مقاومت‌های pull up و pull down

اگر یک برد الکترونیکی طراحی می‌کنید در اغلب موارد نیاز به استفاده از حداقل یکی از ادواتی از جمله گیت‌ منطقی دیجیتال، ICها و یا میکروکنترلرها دارید. این ادوات دیجیتال دارای ورودی و خروجی‌های زیادی هستند که “پین” نامیده ‌می‌شوند و می‌توانند تنها یکی از دو حالت منطقی صفر(LOW) یا یک(HIGH) باشند.

برای عملکرد صحیح برد الکترونیکی، در هر لحظه این پین‌ها باید به درستی مقدار‌دهی شوند. اگر یک پین دارای ولتاژی شود که صفر یا یک بودن آن با قطعیت مشخص نباشد، یعنی ممکن است HIGH به اندازه کافی زیاد و یا LOW به اندازه کافی کم نباشد که صفر یا یک در نظر گرفته شود، در این صورت برد الکترونیکی شما به درستی کار نخواهد کرد و عملکردی تصادفی خواهد داشت. بنابراین توصیه می‌شود پیش از شروع طراحی برد الکترونیکی ابتدا تمام حالت‌های ممکن برای پین‌ها را مشخص کنید به طوریکه هر پین در هر لحظه مقدار مشخصی داشته باشد .

به عنوان مثال، مدار دیجیتال ساده زیر را در نظر بگیرید. سوئیچ‌های “a” و “b” نمایانگر ورودی‌ها هستند. هنگا‌می‌که سوئیچ “a” بسته است (روشن)، ورودی “a” به زمین، یا سطح منطقی صفر متصل است و همین ترتیب برای سوئیچ “b” نیز برقرار است.

 

 

 

حال هنگا‌می‌که سوئیچ “a” (خاموش) باز شود، مقدار ولتاژ ورودی “”a چیست؟ HIGH یا LOW؟ آیا می‌توانید با قطعیت بگویید؟ در واقع تنها چیزی که می‌توان با قطعیت گفت این است که این ولتاژ عددی بین صفر و پنج ولت است و ورودی در هر لحظه می‌تواند با تغییر بسیار اندکی حتی ناشی از نویزهای محیط مقدار HIGH یا LOW بگیرد و همانطور که حدس می‌زنید عملکرد مدار کاملا تصادفی و غیر قابل پیش‌بینی خواهدشد!

آیا شما هم به مدار زیر به عنوان راه‌حل فکر می‌کنید؟

 

 

در این حالت برای جلوگیری از نامشخص بودن ورودی‌ها در هنگام باز بودن کلید آن را به VCC وصل کرده‌ایم. ظاهرا مشکل حل شده است. هنگام باز کردن سوئیچ “a”، ورودی به VCC (+ 5V) و هنگا‌م بسته بودن سوئیچ نیز ورودی مانند گذشته به زمین متصل ‌می‌شود. بنابراین ورودی‌های “a” یا “b” همیشه بدون در نظر گرفتن موقعیت سوئیچ حالت مشخصی دارند. اما، هنوز یک مشکل بزرگ وجود دارد! در حالتی که سوئیچ ها بسته‌اند یک اتصال کوتاه مستقیم بین منبع تغذیه و زمین برقرار ‌می‌شود که با عبور جریان زیادی همراه خواهدبود و باعث آسیب به مدار ‌می‌شود.

یکی از راه‌های غلبه بر این مسئله، استفاده از مقاومت است.

 

 

از مقاومت‌هایی pull up و pull down به منظور بایاس صحیح ورودی‌های یک گیت منطقی دیجیتال استفاده ‌می‌شود. معمولا هنگام استفاده از میکروکنترلر‌ها به خصوص زمانی که بخواهیم پایه‌های آن را به کلید وصل کنیم. برای اطمینان از اینکه مقادیر پایه‌ها همیشه در یک حالت شناخته شده قرار دارد اصطلاحا ‌می‌گوییم پایه را pull up یا pull down می‌کنیم. چرا که پایه‌های میکرو به شدت نسبت به نویزهای محیط حساس بوده و این نویز‌ها ‌می‌توانند عملکرد مدار را دچار اختلال کنند.

 

مقاومت‌های pull up مقاومت‌هایی هستند که سبب می‌شوند، یک پایه(پین یا ورودی) در حالتی که سیگنال ورودی ندارد، دارای ولتاژ HIGH یا یک منطقی باشد.

 

 

مقاومت‌های pull down مقاومت‌هایی هستند که سبب می‌شوند یک پایه(پین یا ورودی) در حالتی که سیگنال ورودی ندارد، دارای ولتاژ LOW یا صفر منطقی باشد.

 

 

برای انتخاب مقدار مناسب مقاومت pull up باید به دو نکته توجه کرد. نکته اول توان مصرفی است. اگر مقدار مقاومت خیلی کم باشد، هنگام بسته بودن سوئیچ، جریان زیاد از طریق مقاومت عبور می‌کند، که باعث اتلاف توان و گرم شدن برد الکترونیکی ‌می‌شود. نکته دوم مقدار ولتاژ پین هنگام باز بودن سوئیچ است. اگر مقدار مقاومت خیلی بالا باشد، همراه با نشت جریان پین ورودی، ولتاژ ورودی هنگام باز کردن سوئیچ کافی نخواهدبود. مقدار واقعی این مقاومت متناسب با امپدانس و جریان نشتی پین ورودی است. بر اساس تجربه ‌می‌توان گفت معمولا مقدار این مقاومت حداقل ۱۰ برابر کوچکتر از مقدار امپدانس پین ورودی است.

معمولا در مدارات منطقی دو قطبی bipolar که با ولتاژ VCC پنج ولت کار می‌کند مقدار این مقاومت بین ۱ تا ۵ کیلو اهم انتخاب ‌می‌شود. البته استفاده از مقدار مقاومت بزرگ باعث کند شدن پاسخ پین ورودی به تغییر ولتاژ ‌می‌شود. این اتفاق نتیجه کوپلینگ بین مقاومت pull-up و ظرفیت خازنی سیم حامل جریان است که یک مدار RC را تشکیل ‌می‌دهد. چرا که هر چه حاصل ضرب R و C بزرگتر باشد، زمان بیشتری برای شارژ و دشارژ خازن لازم است و به تبع آن عملکرد برد الکترونیکی کندتر خواهدشد.

 

خازن‌های کوپلینگ و دکوپلینگ

ممکن است هنگام طراحی برد الکترونیکی با وجود استفاده از یک منبع تغذیه پایدار و تنظیم شده، برد الکترونیکی طراحی شده مطابق انتظار عمل نکند و یا مثلا بعد از اتمام کار مونتاژ، مدارهای آنالوگ در برد الکترونیکی مثلا تقویت‌کننده‌های صوتی نویز قابل شنیدن در پس زمینه ایجاد کنند یا مدارهای دیجیتالی در برد الکترونیکی مانند میکروکنترلرها ممکن است ناپایدار و غیر قابل پیش‌بینی شوند. در اغلب موارد می‌توان ایراد کار را در دقیق نبودن ولتاژ منبع یافت. لذا می‌توان پیش از شروع طراحی برد الکترونیکی برای این حالت‌های نامطلوب راه‌حلی یافت!

 

خازن‌های دکوپلینگ

خازن‌ها مانند باتری‌ها برای شارژ و دشارژ به زمان نیاز دارند؛ لذا مانعی برای تغییرات سریع ولتاژ محسوب ‌می‌شوند. بنابراین اگر ولتاژ ورودی به طور ناگهانی کاهش یابد، خازن انرژی لازم را برای پایداری ولتاژ فراهم ‌می‌کند. به همین ترتیب، اگر یک spike ولتاژ وجود داشته باشد، انرژی اضافی را جذب ‌می‌کند. یک خازن دکوپلینگ به عنوان مخزن انرژی الکتریکی محلی عمل کرده و برای فیلتر کردن spike ولتاژ و تنها عبور قسمت DC سیگنال استفاده می‌شود. هدف، استفاده از خازن به گونه‌ای است که با جذب یا از بین بردن نویز، سیگنال DC را تا حد امکان صاف کند. به همین دلیل، به آن‌ها خازن بای پس (by pass) گفته ‌می‌شود .

در فرکانس‌های بالا این خازن به صورت اتصال‌ کوتاه عمل خواهدکرد و مانع اعمال ولتاژ AC فرکانس ‌بالا به دو سر قطعه موازی با خودش ‌‌می‌شود. به عبارت دیگر برای فراهم‌ آوردن یک مسیر با امپدانس کمتر برای جریان AC در کنار یک عنصر مداری استفاده ‌‌می‌شود.

 

در سیستم‌های دیجیتال، تقریباً از تمام خازن‌های موجود در برد الکترونیکی ‌می‌توان برای دکوپلینگ استفاده کرد.

 

دکوپله کردن منبع تغذیه

برخی قطعات از جمله میکروکنترلر‌ها و میکروپروسسورها برای عملکرد صحیح به منبع تغذیه بسیار دقیق نیاز دارند. اگر spike ولتاژ وجود داشته باشد، برنامه بارگذاری شده در پردازنده ممکن است ترتیب دستورالعمل‌ها را از دست داده و رفتار غیر قابل پیش‌بینی داشته باشد. بر اساس تجربه در یک برد الکترونیکی دیجیتال استفاده از یک خازن سرامیکی ۱۰۰ نانوفاراد برای هر مدار یکپارچه منطقی و همچنین یک خازن الکترولیتی بزرگتر (تا چند صد میکروفاراد) در هر بخش از مدار مناسب است. خازن الکترولیتی بزرگ بیشتر انرژی در مدار را ذخیره ‌می‌کند و فرکانس‌های پایین‌تر را دکوپله ‌می‌کنند اما چون گیت‌های منطقی ‌می‌توانند در فرکانس‌هایی بسیار بالا کار کنند لذا در موارد فرکانس بالا ترجیح بر این است از خازن‌هایی سرامیکی برای دکوپلینگ استفاده شود. برای رسیدن به بهترین نتیجه، خازن دکوپلینگ باید تا حد امکان نزدیک به تراشه قرار گیرد.

شکل زیر استفاده از خازن‌های دکوپلینگ برای گیت منطقی  NAND را نشان ‌می‌دهد (پین ۱۴ به ولتاژ منبع تغذیه و پین ​​۷ به زمین متصل است):

 

 

دکوپله کردن بارگذرا

مدارهای منطقی از میلیون‌ها گیت منطقی ساخته شده‌اند که دائماً حالت‌های خروجی آنها بین ON و OFF تغییر ‌می‌کند، به این معنی که بسیاری از ترانزیستورها در یک ثانیه به دفعات بسیار زیادی روشن و خاموش ‌می‌شوند و با هر سوئیچ، این ترانزیستورها چیزی که بار گذرا نامیده ‌می‌شود، تولید ‌می‌کنند. در نتیجه، جریان در حال نوسان است و نویزی ایجاد ‌می‌کند که به منبع تغذیه باز ‌می‌گردد. خازن‌هایی که برای دکوپلینگ استفاده ‌می‌شود، علاوه بر محافظت از منبع تغذیه در برابر نویزهای الکتریکی ایجاد شده در برد الکترونیکی، وظیفه محافظت از برد الکترونیکی در برابر نویزهای تولید شده توسط سایر دستگاه‌های متصل به همان منبع تغذیه را نیز بر عهده دارد.

 

خازن‌های کوپلینگ

بر خلاف خازن‌های دکوپلینگ که به موازات مسیر سیگنال متصلاند و برای فیلتر کردن مؤلفه AC استفاده ‌می‌شوند خازن‌های کوپلینگ به صورت سری به مسیر سیگنال متصل شده و برای فیلتر کردن جزء DC یک سیگنال استفاده‌ می‌شوند. این روش در بردهای الکترونیکی آنالوگ و دیجیتال زیادی استفاده ‌می‌شوند.

در بردهای آنالوگ، خازن‌های کوپلینگ به طور گسترده در تقویت‌کننده‌ها استفاده ‌می‌شود. ولتاژ بایاس یک ترانزیستور برای عملکرد طبیعی تقویت‌کننده بسیار مهم است. نقش خازن‌های کوپلینگ، جلوگیری از تداخل سیگنال AC ورودی و ولتاژ بایاس اعمال شده به پایه بیس ترانزیستور است به طوریکه سیگنال از طریق یک خازن اتصال سریال متصل به پایه ترانزیستور هدایت ‌‌شود.

در بردهای دیجیتال، به ویژه در سیستم‌های مخابراتی، از خازن‌های کوپلینگ برای مسدود کردن سیگنال DC در خط انتقال استفاده ‌می‌شود. وجود سیگنال DC در خط انتقال به معنای اتلاف انرژی به صورت گرما توسط مقاومت خط انتقال است.

در شکل زیر استفاده از خازن‌های کوپلینگ را مشاهده می‌کنید:

 

 

PWM

یکی از مواردی که همواره طراحان در تلاش برای رسیدن به آن هستند استفاده بهینه از منابع انرژی در مدار است. شما می‌توانید پیش از شروع طراحی برد الکترونیکی، ادوات پر‌مصرف احتمالی را پیش‌بینی کرده و به دنبال راه‌حلی برای آنها باشید.

همانطور که می‌دانید از PWM برای تولید سیگنال‌های آنالوگ از ادوات دیجیتال مانند میکروکنترلرها استفاده می‌‍‌‌شود در واقع یک PWM  را می‌توان عکس مبدل آنالوگ به دیجیتال فرض کرد. Pulse Width Modulation نوعی مدولاسیون است که در آن عرض پالس تغییر می‌کند برای مثال سیگنال PWM با فرکانس ۶۰ هرتز و چرخه کاری ۷۰درصد، در یک دوره تناوب، ۷۰درصد زمان روشن و ۳۰ درصد خاموش است. سیگنال های PWM کاربرد‌های گسترده‌ای دارند، یکی از کاربرد‌های مهم و مورد علاقه طراحان بردهای الکترونیکی صرفه جویی در مصرف انرژی در مدارهای LED و موتورهاست.

 

 

هنگامی که ما از این سیگنال‌ها برای روشن کردن LED یا راه‌اندازی موتور استفاده می‌کنیم، فقط برای ۷۰درصد کل بازه زمانی جریان عبور می‌کند و در ادامه جریان قطع است. این اتفاق با فرکانس ۶۰ هرتز بسیار سریع‌تر از پاسخ موتور یا LED  است. در واقع ما خاموش شدن آن‌ها را حین قطع جریان متوجه نمی‌شویم. درنتیجه علاوه بر اینکه عملکردی که از موتور یا LED انتظار می‌رفت حاصل شد، در مجموع انرژی مصرفی نیز کاهش یافت. بنابراین هنگام طراحی یک برد الکترونیکی به خصوص زمانی که LED یا موتور جریان‌کشی بالایی دارند، استفاده از PWM باعث می‌شود در مصرف توان صرفه جویی شود.

 

جفت دارلینگتون

در طراحی برد الکترونیکی در مواردی احتمالا به استفاده از جریان بالا و تقویت جریان نیاز پیدا خواهیدکرد بنابراین پیش از شروع طراحی، باید برای این مسئله راه‌حلی بیابید. روش‌های متنوعی برای این کار در یک برد الکترونیکی وجود دارد که عمدتا استفاده از ترانزیستورهاست. گین جریان DC برای ترانزیستورهای توان بالای NPN یا PNP استاندارد نسبتاً کم است، این بدان معناست که، به جریان‌هایی بیس بزرگی نیاز دارند. آرایش دارلینگتون متشکل از دو ترانزیستور است که یکی از آنها حامل جریان اصلی و دیگری ترانزیستور سوئیچینگ فراهم‌کننده جریان بیس برای ترانزیستور اصلی است. در نتیجه ‌می‌توان از یک جریان بیس کوچک برای سوئیچینگ جریان بسیار بزرگتر استفاده کرد زیرا گین جریان DC دو ترانزیستور در هم ضرب شده و ترکیب آن‌ها را ‌می‌توان به عنوان یک ترانزیستور منفرد با گین بسیار بالا و البته مقاومت ورودی بالا در نظر گرفت.

بنابراین یکی از بهترین راه‌ها برای تقویت جریان استفاده از جفت دارلینگتون است. یک جفت دارلینگتون دارای گین جریان ۱۰۰۰ یا بیشتر است؛ به طوری که فقط یک جریان کوچک بیس لازم است تا یک جریان بزرگ بین کلکتور و امیتر را کنترل کند. جفت دارلینگتون ترکیب خاصی از دو ترانزیستور(BJT) استاندارد NPN یا PNP و یا هر دو است که به هم متصل شده‌اند. بدین صورت که امیتر یکی از ترانزیستورها به بیس ترانزیستور دیگر متصل شده است تا یک ترانزیستور حساس‌تر با گین جریان بسیار بزرگتر برای استفاده در مواقعی که تقویت جریان و یا سوئیچینگ مورد نیاز است مفید باشد.

 

 

یکی از مضرات استفاده از جفت دارلینگتون در برد الکترونیکی، حداقل افت ولتاژ بین بیس و امیتر در هنگام اشباع کامل است. برخلاف ترانزیستورها که دارای ولتاژ اشباع بین ۰.۳ تا ۰.۷ ولت اند، افت ولتاژ بیس-امیتر برای یک جفت دارلینگتون دو برابر این مقدار (حدود ۱.۲ولت) ‌می‌باشد. این افت ولتاژ بالا به این معنی است که جفت دارلینگتون ‌می‌تواند از یک ترانزیستور دوقطبی معمولی برای جریان بار معین داغ‌تر شود و به همین دلیل به هیت سینک نیاز دارد. همچنین، جفت دارلینگتون زمان پاسخ on-off کندتری دارند، زیرا مدت زمانی طول ‌می‌کشد تا ترانزیستور TR1 بتواند ترانزیستور TR2 را به صورت کامل روشن یا خاموش کند.

برای غلبه بر پاسخ کندتر، افت ولتاژ بالاتر و گرم شدن، ‌می‌توان از پیکربندی معادل جفت دارلینگتون که در آن از هر دو نوع ترانزیستور‌های BJT یعنی PNP و NPN استفاده ‌می‌شود، استفاده کرد که در شکل زیر مشاهده می‌کنید. البته باید ذکر شود کماکان پاسخ جفت دارلینگتون نسبت به یک ترانزیستور کندتر است.

 

 

فیدبک

اخرین مورد از اصول اولیه پیش از شروع طراحی برد الکترونیکی، فیدبک است. هدف از طراحی برد الکترونیکی هر سیستم کنترلی الکتریکی یا الکترونیکی، اندازه‌گیری، نظارت و کنترل یک فرآیند است. برای اینکه بتوانیم فرآیند را به طور دقیق کنترل کنیم نیاز به نظارت بر خروجی سیستم، مقایسه خروجی واقعی و خروجی مطلوب و محاسبه‌ خطا داریم به طوریکه در راستای کاهش خطا، ورودی جدیدی به سیستم اعمال کنیم تا خروجی مطلوب حاصل گردد. مقدار خروجی اندازه‌گیری شده “سیگنال فیدبک” نامیده می‌شود، و نوع سیستم کنترلی که از سیگنال‌های فیدبک برای کنترل و تنظیم خود استفاده می‌کند، یک سیستم حلقه بسته نام دارد. اگر در طراحی یک برد الکترونیکی برای هدفی خاص، مقدار خروجی نهایی دستگاه هیچ تأثیری در ورودی فرآیند کنترلی نداشته باشد، نوع کنترل حلقه باز و بدون فیدبک نامیده می‌شود.

 برخی از مزایای طراحی برد الکترونیکی با در نظر گرفتن فیدبک به شرح زیر است:

• تنظیم ویژگی‌های مداری مانند کنترل گین ولتاژ یا جریان مستقل از شرایط عملیاتی از قبیل ولتاژ منبع تغذیه یا تغییر دما
• کاهش اعوجاج سیگنال‌ها به دلیل غیرخطی بودن اجزا
• کنترل دقیق پاسخ فرکانسی، گین و پهنای باند یک مدار یا سیستم
• کاهش خطاها با تنظیم خودکار ورودی‌ها
• بهبود پایداری سیستم‌های ناپایدار
• افزایش یا کاهش حساسیت سیستم
• قوام در برابر اغتشاشات خارجی
• ایجاد عملکرد قابل اعتماد(reliable) و تکرار شونده(repeatable)

برد‌های الکترونیکی دارای فیدبک آنالوگ ساده را می‌توان با استفاده از اجزای گسسته مانند ترانزیستورها، مقاومت‌ها و خازن‌ها و غیره ایجاد کرد. هم‌چنین می‌توان با استفاده از مدارهای مبتنی بر ریزپردازنده و (IC) در برد‌های الکترونیکی پیچیده‌تر فیدبک دیجیتال ساخت. بردهای الکترونیکی دارای فیدبک، کاربرد‌های فراوانی در مدارهای تقویت کننده، اسیلاتورها، سیستم‌های کنترل فرآیند و همچنین انواع دیگر سیستم‌های الکترونیکی دارند. مدل اصلی فیدبک به شرح زیر است:

 

 

همانطور که در شکل زیر آمده است، فیدبک‌ها به دو نوع عمده فیدبک مثبت و فیدبک منفی تقسیم می‌شوند که در جدولی در ادامه مقایسه شده‌اند. پیش از شروع طراحی، بسته به نوع و کاربرد برد الکترونیکی خود، در وجود فیدبک و نوع آن باید تصمیم بگیرید.

 

 

 

 

 

 

سخن آخر

در این مقاله مطالبی عنوان شد که پیش از شروع طراحی برد الکترونیکی باید به آن پرداخته شود. احتمالا در طراحی هر برد الکترونیکی به این موارد برخورد خواهیدکرد. باید بدانید انتخاب دقیق مقادیر قطعات مختلف متناسب با نوع مدار است و این یکی از توانایی‌های یک طراح خوب است. امیدوارم نکات گفته شده تاثیر مثبتی در روند طراحی داشته و پاسخی مناسب به برخی چالش‌های مطرح شده هنگام طراحی برد الکترونیکی باشد. مطمئنا نکات بسیار زیاد دیگری نیز وجود دارد که در طراحی‌هایتان متوجه آن‌ها شده‌اید و چه بسا باید پیش از شروع طراحی آن‌ها را در نظر میگرفتید.

 

 

 

برگرفته از https://nojhanco.ir/articles/start-design-electronic-board/