Was ist ein Pull-Up-Widerstand und wie verwendet man ihn?

Pull-up-Widerstände sind in vielen digitalen Schaltkreisen unverzichtbar. Lassen Sie uns darüber sprechen, wie Pull-up-Widerstände funktionieren und wie man sie verwendet.

Stellen Sie sich vor, dass eine digitale Schaltung erstellt wird, bei der zum Einschalten einer LED ein Druckknopf erforderlich ist. Sie verkabeln den Stromkreis ordnungsgemäß, indem Sie ein Ende des Tasters mit einem digitalen Eingang und Masse mit dem anderen verbinden. Wenn Sie schließlich Strom anlegen, bemerken Sie, dass die LED an- und ausgeht, ohne dass Sie den Schalter betätigen.

Wenn Sie jemals Situationen wie diese beobachtet haben, haben Sie wahrscheinlich vergessen, einen Pull-up-Widerstand in Ihre digitale Schaltung einzubauen. Was genau ist ein Pull-up-Widerstand? Wie funktioniert es und wie verwendet man es?

Ein Pull-up-Widerstand ist ein Widerstand, den Sie zu einer digitalen Schaltung hinzufügen, um unerwünschte Signale zu vermeiden, die die Logik oder Programmierung Ihrer Schaltung beeinträchtigen könnten. Dies ist eine Möglichkeit, eine Eingangsleitung auf Plus oder VCC vorzuspannen oder zu ziehen, wenn kein anderes aktives Gerät die Leitung ansteuert. Indem Sie die Leitung auf VCC ziehen, setzen Sie den Standardstatus der Leitung effektiv auf 1 oder wahr.

Das Festlegen eines Standardzustands aller Eingangspins ist wichtig, um zu vermeiden, dass während des schwebenden Zustands zufällige Signale erzeugt werden. Ein Eingangspin befindet sich in einem schwebenden Zustand, wenn er von einer aktiven Quelle wie Masse oder VCC getrennt wird.

Pull-up-Widerstände werden typischerweise in digitalen Schaltkreisen mit Mikrocontrollern und Einplatinencomputern verwendet.

Wenn Sie einen Taster in einem digitalen Schaltkreis verwenden, führt das Drücken des Schalters dazu, dass der Schaltkreis geschlossen wird und True oder High an den Mikrocontroller übermittelt. Das Deaktivieren des Schalters verhindert jedoch nicht unbedingt, dass der Eingangspin solche Signale sendet.

Dies liegt daran, dass die Unterbrechung der Verbindung durch einen Schalter bedeutet, dass die Verbindung nur noch mit der Luft verbunden ist. Dies führt dazu, dass sich die Leitung in einem schwebenden Zustand befindet, in dem Signale aus der Umgebung möglicherweise dazu führen können, dass der Pin jederzeit auf High steigt.

Um zu verhindern, dass diese Streusignale in Ihrem Schaltkreis registriert werden, müssen Sie die Eingangsleitung mit ausreichend Spannung versorgen, damit sie weiterhin hoch registriert, wenn keine Masse mehr erkannt wird. Sie können VCC jedoch nicht direkt an die Eingangsleitung anschließen, da der Stromkreis kurzgeschlossen wird, sobald der Schalter/Sensor die Leitung mit Masse verbindet.

Um einen Kurzschluss der Pull-up-Spannung zu vermeiden, müssen Sie einen Widerstand verwenden. Mit dem richtigen Widerstandswert wird sichergestellt, dass die schwebende Leitung genügend Spannung hat, um hoch anzusteigen, und gleichzeitig niedrig genug, um den Stromkreis nicht vorzeitig kurzzuschließen. Die Höhe des Widerstands hängt vom Logiktyp ab, den Ihre Schaltung verwendet.

Um den Widerstandswert Ihres Pull-up-Widerstands richtig zu berechnen, müssen Sie wissen, welchen Logiktyp Ihre Schaltung zum Betrieb verwendet. Die von Ihrer Schaltung verwendete Logikfamilie bestimmt den Widerstandswert, den Ihr Pull-up-Widerstand benötigt.

Es gibt verschiedene Arten von Logik. Hier sind einige davon:

Abkürzung

Name

Beispielschaltungen

Min. V an

Max V aus

CMOS

Komplementärer Metalloxid-Halbleiter

DSP, ADC, DAC, PPL

3.5

1.5

TTL

Transistor-Transistor-Logik

Digitaluhren, LED-Treiber, Speicher

2,0

0,8

ECL

Emittergekoppelte Logik

Radar, Laser, Teilchenbeschleuniger

-1,5

-1,8

DTL

Dioden-Transistor-Logik

Flip-Flops, Register, Oszillatoren

0,7

0,2

Wenn Sie nicht sicher sind, welche Logikfamilie Sie verwenden, ist es sehr wahrscheinlich, dass Ihre Schaltung CMOS- oder TTL-Logikfamilien verwendet, da ECL und DTL schon lange veraltet sind. Chipmarkierungen mit Präfixen wie „74“ oder „54“ sind typischerweise TLL-Chips, während Chipmarkierungen mit „CD“ oder „MC“ auf einen CMOS-Chip hinweisen. Wenn Sie sich immer noch nicht sicher sind, können Sie ganz einfach herausfinden, welche Logikfamilie Ihr Controller verwendet, indem Sie online schnell nach dem Datenblatt suchen.

Nachdem Sie nun die verschiedenen Arten von Logikfamilien und ihre minimalen Einschalt- und maximalen Ausschaltspannungen verstanden haben, können wir nun mit der Berechnung der Werte für unseren Pull-up-Widerstand fortfahren.

Um den richtigen Widerstandswert zu berechnen, benötigen Sie drei Werte. Die Mindesteinschaltspannung der Logikfamilie, die Ihre Schaltung verwendet, die Versorgungsspannung der Schaltung und der Eingangsleckstrom, den Sie dem Datenblatt oder mit einem Multimeter entnehmen können.

Sobald Sie alle Variablen haben, können Sie sie einfach in die folgende Formel einfügen:

Widerstandswert = (Versorgungsspannung – logische Hochspannung) / Eingangsleckstrom

Angenommen, Ihre Schaltung verwendet TTL und die Eingangsleitung verbraucht 100 uA bei 5 V. Wir wissen, dass TTL mindestens 2 V für den High-Anstieg und maximal 0,8 Volt für den Low-Anstieg benötigt. Das würde bedeuten, dass die richtige Spannung, die unseren Pull-up-Widerstand verlässt, zwischen 3 V und 4 V liegen sollte, da die Spannung höher als 2 V sein muss, aber nicht höher als unsere Versorgungsspannung, die 5 V beträgt.

Unsere vorgegebenen Werte wären:

Da wir nun die Variablen haben, fügen wir sie in die Formel ein:

(5V - 4V) / 100μA = 10.000 Ohm

Unser Pull-up-Widerstand muss 10.000 Ohm (10 Kiloohm oder 10 kΩ) haben.

Pull-up-Widerstände werden typischerweise in digitalen Schaltkreisen verwendet, um unerwünschte Störungen bei der digitalen Programmierung eines Schaltkreises zu vermeiden. Sie können Pull-up-Widerstände verwenden, wenn die digitale Schaltung Schalter und Sensoren als Eingabegeräte verwendet. Außerdem sind Pull-up-Widerstände nur wirksam, wenn die Eingangspins mit Masse verbunden sind. Wenn die Eingangspins mit VCC verbunden sind, möchten Sie möglicherweise stattdessen Pulldown-Widerstände verwenden.

Um einen Pull-up-Widerstand zu verwenden, müssen Sie die Eingangsleitung lokalisieren, die mit einem Eingabegerät verbunden ist. Sobald Sie ihn gefunden haben, möchten Sie den Wert Ihres Widerstands mithilfe der zuvor besprochenen Formel berechnen. Wenn Ihre Schaltung nicht wirklich viel Präzision erfordert, können Sie einfach Widerstandswerte im Bereich von 1 kΩ bis 10 kΩ verwenden.

Nachdem Sie nun Ihren Widerstand mit dem richtigen Wert haben, können Sie ein Ende des Pull-up-Widerstands an VCC und ein Ende zwischen dem Eingabegerät und der MCU platzieren. Glückwunsch! Sie wissen jetzt, was ein Pull-Up-Widerstand ist und wie man ihn verwendet.

Einige Mikrocontroller wie Arduino-Boards und SBCs wie der Raspberry Pi verfügen über interne Pull-up-Widerstände, die Sie im Code anstelle externer Pull-up-Widerstände auslösen können.

Zusammenfassend ist ein Pull-up-Widerstand eine wichtige Komponente, die dazu beiträgt, Ihren Schaltkreis vor Störungen in der Nähe zu schützen. Indem der Standardzustand eines Eingangspins auf „High“ gesetzt wird, wird verhindert, dass zufällige Signale die Logik oder Programmierung Ihrer Schaltung stören. Und da Sie nun wissen, wie man damit umgeht, möchten Sie vielleicht Ihr neu gewonnenes Wissen festigen, indem Sie es bei Ihren nächsten Projekten anwenden.

Jayric Maning wollte unbedingt lernen, wie die Dinge funktionieren, und begann schon als Teenager damit, an allen möglichen elektronischen und analogen Geräten herumzubasteln. Er studierte Forensik an der Universität Baguio und lernte dort Computerforensik und Cybersicherheit kennen. Derzeit betreibt er viel Selbststudium und bastelt an Technik herum, um herauszufinden, wie sie funktioniert und wie wir sie nutzen können, um das Leben einfacher (oder zumindest cooler!) zu machen.