Was ist ein Pull-up-/Pull-down-Widerstand?

Einführung

Pull-up- und Pull-down-Widerstände sind einfache, aber unverzichtbare Bauteile in der digitalen Elektronik. Sie gewährleisten, dass die Eingänge von Mikrocontrollern und anderen Logikbausteinen den gewünschten Zustand beibehalten und nicht unvorhersehbar undefiniert sind. Ein gutes Beispiel hierfür sind die Eingänge des Dasduino: Ohne Pull-up- oder Pull-down-Widerstand befinden sich digitale Eingänge im hochohmigen Zustand. Das bedeutet, dass der Pin extrem empfindlich auf elektrisches Rauschen und kleinste Spannungsänderungen reagiert. Führen Sie ein einfaches Programm aus, das den Zustand eines digitalen Pins ausliest. Die Messwerte sollten LOW oder 0 sein. Berühren Sie jedoch einen angeschlossenen Draht, werden Sie feststellen, dass die Messwerte zufällig schwanken. Dieses Phänomen wird als „ schwebender Pin“ bezeichnet und kann zu unzuverlässigem Verhalten führen, was in Systemen, die auf einen präzisen und stabilen Mikrocontroller-Betrieb angewiesen sind, nicht akzeptabel ist.

Indem sie ungenutzte oder inaktive Eingänge auf einen stabilen hohen oder niedrigen Pegel führen, tragen diese Widerstände dazu bei, Rauschen, Fehlauslösungen und unzuverlässiges Verhalten in einer Schaltung zu verhindern. Das Verständnis, wie und wann Pull-up- oder Pull-down-Widerstände eingesetzt werden, ist ein entscheidender Schritt beim Entwurf stabiler und vorhersagbarer digitaler Systeme.

Pull-up- vs. Pull-down-Widerstand

Pull-up- und Pull-down-Widerstände sind keine speziellen Widerstände, sondern einfach Festwertwiderstände (typischerweise 4,7 kΩ oder 10 kΩ , dazu später mehr), die zwischen dem Pin des Mikrocontrollers und +5 V (Pull-up-Konfiguration) bzw. GND (Pull-down-Konfiguration) angeschlossen werden. Um dieses Konzept der nicht angeschlossenen Pins und die Lösung des damit verbundenen Problems zu veranschaulichen, verwenden wir ein einfaches Beispiel mit einem Drucktaster.

Wir verbinden einen Taster mit einem Pull-Down-Widerstand und den anderen mit einem Pull-Up-Widerstand . Ein gängiger Widerstandswert wie z. B. 10 kΩ eignet sich für beide Konfigurationen. Mit dieser Verdrahtung zeigt der Pull-Down-Taster im Ruhezustand den Pegel LOW (0) und im gedrückten Zustand HIGH (1) an. Der Pull-Up-Taster verhält sich umgekehrt: Er zeigt im Ruhezustand HIGH (1) und im gedrückten Zustand LOW (0) an.
Dadurch wird sichergestellt, dass keine der Tasten zufällige oder schwankende Messwerte erzeugt.

Der unten stehende Code liest die Zustände der beiden Taster an den Pins 7 (Pull-Down) und 6 (Pull-Up) aus und gibt deren Werte im seriellen Monitor aus.

const int buttonPin1 = 7;
const int buttonPin2 = 6;
int buttonState1 = 0;
int buttonState2 = 0;
void setup()
{
  Serial.begin(115200);
  pinMode(buttonPin1, INPUT);
  pinMode(buttonPin2, INPUT);
}

void loop()
{
  buttonState1 = digitalRead(buttonPin1);
  buttonState2 = digitalRead(buttonPin2);
  Serial.println("Button 1 state: " + String(buttonState1) + ", Button 2 state: " + String(buttonState2));
  delay(200);
}

Berechnung des Widerstandswertes

Der Wert des Widerstands hängt von zwei Faktoren ab. Erstens vom Energieverbrauch bzw. der Energieverschwendung. Ist der Widerstandswert zu niedrig (im obigen Beispiel HIGH (+5 V)), fließt die Spannung über einen Pull-up-Widerstand und verschwendet unnötig Energie, wenn der Stromkreis geschlossen ist. Diese Energie wird in Wärme umgewandelt. Dieser Zustand wird als starker Pull-up bezeichnet und sollte vermieden werden, wenn der Stromkreis nur wenig Leistung benötigt. Der zweite Faktor ist die Spannung im geöffneten Zustand (wenn der Stromkreis geöffnet ist). Ist der Widerstandswert zu hoch, kann die Eingangsspannung zu gering sein, als dass der Mikrocontroller eine Änderung erkennen könnte. Dies wird als schwacher Pull-up bezeichnet.

Pull-up- und Pull-down-Widerstände werden für die meisten 5-V- und 3,3-V-Mikrocontrollersysteme typischerweise im Bereich von 1 kΩ bis 10 kΩ gewählt. Ein gängiger Wert für allgemeine Anwendungen ist 4,7 kΩ . Niedrigere Widerstandswerte (1–4,7 kΩ) bieten einen stärkeren Pull-up und sind in Umgebungen mit hohem Störpegel oder für bestimmte Sensoren nützlich, während höhere Werte (10 kΩ oder mehr) den Stromverbrauch reduzieren, aber eine geringere Störfestigkeit aufweisen.

Der genaue Widerstandswert hängt von Faktoren wie Signalrauschen, erforderlicher Geschwindigkeit und zulässiger Stromaufnahme ab. Sie können das Ohmsche Gesetz verwenden, um den Stromfluss zu überprüfen , wenn die Leitung gegen den Pull-up- oder Pull-down-Widerstand angesteuert wird; es bestimmt jedoch nicht den Wert selbst.

Die internen Pull-Up-Widerstände

Interne Pull-up-Widerstände sind Bauteile in einem Mikrocontroller, die mit einem Pin verbunden sind, um sicherzustellen, dass dieser einen definierten logischen Zustand (High oder Low) beibehält, wenn kein externes Signal anliegt. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, einen separaten Widerstand hinzuzufügen. Um den internen Pull-up-Widerstand zu verwenden, definieren Sie den Pin einfach in Ihrem Code mit `INPUT_PULLUP`.