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.

Пассивный резистор представляет из себя керамический цилиндр на поверхности которого нанесен резистивный (сопротивляющийся движению электрического тока) слой. На обоих концах цилиндра металлические (обычно медные) колпачки с выводами -проводниками. Проводники запаиваются на контактных площадках схемы.

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:

• токоограничивающие;
• подтягивающие;
• стягивающие;
• делитель напряжения (комбинация из двух или потенциометр).

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:

• внешние – подключаться в виде внешних пассивных элементов;
• внутренние резисторы ардуино – как цифровой потенциометр входит в состав Ардуино.

Другой характеристикой является:

• сильный;
• слабый.

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 (единица измерения – Ом, и кратные единицы – КилоОм, МегаОм);
• Мощность (единица измерения – Вт);
• Точность или допуск (единица измерения – %).

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= I² x R.

Расчет подтягивающего резистора

Расчет минимального сопротивления резистора достаточно прост и определяется из формулы:

Rp = (Vcc – 0,4)/3mA где:

• Rp – минимальный номинал сопротивления резистора;
• Vcc – Напряжение линии питания.

Соответственно Rp = (5V- 0,4V)/3mA= 1,5 кОм – Это минимальное сопротивление.

Максимальное сопротивление определяется по емкости шины конкретного устройства по формуле:

Rp = 1µs/Cb где:

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.

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.