Wieso funktionieren Pullup/Pulldown-Widerstände?
Hallo, trotz schauen mehrerer Videos und Selbsterklärversuche fehlt mir noch eine Information, um zu verstehen, wieso Pullup/Pulldown-Widerstände funktionieren. Folgende Informationen habe ich:
- Funktion ohmscher Widerstands,
- Physikalische Stromrichtung,
- EMF-Störsignale als Ursache für ungewollte Signale am Eingangs-Pin (von z.B. MC),
- Leerlauf ohne Verbindung,
- Quasi-Kurzschluss bei Verbindung (z.B. Tasterbetätigung)
- Eingangs-Pin zieht durch positive Ladung (Referenzwert Pluspol) hinter diesem Elektronen an, sodass Signal anhand der Potentialdifferenz zwischen Pluspol und Eingangssignal als z.B. 1/0 bewertet werden kann
Ich verstehe nicht, weshalb ein durch ein EMF-Signal zur Bewegung angeregtes Elektron z.B. am Knotenpunkt zwischen Eingang und Pullup-Widerstand nicht durch den Eingangs-Pin zum Pluspol gelangt, sondern nur den Weg mit einem hohem Pullup/Pulldown-Widerstand wählt.
Betrachte ich den Mikrocontroller als Widerstand, der z.B. parallel zu einem Pullup-Widerstand geschaltet ist verstehe ich nicht weshalb durch den Mikrocontroller kein Strom fließen sollte. Zusammen mit einem Pullup-Widerstand scheint ein Eingang für mich einen Spannungsteiler zu ergeben.
Ich verstehe nicht wieso ein Widerstand Elektronen "ziehen" kann, wo Elektronen doch für gewöhnlich den Weg des geringsten Widerstands entlangfließen.
Im Bild habe ich eingezeichnet, wie ich meinem Verständnis nach schlussfolgerte, wenn ich nicht wüsste, dass mir eine Information fehlt, da es Videos ein anderes Resultat präsentieren.
2 Antworten
Wie kommst du zur Annahme dass der Pulldownwiderstand größer sei als der Eingangswiderstand des uC?
Der Eingangswiderstand liegt irgendwo im oberen Megaohmberreich bis in den Gigaohmberreich und ist meist nicht rein Ohmsch. Hinter dem Eingang sitzt ja eine Logikschaltung meistens die Gates von Komplementären Mosfets plus Schutzbeschaltung.
Der Pulldown liegt im Bereich 10-100k ist also um mehr als den Faktor 10-10000 kleiner als der Eingangswiderstand des uC.
Korrektur meiner Vorstellung:
Beim Löten sollten auch Elektronen an den Pins angeregt werden, die ohne Schutzwiderstände den uC-Eingang quasi widerstandslos passierten, was die Leiterbahnen und Bauelemente im uC vermutlich zum durchbrennen brächte, da die verhältnismäßig hohe Stromstärke bei dünnem Leiterquerschnitt diese erwärmte wie Toasterheizdrähte. Die Wärme könnte eventuell auch Dotierungen von Halbleitern aufschmelzen und sich vermischen lassen, was diese zerstörte. Eventuell würden auch Schichtgrenzen wegschmelzen und ungewollte Knotenpunkte entstehen.
Auch wenn man einen uC ohne Stromfluss durch die Eingänge, z.B. reibungslos mit Gummihandschuhen einbaute und die Pinverbindung danach von außen isolierte wären große Ströme im uC nicht optimal. Schließlich ist der Zweck eines uC den Bauraum einer Schaltung möglichst zu verringern. Größere Ströme bedürften größerer Leiterquerschnitte und Kondensatoren, Transistoren u.s.w. Daher ist es sinnvoll möglichst mit geringen Stromfluss auszukommen, bzw. Eingangsströme mit großen Widerständen möglichst zu verkleinern.
Datenblatt sah mit sehr wenig Strom und Spannung auskommen.
Was eigentlich einen hohen Widerstand bedeutet. Je kleiner der Strom desto höher der Widerstand bei konstanter Spannung (ohmsches Gesetz)
Ich nehme jetzt an, dass die geringe Größe der internen Ströme die Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie minimiert.
Richtig ja. Das und die Strukturgröße was zu kleineren Kapazitäten und Schaltverlusten führt.
Der hohe Widerstand am Eingangs-Pin ist wohl schon eine Schutzvorrichtung
HHatdamit nichts zu tun. ESD Schutz ist wieder ein eigenes Thema und wird über Clamping Dioden gemacht. Sobald du die Versorgungsspannung des uC um 0.3V an einem Pin überschreitest wird der relativ Niederohmig um die Impulsenergie in die Supplyrail zu leiten und weg von der sensiblen Elektronik.
Beim Löten sollten auch Elektronen an den Pins angeregt werden, die ohne Schutzwiderstände den uC-Eingang passierten.
Wie kommst du darauf? Klar entstehen Thermospannungen aber da ist so wenig Energie dahinter, dass die die Elektronik nicht schädigen.
Ein GPIO eines uC ist im übrigen recht niederohmig wenn der uc nicht versorgt wird. Daher sollte man an einen nicht versorgten uC auch keine Signale anhängen.
was die Leiterbahnen und Bauelemente im uC vermutlich zum durchbrennen brächte, da die verhältnismäßig hohe Stromstärke bei dünnem Leiterquerschnitt diese erwärmte wie Toasterheizdrähte.
WIe gesagt die sind wenn überhaupt vorhanden ziemlich gering. Die thermische Elektronenbewegung ist ungerichtet und daher kommt es da auch nicht zu Spannungen. Nur der Seebeck Effekt kann wirken aber der ist äußerst schwach und beim Löten im Ofen hat alles eine ähnliche Temperatur womit der hier gar nicht wirklich zum tragen kommt.
Die Wärme könnte eventuell auch Dotierungen von Halbleitern aufschmelzen und sich vermischen lassen, was diese zerstörte.
Sie könnte über längere Dauer zu einer Diffusion führen, aber dazu muss es sehr lange sehr sehr heiß sein. Also dieser Effekt tritt auch bei ungeschützten Halbleitern beim normalen löten nicht auf.
Auch wenn man einen uC ohne Stromfluss durch die Eingänge, z.B. reibungslos mit Gummihandschuhen
EherKontraproduktiv da Gummi elektrostatische Ladungen sammelt und die können den uC zerstören. Idr nimmt man für ESD Schutz Verbindungen mit definiertem Widerstand im Megaohm Berreich. Das hat zur Folge dass sich Elektrostatische Ladungen ausgleichen können und der Stromfluss dadurch aber auch nicht zu hoch wird.
Hat aber nichts mit dem Eingangswiderstand zu tun.
Größere Ströme bedürften größerer Leiterquerschnitte und Kondensatoren, Transistoren u.s.w. Daher ist es sinnvoll möglichst mit geringen Stromfluss auszukommen, bzw. Eingangsströme mit großen Widerständen möglichst zu verkleinern.
Richtig allen vorran steht hier aber Effizienz und Rückwirkungsfreiheit. Ein Pin mit hohem Eingangswiderstand hat kaum Einfluss auf die Schaltung die an diesem Pin angeschlossen ist.
Und natürlich wird dadurch auch der Stromfluss minimiert. Was die Effizienz steigert und das ist der eigentliche Grund warum man hier hohe Eingangswiderstände will.
Ohne Pulldown-Widerstand wäre der Eingangspin des Prozessors undefiniert. Kleinste Störungsignale können eine ungewollte Spannung an diesem Pin entstehen lassen, die der Prozessor als High interpretiert.
Mit dem Pulldown-Widerstand legst Du den Pin definiert auf Masse, also low.
Wenn der Schalter geschlossen wird, legst Du den Eingangspin auf Plus 5V, also high.
Daß ein Widerstand ca. 4,7 kOhm notwendig ist, liegt daran, daß Du ohne Widerstand (d.h. Widerstand 0 Ohm) einen Kurzschluß bauen würdest, sobald der Schalter geschlossen wird.
Da der Prozessoreingang sehr hochohmig Zmc>>Rpulldown ist, braucht der Widerstand nicht kleiner als ca. 4,7kOhm zu sein. Deine Anmerkung R>Zmc ist falsch.
Bei 5V und 4,7kOhm fließt bei geschlossenem Schalter ein vernachlässigbar kleiner Strom I =5V/4,7kOhm = 1 mA durch den Widerstand. D.h. der Widerstand hat keinen nachteiligen Einfluß auf die Funktion der Schaltung.
Vielen Dank. Ich hätte nicht erwartet, dass Microcontroller einen so hohen Widerstand am Eingang haben. Jetzt verstehe ich es.
Kannst Du ausrechnen: Pullup-Widerstand anschließen und Spannungsabfall über dem Widerstand messen. Dürfte in der Größenordnung von 0,1V liegen.
Die Internen Pulldowns der meisten uC liegen im Berreich von 50k.
Auch 100k oder 1M sind als Pulldown meist kein Problem, ist aber eben eine Frage der erforderlichen Störfestigkeit.
Wenn der µC einen internen Pulldown hat, dann bei rund 50kOhm. Nicht kleiner, weil es sonst nicht praktikabel wäre, zusätzlich einen externen Pullup anzuschließen.
- Externer Pulldown könnte dann entfallen. Eingangspin ist unbeschaltet auf low 0V
- Externer Pullup 4,7kOhm ergäbe einen Spannungsteiler mit ca. 4,6V am Eingangspin, was für high hinreichend ist.
Auch 100k oder 1M sind als Pulldown meist kein Problem
Nein. Ergäbe keinen Sinn, wenn intern bereits 50kOhm geschaltet sind. Das gilt nur bei einen µC ohne internen Pulldown.
Die Pulldowns bei so gut wie allen uC (die Atmega eingeschlossen) sind Schaltbar. Entweder man verwendet einen externen oder einen Internen beide gleichzeitig machen keinen Sinn.
Es macht auch keinen Sinn einen Pullup/Down zu schalten wenn der Pin von einer Treiberschaltung getrieben wird.
Im übrigen sind die Pulldown Widerstände im uC eigentlich keine wirklichen Widerstände sondern Fets die eben so dimensioniert sind dass sie um die 50k Widerstand haben, diese direkt schaltbar zu machen ist daher naheliegend. Natürlich ist der tatsächliche Widerstandswert von diesen relativ großen Toleranzen unterworfen.
Ich nahm an, dass uC nur sehr kleine Widerstände verbaut haben, da ein paar uC, von denen ich das Datenblatt sah mit sehr wenig Strom und Spannung auskommen. Ich habe Widerstände mit Effizienzverlusten einhergehend angenommen, da ja Wärme durch erhöhte Reibung entsteht, wenn die Elektronen einen passieren wollen. Je stärker und länger die Leiterbahnverengung ist, desto mehr Reibung müsste bei gleichem Stromfluss entstehen. Ich nahm an, dass die Widerstände möglichst gering sein sollten, um möglichst wenig elektrische Energie unabsichtlich in Wärmeenergie umzuwandeln.
Ich nehme jetzt an, dass die geringe Größe der internen Ströme die Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie minimiert. Der hohe Widerstand am Eingangs-Pin ist wohl schon eine Schutzvorrichtung vor Störsignalen auf das ungeplante Ströme, wie z.B. elektrostatische Entladungen, möglichst nicht durch den uC fließen und als Signal gewertet werden, da die Pins anders als bei einem Leiter meist nicht mit Gummierung oder einer Schutzschicht von äußeren nicht eingeplanten Strömen isoliert werden. Beim Löten sollten auch Elektronen an den Pins angeregt werden, die ohne Schutzwiderstände den uC-Eingang passierten.
Stimmt meine Annahme wären die internen Widerstände an den Eingangs-Pins theoretisch bei Steckverbindungen nicht nötig, wenn man sie danach isolierte.