プルアップ抵抗とは何ですか?また、どのように使用しますか?

プルアップ抵抗は多くのデジタル回路に不可欠です。 プルアップ抵抗の仕組みと使用方法について説明します。

LED を点灯させるために押しボタンが必要なデジタル回路を作成するイメージ。 回路を適切に配線し、プッシュボタンの一端をデジタル入力に接続し、もう一端をアースに接続します。 最後に電源を供給すると、スイッチを押さなくてもLEDが点滅することに気づきます。

このような状況を観察したことがある場合は、デジタル回路にプルアップ抵抗を追加するのを忘れている可能性があります。 では、プルアップ抵抗とは一体何でしょうか? それはどのように機能し、どのように使用しますか?

プルアップ抵抗は、回路のロジックやプログラミングに干渉する可能性のある不要な信号を避けるためにデジタル回路に追加する抵抗です。 これは、他のアクティブなデバイスがラインを駆動していないときに、入力ラインを正または VCC にバイアスまたはプルする方法です。 ラインを VCC に引くと、ラインのデフォルト状態が 1 または true に事実上設定されます。

すべての入力ピンのデフォルト状態を設定することは、フローティング状態中に生成されるランダム信号を回避するために重要です。 入力ピンは、グランドや VCC などのアクティブな電源から切断されるとフローティング状態になります。

プルアップ抵抗は通常、マイクロコントローラーやシングルボード コンピューターを使用するデジタル回路で使用されます。

デジタル回路でモーメンタリー スイッチを使用する場合、スイッチを押すと回路が閉じ、true または high がマイクロコントローラーに送信されます。 ただし、スイッチを解除しても、入力ピンがそのような信号を送信するのを必ずしも停止できるわけではありません。

スイッチを介して接続を切断すると、空気以外の何ものにも接続されなくなるためです。 これにより、ラインがフローティング状態になり、環境からの信号により、いつでもピンが High になる可能性があります。

これらの浮遊信号が回路に記録されるのを防ぐには、グランドが検出されなくなったときに入力ラインが High を記録し続けるのに十分な電圧を入力ラインに注入する必要があります。 ただし、スイッチ/センサーがラインをグランドに接続するとすぐに回路が短絡するため、VCC を入力ラインに直接接続することはできません。

プルアップ電圧の短絡を避けるために、抵抗を使用する必要があります。 適切な値の抵抗を使用すると、フローティング ラインの電圧が高く上昇するのに十分な電圧が得られると同時に、回路が早まって短絡しないように十分に低い電圧が確保されます。 抵抗の量は、回路が使用しているロジックのタイプによって異なります。

プルアップ抵抗の抵抗値を適切に計算するには、回路が動作するためにどのようなロジック タイプを使用しているかを知る必要があります。 回路が使用するロジック ファミリによって、プルアップ抵抗に必要な抵抗値が決まります。

ロジックにはいくつかの種類があります。 そのうちのいくつかを次に示します。

略語

名前

回路例

最小 V オン

最大 V オフ

CMOS

相補型金属酸化物半導体

DSP、ADC、DAC、PPL

3.5

1.5

TTL

トランジスタ間ロジック

デジタル時計、LEDドライバー、メモリー

2.0

0.8

ECL

エミッタ結合ロジック

レーダー、レーザー、粒子加速器

-1.5

-1.8

DTL

ダイオードトランジスタロジック

フリップフロップ、レジスタ、オシレータ

0.7

0.2

どのロジック ファミリを使用しているかわからない場合は、ECL と DTL は時代遅れであるため、回路で CMOS または TTL ロジック ファミリが使用されている可能性が非常に高くなります。 「74」または「54」を接頭辞として持つチップ マーキングは通常 TLL チップであり、「CD」または「MC」を伴うチップ マーキングは CMOS チップを示します。 それでも不明な場合は、オンラインでデータシートを簡単に検索することで、コントローラーが使用しているロジック ファミリを簡単に見つけることができます。

さまざまな種類のロジック ファミリとその最小オン電圧​​と最大オフ電圧を理解したところで、プルアップ抵抗の値の計算に進むことができます。

正しい抵抗値を計算するには、3 つの値が必要です。 回路が使用しているロジック ファミリの最小オン電圧​​、回路の電源電圧、入力リーク電流。これらはデータシートまたはマルチメータを使用して確認できます。

すべての変数を取得したら、それらを次の式に代入するだけです。

抵抗値 = (電源電圧 - ロジック High 電圧) / 入力リーク電流

たとえば、回路が TTL を使用し、入力ラインが 5V で 100uA を使用しているとします。 TTL の高電圧を上げるには最低 2V、低電圧を上げるには最大 0.8 ボルトが必要であることがわかっています。 これは、プルアップ抵抗から出る適切な電圧が 3V ～ 4V である必要があることを意味します。電圧は 2V より高く、電源電圧である 5V を超えてはいけないためです。

与えられた値は次のようになります。

変数を取得したので、それらを式に代入してみましょう。

(5V - 4V) / 100μA = 10,000オーム

プルアップ抵抗は 10,000 オーム (10 キロオームまたは 10kΩ) である必要があります。

プルアップ抵抗は通常、回路のデジタル プログラミングへの不要な干渉を避けるためにデジタル回路で使用されます。 デジタル回路が入力デバイスとしてスイッチやセンサーを使用している場合は、プルアップ抵抗を使用できます。 また、プルアップ抵抗は、入力ピンがグランドに接続されている場合にのみ有効です。 入力ピンが VCC に接続されている場合は、代わりにプルダウン抵抗を使用するとよいでしょう。

プルアップ抵抗を使用するには、入力デバイスに接続する入力ラインを見つける必要があります。 特定したら、前に説明した式を使用して抵抗の値を計算します。 回路にそれほど精度が必要ない場合は、単純に 1kΩ ～ 10kΩ の範囲の抵抗値を使用できます。

適切な値の抵抗を用意したので、プルアップ抵抗の一端を VCC に、もう一端を入力デバイスと MCU の間に配置できます。 おめでとう！ これで、プルアップ抵抗とは何か、およびその使用方法がわかりました。

Arduino ボードなどの一部のマイクロコントローラーや Raspberry Pi などの SBC には、外部プルアップ抵抗の代わりにコード内でトリガーできる内部プルアップ抵抗があります。

要約すると、プルアップ抵抗は、近くの干渉から回路を保護するのに役立つ重要なコンポーネントです。 入力ピンのデフォルト状態を High に設定することで、ランダムな信号が回路のロジックやプログラミングに干渉するのを防ぎます。 使い方がわかったので、次のプロジェクトに適用して、新しく得た知識を定着させたいと思うかもしれません。

ジェイリック・マニングは、物事がどのように機能するかを知りたくて、10 代前半からあらゆる種類の電子機器やアナログ機器をいじり始めました。 彼はバギオ大学で法医学を学び、そこでコンピューター法医学とサイバーセキュリティについて学びました。 彼は現在、多くの独学でテクノロジーをいじくり回して、それがどのように機能するのか、そしてそれをどのように使用して生活を楽にする (または少なくともクールになる) ことができるのかを考え出しています。