Pullup-, Pulldown-Widerstand
und Entstörungsmassnahmen
(WICHTIG: Unbedingt zur Kenntnis nehmen!)
(WICHTIG: Unbedingt zur Kenntnis nehmen!)
Was ist ein Pullup- und ein Pulldown-Widerstand?
Pull heisst bekanntlich ziehen, Up heisst rauf und Down heisst runter. Ein Pullup-Widerstand zieht also etwas hinauf und ein Pulldown-Widerstand zieht etwas hinunter. Genau so einfach ist es. Der eine zieht die elektrische Spannung hinauf und der andere zieht die Spannung hinunter. Das Hinaufziehen geht dabei meist bis zum Betriebsspannungswert +Ub und das Hinunterziehen hinunter auf GND, oder im Falle einer symmetrischen Betriebsspannung von ±Ub auf -Ub.
Es gibt zwei Möglichkeiten einen Taster mit einem logischen Gatter zu
verbinden. Will man dafür sorgen, dass der Eingangspin logisch LOW
erhält wenn die Taste gedrückt wird, so gilt das Schaltbild auf der
linken Seite. Der Taster - es kann selbstverständlich auch ein Schalter
sein - liegt zwischen dem Eingang des Gatters und GND. Der
Pullup-Widerstand liegt zwischen dem Eingang und +Ub. Beim Öffnen des
Tasters zieht der Pullup-Widerstand die Spannung am Anschlusspin hoch
bis zum Betriebsspannungswert +Ub, was logisch HIGH entspricht. Will man
dafür sorgen, dass der Eingangspin logisch HIGH erhält wenn die Taste
gedrückt wird, so gilt das Schaltbild auf der rechten Seite. Der Kontakt
liegt zwischen dem Eingang des Gatters und +Ub. Der Pulldown-Widerstand
liegt zwischen dem Eingang und GND. Beim Öffnen des Kontaktes zieht der
Pulldown-Widerstand die Spannung am Eingang hinunter auf GND, was
logisch LOW entspricht. LOW oder HIGH wird am Eingang nur dann per
Widerstand erreicht, wenn es ein CMOS-Eingang ist, weil dieser extrem
hochohmig ist. Bei TTL-Bausteinen ist dies nicht der Fall, wie wir noch
sehen werden.
Es werden hier Eingänge von NAND-Gattern gezeigt. Natürlich können
dies auch andere digitale Eingänge sein. Bei der Anwendung von Pullup-
und Pulldown-Widerständen geht es ganz einfach immer darum, dass bei
einem offenen Kontakt der korrekte logische Eingangspegel garantiert
ist. Darauf werden wir noch näher eingehen.
Das RS-Flipflop
Das RS-Flipflop ist eine typische Anwendung für Pullup- oder Pulldown-Widerstände. Immer dann wenn mechanische Kontakte zur Anwendung kommen, sind diese Pullup- oder Pulldown-Widerstände notwendig um den Logikpegel bei offenem Kontakt sicher zu stellen. Sollte der Leser nicht wissen was ein RS-Flipflop ist, so mache er sich bitte schlau in Patrick Schnabels RS-Flipflop-Grundkurs in:
Auf dieser Seite wird je ein RS-Flipflop mit zwei NAND- und zwei NOR-Gattern vorgestellt. Bild 2 (hier) illustriert zusätzlich die Pullup- und Pulldown-Widerstände. Die Dimensionierung dieser Widerstände wird weiter unten thematisisert.
Der prellfreie Schalter mit RS-Flipflop
Der prellfreie Taster, oder Schalter, zeigt Bild 3 in den Ausführungen
mit NAND- und NOR-RS-Flipflops. Dies ist eine sehr typische Anwendung
für RS-Flipflops mit Pullup- bzw. Pulldown-Widerständen. Nachteilig ist,
dass man einen Umtaster, bzw. Umschalter, einsetzen muss. Einen
prellfreien Taster oder Schalter mit nur einem Arbeitskontakt muss mit
einem Monoflop realisiert werden, dessen Impulsdauer grösser ist als die
Prellzeit.
Wie man ein RS-Flipflop in einer stark EMV-verstörten Umgebung, z.B. in
einer Steuerungsanwendung im 230-VAC-Bereich, desensibilisiert, zeigt
folgender Elektronik-Minikurs (Bilder 4, 5 und 6):
TTL war früher, (H)CMOS ist heute
Die Transistor-Transistor-Logik wird hier bloss noch vollständigkeitshalber thematisiert. Für neue Projekte werden nicht mehr Standard-TTL, LS-TTL oder ALS-TTL eingesetzt. Wer trotzdem mehr zu diesen Bausteinen, jedoch auch einiges über CMOS erfahren möchte, empfehle ich meinen Artikel aus dem Jahre 1992 in:
Zu erwähnen sei noch, dass bis heute (2006) die Highspeed-CMOS-Bauteile (74HCxxxx) durch die schnelleren Advanced-CMOS-Bauteile (74ACxxxx) weitgehend verdrängt worden sind.
Standard-TTL und die Pullup- und Pulldown-Widerstände
Bild 4 zeigt zwei Standard-TTL-Eingänge. Links mit einem Pullup- und
rechts mit einem Pulldown-Widerstand beschaltet.
Betrachten wir zuerst das linke Schaltbild. Wie gross muss Rpu
(Resistor-pullup) sein? Im Prinzip kann er beinahe beliebig gross
dimensioniert werden oder man könnte auf ihn auch ganz verzichten. Bei
offenem Eingang fliesst ein T1-Basisstrom, begrenzt durch R1, über die
T1-Basis-Kollektordiode in die Basis von T2. T2 und T4 leiten und T3 ist
offen. Der Ausgang des TTL-NAND-Gatter liegt damit auf logisch LOW. Wenn
Rpu eingesetzt wird, steigt die Spannung am Eingang auf die
Betriebsspannung von +5 VDC. Damit wird der Störabstand des Eingangs
verbessert, was sich besonders bei langen Leitungen am Eingang
störsicherer auswirkt. Der Emitter-Kollektor-Sperrstrom des T1 ist so
gering, dass Rpu relativ hochohmig gewählt werden kann. 100 k-Ohm sind
zwar möglich, empfohlen werden jedoch Werte zwischen 5 und 10 k-Ohm. Zu
hohe Rpu-Werte erhöhen durch Einkopplung über parasitäre
Leitungskapazitäten die Störempfindlichkeit.
Betrachten wir jetzt das rechte Schaltbild. Wie gross muss Rpd
(Resistor-pulldown) sein? Hier fliesst ein T1-Basisstrom über einen der
beiden T1-Emitter und Rpd nach GND. Aus T1 fliesst kein Kollektorstrom
wenn einer der beiden Emitter von T1 auf GND-Pegel liegt, weil die Basis
von T2 über die leitende Kollektor-Emitterstrecke von T1 ebenfalls auf
GND gezogen wird. Der Basisstrom von T1 entspricht dem Emitterstrom von
T1.
Dieser Strom erzeugt in Rpd einen Spannungsabfall und dieser darf gemäss
Datenblatt 0.8 VDC nicht überschreiten. Der durch R1 begrenzte Strom
liegt bei maximal 1.1 mA. Damit die Spannung von 0.8 VDC am Eingang
nicht überschritten wird, darf Rpd nicht grösser als 720 Ohm sein. Es
werden in der Praxis allerdings Werte unter 500 Ohm, in der Regel ein
Widerstand von 390 Ohm, empfohlen.
Bei der Anwendung von Pulldown-Widerständen zeigt sich bei
Standard-TTL-Schaltungen sogleich ein gravierender Nachteil: Der Strom
ist bei geschlossenem Taster- oder Schaltkontakt relativ gross. Bei
einem Rpd-Wert von 390 Ohm resultiert ein Strom von 13 mA. Im Gegensatz
dazu erzeugt ein Rpu-Wert von 10 k-Ohm bei geschlossenem Kontakt bloss
0.5 mA. Besonders dann wenn eine ganze Batterie von Schaltern zum
Einsatz kommt, zeigt sich der Vorteil beim Einsatz von
Pullup-Widerständen.
LS-TTL und die Pullup- und Pulldown-Widerstände
Auch diese Logik ist sehr alt (LS=Lowpower-Schottky) und es gab auch
längst die ALS-TTLs (A = Advanced) welche die LS-TTLs verdrängten. Diese
ALS-TTL-Bauseine sind schneller als die LS-TTLs, benötigen jedoch
unwesentlich mehr Leistung. Aber uns interessiert hier nur die
Angelegenheit der Pullup- und Pulldown-Widerstände.
Betrachten wir zunächst das Schaltbild auf der linken Seite.
Schottky-Dioden schalten wesentlicher schneller um vom sperrenden in den
leitenden Zustand und umgekehrt. Die Durchfluss-Schwellenspannung
beträgt nur etwa 0.3 bis 0.4 VDC, während es bei herkömmlichen
Siliziumdioden etwa 0.6 bis 0.8 VDC sind. Betreffs Rpu gelten etwa die
selben Überlegungen wie zur linken Schaltung in Bild 4. Gleichgültig wie
hoch Rpu ist, die Diode liegt in Sperrrichtung und es fliesst bloss ein
irrelevant geringer Sperrstrom. Trotzdem sollte man es mit dem Wert des
Rpu, aus dem Grund wie bereits beschrieben, nicht übertreiben.
Auf der rechten Bildseite wirkt Rpd und es fliesst ein Strom durch den
stromlimitierenden Widerstand R1, Schottky-Diode D1 und Rpd nach GND. R1
ist in LS-TTL-Schaltungen allerding fünf mal grösser als in
Standard-TTL-Schaltungen. Daher darf Rpd mit 1.8 k-Ohm auch etwa fünf
mal grösser sein.
Was ist ein Schottky-Transistor
Dies ist im Grunde nichts anderes als ein ganz normaler
schnellschaltender NPN-Transistor kombiniert mit einer Schottky-Diode
zwischen Basis und Kollektor. Wozu soll denn das dienen? Ganz einfach,
es wird verhindert, dass der Basisstrom des Transistors unnötig gross
wird. Sobald beim Anstieg des Basisstromes der Kollektorstrom in
Funktion des Stromverstärkungsfaktores zunimmt, sinkt die
Kollektor-Emitter-Spannung. Wird diese Spannung niedriger als die
Flussspannung der Schottky-Diode, fliesst ein Teil des Stromes anstatt
zur Basis über die Diode zum Kollektor. Dadurch wird wirksam verhindert,
dass der Transistor in die Sättigung gesteuert wird. So müssen nach
Wegfall des Basisstromes weniger Ladungsträger aus der Basis
"ausgeräumt" werden und der Transistor schaltet schneller aus.
Man kann diesen Trick auch mit herkömmlichen Siliziumdioden realisieren.
Allerdings ist die Schaltung dann langsamer und die mininmale
Kollektor-Emitter-Spannung höher.
Pullup- und Pulldown-Widerstände an CMOS-Eingängen
Offene TTL-Eingänge sind prinzipiell logisch HIGH, auch wenn dies nicht
ganz unproblematisch ist, wie wir weiter oben gelesen haben. Wie sieht
dies mit CMOS-Eingängen aus? Die Oxydschicht zwischen Gate und Source
ist ein perfekter Isolator. Ein Eingangswiderstand von 1012
Ohm ist selbstverständlich. Was hindert uns also für Rpu und Rpd Werte
im M-Ohm-Bereich zu wählen? Im Grunde nichts, wenn da nicht einige
Kriterien aus der Praxis zu berücksichtigen sind. Wenn durch
Verschmutzung Kriechstrecken entstehen, nimmt an dieser Strecke der
Widerstand ab. Passiert dies zwischen den Kontakten eines Schalters oder
Tasters, dann haben wir einen Spannungsteiler der entweder aus Rpu und
dem Kontaktübergangswiderstand (linkes Schaltbild) oder aus Rpd und dem
Kontaktübergangswiderstand besteht. Dadurch wäre das korrekte logische
Eingangssignal nicht mehr gewährleistet, wenn der Kontakt offen ist.
Betreffs Grösse von Rpu und Rpd kommt es ganz auf die Anwendung an. In
den nächsten beiden Kapiteln befassen wir uns mit dem Störrisiko bei
langen Leitungen zwischen der Kontaktstelle und der Elektronik und wir
überlegen uns was im Falle des Batteriebetriebes zu beachten ist.
Störsichere Gate-Eingangsschaltung eines CMOS-IC
Wie funktioniert diese Schaltung? R1 ist der Pullup-Widerstand. Bei
offenem Kontakt wirkt die Zeikonstante R1*C1 mit 10 ms. Bei diesem Wert
können selbst massive kapazitive Einkopplungen von niederfrequenten
Signalen kaum stören. Man sollte hier auf eine relativ grosse
Zeitkonstante achten, denn bei einem hochohmigen Eingang und bei der
Verwendung einer sehr langen Leitung, können auch mittel- und
niederfrequente Einkopplungen stören. Bei geschlossenem Kontakt ist der
Eingang niederohmig. Der sehr niedrige Widerstand, bestehend aus Kontakt
und Leitung, dominiert. Wir dürfen aber nicht vergessen, dass die
Leitung auch eine gewisse Induktivität besitzt. Sie ist eine parasitäre
Spule mit einer Windung. Dies ist, extrem betrachtet, auch dann der Fall
wenn eine parallele Zweidrahtleitung verwendet wird. Allerdings ist dann
die Antennenwirkung sehr gering. Wollen wir aber auch gleich diesem
Problem vorbeugen, so schalten wir in Serie zum Eingang R2 mit einem
Wert von z.B. 10 k-Ohm. R2 erzeugt mit C eine Zeitkonstante von 0.33 ms.
Dies dürfte ausreichen, da bei geschlossenem Kontakt eine niedrige
Impedanz vorliegt, bei der nur hochfrequente bzw. steilflankige
Einkopplungen überhaupt wirksam werden können. R2 hat aber noch einen
anderen Zweck. Ohne R2 bildet sich aus der Leitungsinduktivität und
C eine schwach gedämpfter Schwingkreis, der durch eine steilflankige
Störeinkopplung angeregt werden könnte. Die daraus resulierende
Amplitude könnte zu einer Fehltriggerung des nachgeschalteten Systemes
führen. Mit R2 erreicht man eine wirksame Dämpfung dieses parasitären
Schwingkreises.
Aber wozu braucht es jetzt noch R3, neigt der aufmerksame Leser sich zu
fragen. Das ist ganz einfach: Nehmen wir an, es kommt auf der langen
Leitung zu einem Überspannungsimpuls, dann könnte der Stromimpuls durch
die Schutzdioden D1 und D2 kurzzeitig so gross werden, dass ohne R3 die
ebenso kurzzeitig erhöhte Durchfluss-Spannung der IC-internen
Schutzdioden überschritten wird. Die Folge davon wäre ein Latchupeffekt
des CMOS-IC. Dieser führt bekannterweise zum Kurzschluss durch die
Zündung eines IC-internen parasitären Thyristors und zerstört das IC.
Mit R3, der durchaus auch grösser gewählt werden kann, wird der
Eingangsstrom ins Gate, im Falle einer Eingangsspannung unterhalb von
GND oder oberhalb von +Ub, so weit begrenzt, damit der Latchup sicher
nicht auftreten kann.
Sicher, weil die CMOS-Eingänge der CMOS- und HC(T)MOS-Familien bereits
integrierte Widerstands-Dioden-Netzwerke enthalten, die jedoch möglichst
nicht überstrapaziert werden sollen. Daher lohnt es sich stets vor dem
Eingang zusätzliche Massnahmen zu treffen, wie dies in Bild 8 gezeigt
wird.
Es sei noch vollständigkeitshalber darauf hingewiesen, dass die
Massnahmen in Bild 8 als Überspannungsspannungsschutz gegen starke
elektrostatische Entladung, induziert auch durch indirekte
Blitzentladung in der Nähe, nicht ausreichen!
Pullup-, Pulldown-Widerstand und Batteriebetrieb
Eine CMOS-Schaltung braucht im Ruhezustand bekanntlich keine
signifikante Leistung. Man braucht also nur dafür zu sorgen, dass eine
CMOS-Schaltung keine Taktfrequenz erhält, und die Schaltung braucht
nicht extra per Hauptschalter von der Batterie getrennt zu werden. Wie
aber sieht es beim Gebrauch von Pullup- und Pulldown-Widerständen aus?
Wenn der Kontakt im Auszustand gerantiert offen ist, gibt es kein
Problem, denn wenn die CMOS-Schaltung unter Batteriespannung steht,
fliesst kein Gatestrom. Bei geschlossenem Kontakt fliesst allerdings
ein Strom durch den Pullup- oder Pulldown-Widerstand. Kann man den
geschlossenen Kontakt nicht vermeiden, muss man dafür sorgen, dass der
Pullup- oder Pulldown-Widerstand sehr hochohmig ist und man muss
staubgeschützte Kontakte und Anschlüsse verwenden. Warum ist weiter oben
bereits erklärt.
Angenommen die CMOS-Schaltung wird aus einer 9V-Block-Batterie betrieben
und man wählt einen Pullup- oder Pulldown-Widerstand von 1 M-Ohm,
fliesst ein Strom von 9 µA. Bei einer Batterie-Kapazität von 400 mAh
(soviel hat etwa eine Alkali-Mangan-9V-Blockbatterie), beträgt die
Lebensdauer der Batterie, wenn die Schaltung selbst nie in Betrieb ist,
etwa 44'000 Stunden und das sind 5 Jahre. Dies ist in der Regel mehr als
die Lagerfähigkeit einer solchen Batterie bei Raumtemperatur. Der
Selbstentladedestrom der Batterie ist grösser. Ein Pullup- oder
Pulldown-Widerstand von 1 M-Ohm wäre also zumutbar.
Elektrostatischer Einfluss auf ein offenes CMOS-Gate
Was passiert wenn ein TTL-Eingang offen ist? Nichts. Er ist auf logisch
HIGH definiert. Einzig der Störabstand ist veringert, wenn am Eingang
eine Leiterbahn oder eine Leitung angeschlossen ist. Was passiert aber
wenn ein CMOS-Eingang offen ist? Viel!
Der Eingang ist extrem hochohmig. Ohne externe Enflüsse ergibt sich die
Eingangsspannung aus den ebenso extrem hochohmigen Übergangswiderständen
zwischen Anschlusspin und GND und Anschlusspin und +Ub. Liegt die
Spannung beim halben Wert von +Ub kommt die CMOS-Schaltung in den
leitenden Zustand, weil der N-Kanal- und der P-Kanal-MOSFET gleichzeitig
dauernd leiten. Der Strom liegt bei der CD4xxx-IC-Familie bei einigen
Milliampere pro CMOS-Gatter. Es leuchtet natürlich ein, dass ein solch
offener CMOS-Eingang den Betrieb der Schaltung massiv stört. Facit: Man
muss immer ein Pulldown- oder ein Pullup-Widerstand einsetzen, der, wie
wir jetzt wissen, unter bestimmten Voraussetzungen auch relativ
hochohmig sein darf.
Ein offener CMOS-Eingang ist aber auch der Willkür freier elektrischer
Felder ausgesetzt. Dazu kann man sich mit Bild 9 selbst ein
eindrückliches aber einfaches Experiment aufbauen:
Wenn der Eingang des CMOS-NAND-Gatters auf LOW gesetzt ist, liegt sein
Ausgang auf HIGH. Es fliesst ein Strom durch in die Basis des
Transistors T der verstärkt wird. Daher fliesst ein Emitterstrom und
die LED leuchtet. R begrenzt den LED-Strom. Nun lassen wir den Eingang
offen, schliessen lediglich einen etwa 10 cm langen Draht an den Pin und
sorgen dafür, dass er frei in der Luft liegt. Nun kämmen wir mit einem
Kunstoffkamm unser Haar, das trocken sein muss oder wir reiben einen
Kunststoffstab, z.B. Plexiglas, an einem trockenen Wolltuch. Wir führen
den elektrostatisch geladenen Kamm oder Stab in die Nähe des
freistehenden Drahtes. Eine Distanz von fünf bis zehn Zentimeter genügt.
Nun bewegen wir den Kamm oder den Stab leicht hin- und her in Richtung
des Drahtes und beobachten wie im selben Rythmus die LED aufleuchtet
und erlischt. Bewegen wir den Kamm oder den Stab ganz langsam, können
wir sogar die Helligkeit der LED etwas steuern. Dies braucht allerdings
etwas Übung.
Für ein besonders wirksames Experiment im Schulzimmer kann man anstelle
des bipolaren Kleintransistors T und einer LED einen Power-MOSFET
verwenden und damit eine 12-Volt-Autobirne ansteuern. Man braucht dazu
allerdings eine 12VDC-Spannungsquelle welche gut 4 Ampere liefert.
Zum Schluss: Schottky-Diode und Latchup
Wer nicht weiss was das ist, dem möchte ich hier noch ein paar Tipps
geben.
Über Schottky-Dioden liest man etwas in:
Über Latchup liest man etwas in:
Der Latchupeffekt ist auch kurz und informativ in der 11. Auflage (9. Auflage) des Buches HALBLEITERSCHALTUNGSTECHNIK von Tietze/Schenk auf Seite 644 (Seite 215) beschrieben.
Thomas Schaerer, 22.04.2001 ; 18.02.2003 ; 15.03.2003(dasELKO) ; 17.12.2003 ; 04.12.2004 ; 20.02.2006 ; 13.02.2008