualquer aplicação.
Resistores pull-down:
O resistor pull-up mantém o pino “HIGH” se nenhuma entrada estiver conectada com o resistor pull-down, ele mantém o pino “LOW” se nenhuma entrada estiver conectada.
O resistor pull-down é feito conectando-se o resistor ao terra em vez de Vcc.
O pull-down pode ser calculado por:
R = VIL (MAX)/ EUA
Onde,
VIL (MAX)é a tensão de entrada de nível BAIXO.
euAé a corrente de entrada de nível BAIXO.
Todos esses parâmetros são mencionados na folha de dados.
R = 0,8 / 1,6 x 10 ^ -3 = 0,5K ohm
Podemos usar no máximo 500 ohm resistor 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 conduzir a saída 'HIGH', mas só pode conduzir sua saída 'LOW'. Ele simplesmente conecta a saída ao aterramento ou desconecta do aterramento.
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 pull-up externo que pode transformar o pino em “ALTO” quando o transistor está desligado.
Isso é o mesmo para o dreno aberto, 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, portanto, dá mais flexibilidade para a carga. Podemos conectar a carga na saída com tensão de operação mais alta ou mais baixa.
Se tivéssemos um valor de resistor pull-up fixo, não poderíamos controlar a tensão na saída.
Uma desvantagem dessa configuração é que, ela consome muita corrente e pode não ser amigável à bateria, ela precisa de uma corrente maior para seu correto funcionamento.
Vamos dar um exemplo da porta 'NAND' lógica de drenagem aberta IC 7401 e ver como calcular o valor do resistor pull-up.
Precisamos saber os seguintes parâmetros:
VOL (MAX)que é a tensão máxima de entrada do IC 7401 que pode garantir que a saída fique “BAIXA” (0,4V).
euOL (MAX)que é a corrente de entrada de baixo nível (16mA).
Vcc é a tensão operacional de 5V.
Então, nós aqui podemos conectar um valor de resistor pull-up em torno de 287 ohm.
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