Pull-up/down Widerstand berechnen

Durch den Pulldown Widerstand soll kein konstanter Strom fließen. Er 
soll dafür sorgen, dass der Pin in einem definierten (und) Zustand ist 
wenn keine Spannung anliegt und eventuelle Restladungen vom Input 
entfernen.

(und) sollte gnd heißen

Ach so, wenn du rechnen willst:
Er muss gross genug sein um den Eingangspegel nicht runterzuziehen und 
so klein wie du ihn benötigst um die C am Input in akzeptabler Zeit 
wegzubekommen.

F. F. schrieb:
> Du hast offensichtlich den Sinn noch nicht verstanden.
> Lies bitte diesen Artikel:
> https://www.mikrocontroller.net/articles/AVR-Tutorial:_IO-Grundlagen

Dachte ich eigentlich schon, der verlinkte Artikel spricht ja nur vom 
Pull-up und nicht vom Pull-down. Vielleicht habe ich mein Problem 
unzureichend beschrieben?

JE schrieb:
> Durch den Pulldown Widerstand soll kein konstanter Strom fließen.
> Er
> soll dafür sorgen, dass der Pin in einem definierten (und) Zustand ist
> wenn keine Spannung anliegt und eventuelle Restladungen vom Input
> entfernen.

Mir ist schon klar, dass durch den Pull-Down kein konstanter Strom 
fließen soll. Aber bisherige Erklärungen habe ich so verstanden, dass 
der Inputpin trotzdem einen gewissen Strom liefert. Dieser Strom fließt 
durch den Pull-Down ab. Ist dem nicht so?

JE schrieb:
> Ach so, wenn du rechnen willst:
> Er muss gross genug sein um den Eingangspegel nicht runterzuziehen

er soll ihn doch runter, idealerweise auf GND, ziehen oder nicht?

Lasst mich mein Anliegen nochmal etwas anders formulieren:

Es geht nur um den Pull-Down: Ich möchte an einem Eingangspin definiert 
LOW anliegen haben, d.h. die Spannung am Pin darf (in meinem Fall) nicht 
über 1,98 V steigen, solange der Taster geöffnet ist.

Im Fall des gedrückte Tasters: der Widerstand verhindert nur den 
Kurzschluss und sollte möglichst groß sein, damit nicht zu viel Strom 
verheizt wird, richtig?

Im Fall des geöffneten Tasters: der Widerstand zieht den Eingang auf 
GND. Je kleiner der Widerstand, desto näher ist der Inputpegel an GND 
und desto schneller wird die Leitungskapazität entladen, richtig? Es 
fließt ja ein Strom aus dem Eingangspin über den Pull-Down Widerstand 
(der sich leider nicht verhindern lässt und von dem ich vermute, dass es 
der als im Datenblatt als leakage current bezeichnete ist). Daher kann 
ich den Pull-Down nicht beliebig groß machen, sonst wandert der 
Inputpegel über die 1,98 V. Habe ich das tatsächlich falsch verstanden?

Thorsten schrieb:
> Der Pin wird als Input definiert, wie kann er dann noch als Stromquelle
> dienen und Strom vom Pin über den Pull-down nach GND fließen?

Das sind alles parasitäre Restströme. Da ist keine interne Stromquelle 
vorhanden - zumindest nicht bei gewöhnlichen CMOS-Eingängen. Wenn, dann 
steht das im Datenblatt bzw. ist dort genannt, dass der Pin auch offen 
bleiben darf (z.B. trifft man das bei Smartswitchen an).

Du musst also nur dafür sorgen, dass der Input current - gilt für beide 
Richtungen - an dem Pull-Up oder -Down nicht soviel Spannungsabfall 
hervorruft, dass du die Pegel für max. LOW bzw. min. HIGH nicht über- 
bzw. unterschreitest. Die Grenzen sind 0.3·VCC bzw. 0.6·VCC; bei 3.3V 
also muss für LOW <1V und für HIGH > 2V erreicht werden. Heißt: PullDown 
max. 1Meg, PullUp max. 1.3Meg. Praktischerweise bleibt man davon ein 
ganzes Stück weg; auch weil parasitäre Kapazitäten am Pin, an den 
Leitungen usw. das Ganze von verlangsamen. Intern z.B. beträgt der PU 
ca. 50k. Extern mache ich das abhängig von der Nutzung des Pins - 10k 
für einen Taster sind ganz ok, manchmal ist auch 1k besser (lange 
Leitung zum Taster, etwas 'wetting current' für die Kontakte, elektrisch 
verseuchte Umgebung, kritisches Signal usw.).

Da sieht man auch, dass der in beide Richtungen fließen kann - es gibt 
zwei Angaben: einmal für pin low (absolute value) und für pin high 
(absolute value). Und es sind Worst-Case-Angaben.

Der IO current von 40mA ist hier irrelevant, der kommt nur zum Tragen, 
wenn du den Pin als Ausgang verwendest. Und es ist kein Betriebswert, 
sondern er wird in der Rubrik 'Absolute Maximum Ratings' genannt - 
Grenzwerte, die den Baustein gerade noch am Leben lassen, aber dabei 
muss er nicht mehr korrekt funktionieren!

Georg M. schrieb:
> Der CMOS-Aufbau ist symmetrisch gegenüber VDD und GND. Dementsprechend
> symmetrisch sind auch Pull-up und Pull-down und die entsprechenden
> Taster.

Ja, leider nicht ganz. Zumindest unterscheiden sich die 
Datenblattangaben bei min HIGH (0.3·VCC) und max LOW (0.6·VCC).

Thorsten schrieb:
> Im Fall des geöffneten Tasters: der Widerstand zieht den Eingang auf
> GND. Je kleiner der Widerstand, desto näher ist der Inputpegel an GND
> und desto schneller wird die Leitungskapazität entladen, richtig? Es
> fließt ja ein Strom aus dem Eingangspin über den Pull-Down Widerstand
> (der sich leider nicht verhindern lässt und von dem ich vermute, dass es
> der als im Datenblatt als leakage current bezeichnete ist). Daher kann
> ich den Pull-Down nicht beliebig groß machen, sonst wandert der
> Inputpegel über die 1,98 V. Habe ich das tatsächlich falsch verstanden?

Nein, das hast du alles richtig verstanden - nur die 1.98V kann ich 
nicht nachvollziehen (du arbeitest bei 3.3V, da ist die Grenze 
0.3·3.3V!). Wie kommst du auf den Wert?

Gerald K. schrieb:
> Diese Reststrome können in beiden Richtigungen auftreten.

Hatte ich geschrieben.

Sebastian W. schrieb:
> Laut https://www.avrfreaks.net/comment/1961521#comment-1961521 hat ein
> AVR-Input eine parasitäre Kapazität von 2-8pF. Im Datenblatt ist dazu
> leider keine Angabe.

Passt schon in etwa. Aber du hast üblicherweise auch Leitungen zu dem 
Pin, insbesondere bei Tastern. Dann kann das auch das fünf- bis 
zehnfache sein.
Hinzu kommt, dass CMOS-Eingänge häufig eine Mindestslewrate haben 
wollen, meist <<1μs; gut, AVRs trifft das nicht, die haben 
Schmitttrigger.

HildeK schrieb:

> ... - nur die 1.98V kann ich
> nicht nachvollziehen (du arbeitest bei 3.3V, da ist die Grenze
> 0.3·3.3V!). Wie kommst du auf den Wert?

Sorry, falschen Werte gecopy&pasted... ich meinte 0,99 V


Vielen Dank an alle für die sehr hilfreichen Antworten, die haben mir 
sehr geholfen!

LG Thorsten

Einfache Regeln für 98,7% aller Fälle:

Wenn Rpu / Rpd für die Bereitstellung eines definierten Logikpegels
am Eingang eines µCs dienen sollen:

R = Vcc/V * 10 ... 20 kOhm

Wenn Rpu / Rpd für die flotte Pegel-Erfassung von Schaltern/Tastern
nach Gnd / Vcc am Eingang eines µCs dienen sollen:

R = Vcc/V * 0,2 ... 1 kOhm

Simple schrieb:
> Wenn Rpu / Rpd für die flotte Pegel-Erfassung von Schaltern/Tastern
> nach Gnd / Vcc am Eingang eines µCs dienen sollen:

Wer hat dir diese Bären aufgebunden?

Um einen Taster/Schalter ausreichend flott erfassen zu können, brauchst 
du keine Zeitkonstante von wenigen Nanosekunden (Eingangskapazität 
ATmega max 10pF), zumal nur die Steilheit der Loslassflanke vom Pull-up 
bzw. -down bestimmt wird.

Bei mechanischen Kontakten wird der höhere Strom zur Reinhaltung der 
Kontakte benötigt und hängt von der verwendeten Kontaktart ab.
Beitrag "Mindeststrom bei Taster/Schalter für sicheren Betrieb?"

Thorsten schrieb:
> Der Pin ist als Input definiert und es fließt etwas Strom über den
> Pull-up in den µC. Dabei kann über das Ohm'sche Gesetz ausgerechnet
> werden, wie groß der Widerstand sein darf, damit der minimale High-Wert
> des Pins nicht unterschritten wird.

Na ja, wie viel Strom fliesst in so einen uC Eingang ? Unter 1uA.
Welche Spannung reicht für high ? Schau ins Datenblatt des Prozessors 
bei der vorhandenen Betriebsspannung, sagen wir 3.5V also 1.5V 
Spannungsabfall am Widerstand also 1.5MOhm.

> Beim Pull-down

Ist es genau so, nur der Widerstand soll low halten, also unter 1V.

ABER: Die Rechnung ist Quatsch. Der Widerstand gilt für deinen Taster.
Es soll, wenn der Taster gedrückt wird, ein Mindeststrom fliessen, je 
nach Taster kann das 1mA, 100uA sein, schau in dessen Datenblatt.
Wenn der Taster-Mindeststrom geringer ist als schon der eingebaute pull 
up im uC ergibt, meist 90k also 55uA, dann brauchst du keinen externen 
pull up.
Aus Störsicherheitsgründen lässt man trotzdem gern 0.5mA fliessen.

MaWin schrieb:
> Es soll, wenn der Taster gedrückt wird, ein Mindeststrom fliessen, je
> nach Taster kann das 1mA, 100uA sein, schau in dessen Datenblatt.

Endlich weist mal jemand darauf hin, nachdem weiter oben Mega-Ohm 
genannt wurden.

Die Kontakte des Tasters verschleißen frühzeitig, wenn zu wenig Strom 
fließt. Wenn im Datenblatt des Tasters kein Mindest-Strom (Wetting 
Current) angegeben ist, dann gehe ich immer von 1mA bei kleinen Tastern 
aus, bzw. 100mA bei den großen Tastern für Treppenhaus-Beleuchtung.

Stefan ⛄ F. schrieb:
> MaWin schrieb:
>> Es soll, wenn der Taster gedrückt wird, ein Mindeststrom fliessen, je
>> nach Taster kann das 1mA, 100uA sein, schau in dessen Datenblatt.
>
> Endlich weist mal jemand darauf hin, nachdem weiter oben Mega-Ohm
> genannt wurden.

Die genannten Mega-Ohm waren als theoretische Grenze genannt; ein 
Rechenbeispiel. Ich hatte gestern schon weiter Randbedingung aufgeführt, 
auch den Wetting Current für die Tasterkontakte, die dann zu anderen 
Dimensionierungen führen:

HildeK schrieb:
> Extern mache ich das abhängig von der Nutzung des Pins - 10k
> für einen Taster sind ganz ok, manchmal ist auch 1k besser (lange
> Leitung zum Taster, etwas 'wetting current' für die Kontakte, elektrisch
> verseuchte Umgebung, kritisches Signal usw.).

HildeK schrieb:
> Ich hatte gestern schon weiter Randbedingung aufgeführt,

Das habe ich übersehen. Das ist ein oft unterschätztes Thema. Immer wenn 
in meinem Haushalt die Taster von Geräten nach einigen Monaten/Jahren 
schlecht reagierten, lag es an zu geringem Strom (nicht an schlechten 
Tastern). Durch simples verringern der Pull-Widerstände konnte ich das 
Problem stets lösen.

Mohandes H. schrieb:
> Welcher Effekt ist dafür zuständig?

Verschmutzung der Kontakte.

> Und ist das reversibel?

Ja

Stefan ⛄ F. schrieb:
> Durch simples verringern der Pull-Widerstände konnte ich das
> Problem stets lösen.

Mohandes H. schrieb:
> Früher, bei TTL-Gräbern wurde nicht groß gerechnet (außer bei
> Zeitkonstanten natürlich) - da war 10k der Standardwiderstand.

Bei TTL musste der Pull-Down Widerstand < 470 Ohm sein und die Eingänge 
lieferten von alleine mehr als 1mA bei HIGH Pegel.

Mohandes H. schrieb:
> Früher, bei TTL-Gräbern wurde
> nicht groß gerechnet (außer bei Zeitkonstanten natürlich) - da war 10k
> der Standardwiderstand.

Früher (tm) war TTL auch noch TTL. Bei Standard-TTL floss beim Verbinden 
mit Gnd aus einem Eingang, auch ohne Pull-Up Widerstand, ein Strom von 
gut 1mA.

Die 10kΩ haben den Störabstand bei Input High verbessert.

Stefan ⛄ F. schrieb:
> Das habe ich übersehen.
Passiert mir auch (siehe gestern [Lichtgeschwindigkeit]) 😀.
Ich weiß, dass dir der 'Wetting Current' immer wichtig ist bei solchen 
Fragen - das ist auch richtig so.
Diser Strom hat bei jedem Tastertyp einen anderen optimaler Wert und 
auch ein anderen nutzbaren Bereich. Manchmal sollte der Strom möglichst 
klein sein, weil Batteriebetrieb. Beim Taster nicht ganz so tragisch, 
aber der Pin könnte ja ähnlich mit einem Schalter für längere Zeit 
bedient werden sollen. Und ob man zu jedem Taster eine Angabe dazu 
findet, ist auch nicht sicher.
Es gibt auch Tasterkontakte, denen das egal ist, so z.B. den Gummitasten 
wie sie z.B. in einer Fernbedienung zu finden sind.

Selbst bei so einfachen Dingen gibt es nicht nur eine pauschal richtige 
Antwort 😀. Und viele weitere Randbedingungen, die ich teilweise nannte.

Sehr interessante Tipps, vielen Dank! Das Datenblatt meiner Taster gibt 
als minimum Rating (wir dort offensichtlich nicht als wetting current 
bezeichnet) 10 µA @ 1V an. Da müsste ich mit einem 50-100k Widerstand 
doch ganz gut fahren, da dann zwischen 66 und 33 µA fließen. Im 
geöffneten Zustand wird der Input auf 50-100 mV vs. GND gezogen, was 
sicher als LOW erkannt wird.

Wenn ich anstatt eines Tasters jetzt einen Jumper nutzen möchte, dann 
ist der minimale Strom ja weniger wichtig, da ich notfalls die 
Stiftleiste sauber machen kann und den Jumper ersetze, richtig? Dann 
könnte ich den Pull-Down tendenziell größer machen, um den Stromfluss zu 
begrenzen.

Thorsten schrieb:
> Wenn ich anstatt eines Tasters jetzt einen Jumper nutzen möchte, dann
> ist der minimale Strom ja weniger wichtig, da ich notfalls die
> Stiftleiste sauber machen kann und den Jumper ersetze, richtig?

Ja richtig. Da würde sich der Schmutz auch durch das Aufstecken 
abreiben.

Thorsten schrieb:
> Da müsste ich mit einem 50-100k Widerstand
> doch ganz gut fahren,

Wenn dir bei der hochohmigen Beschaltung keine Störeinflüsse (allg. EMV) 
zu schaffen machen, dann kannst du ja den internen PU nehmen.
Ja, ich weiß, du wolltest einen PD, aber das ist doch bei einem µC nur 
eine Frage einer einfachen Invertierung in SW.
Mir persönlich ist z.B. das Schalten gegen GND eh lieber, schon weil an 
vielen Stellen in einem Gehäuse Teile auf GND-Potential liegen. Ein 
versehentlicher Schluss damit hat halt weniger Auswirkung als ein evtl. 
Kurzschluss von VCC nach GND.

Aber über 50kΩ würde ich trotzdem nicht gehen.

Lothar M. schrieb:
> Unser EMV-Spezi sagt: alles über 2k ist aus EMV-Sicht wirkungslos.

Eben.

Insofern wundert mich schon, dass so ziemlich alle Bastel-Module 
Pull-Ups mit 10 bis 12 kΩ verwenden. Sogar direkt neben der 
Sende-Antenne von Funkmodulen.

Da genügt manchmal das Dosenblech in den Steckbrettern, um genug Energie 
zu reflektieren, das sporadisch Fehlfunktionen auftreten.