Die Definition eines Pull-up-Widerstands lautet wie folgt: Schließt man einen Widerstand zwischen die Signalleitung und die Versorgungsspannung (VCC) an, wird die Signalleitung standardmäßig durch den Widerstand auf High-Pegel gezogen. Solange keine weitere Ansteuerung erfolgt, bleibt die Signalleitung auf High-Pegel. Wird sie vom Gerät aktiv auf Low-Pegel gezogen, fließt der Strom über den Widerstand nach Masse (GND), und das Signal wird auf Low-Pegel gezogen.

Die Definition des Pull-up-Widerstands ist sehr klar. Auf den ersten Blick scheint seine Funktion bekannt, doch die Definition allein lässt nicht vollständig nachvollziehen, warum er standardmäßig ein hohes Signal ausgibt, wenn kein anderes Laufwerk angesteuert wird, und ein niedriges Signal, sobald ein Laufwerk angesteuert wird. Im Folgenden erkläre ich das Prinzip aus meiner Sicht.

Betrachten wir dieses Diagramm; es zeigt den Grundschaltplan eines Pull-up-Widerstands. Der Widerstandswert eines Pull-up-Widerstands liegt üblicherweise zwischen 1 kΩ und 100 kΩ, was einen sehr hohen Wert darstellt. Wenn das externe Gerät (hier der Schalter) nicht angesteuert wird, ist die Leitung zu GND unterbrochen. Das heißt, wir müssen nur die Leitung von VCC zum blauen Punkt und dann zum Ausgang betrachten (es handelt sich nicht um einen geschlossenen Stromkreis). Da der Widerstandswert dieses Pull-up-Widerstands sehr hoch ist, ist der Strom in dieser Leitung extrem gering (nur ein Leckstrom im Mikroampere-Bereich, also nahezu null). Daher ist die Spannungsteilung am Pull-up-Widerstand, also seine Spannung, unendlich nahe bei null und kann vernachlässigt werden (U = I × R ≈ 0). Somit ist das Potenzial an VCC gleich dem Potenzial am blauen Punkt, welches gleichzeitig das Potenzial am Ausgang ist, wodurch der Ausgang auf High-Pegel liegt. Dies erklärt, warum es standardmäßig einen hohen Pegel ausgibt, wenn das Gerät nicht angesteuert wird.

Als Nächstes betrachten wir, warum der Ausgang ein niedriges Signal liefert, wenn das Gerät angesteuert wird. Wenn das Gerät angesteuert wird (d. h., wenn der Schalter im Schaltplan geschlossen ist), bildet sich ein geschlossener Stromkreis. Da diese Ausgangsleitung mit anderen Schaltungsteilen verbunden ist, fließt der Strom von VCC zum blauen Punkt: Ein Teil des Stroms fließt zum Ausgang, der andere Teil zu GND. Gemäß den Schaltungskenntnissen entspricht die Potenzialdifferenz zwischen VCC und dem blauen Punkt VCC, was bedeutet, dass das Potenzial des blauen Punktes 0 V beträgt, also ein niedriges Signal. Dies erklärt, warum der Ausgang ein niedriges Signal liefert, wenn das Gerät angesteuert wird (Schalter geschlossen).

Die Definition eines Pull-Down-Widerstands lautet wie folgt: Schließt man einen Widerstand zwischen die Signalleitung und Masse (GND) an, wird die Signalleitung standardmäßig durch den Widerstand auf Low-Pegel gezogen. Solange keine weitere Ansteuerung erfolgt, bleibt die Signalleitung auf Low-Pegel. Wird sie vom Gerät aktiv auf High-Pegel gezogen, fließt Strom über den Widerstand zu VCC, und das Signal wird auf High-Pegel gebracht.

Ebenso können wir aus dieser Definition nur die Funktion des Pull-Down-Widerstands ableiten, nicht aber das zugrundeliegende Prinzip. Betrachten wir nun die grundlegende Struktur des Pull-Down-Widerstands (am besten in Verbindung mit dem Diagramm):

Wie beim Pull-up-Widerstand liegt der Widerstandswert des Pull-down-Widerstands üblicherweise zwischen 1 kΩ und 100 kΩ, was einen sehr hohen Wert darstellt. Wenn das externe Gerät (hier der Schalter im Diagramm) nicht angesteuert wird, ist der Strom in der Leitung zum Ausgang – analog zum Pull-up-Widerstand – sehr gering (nur ein Leckstrom im Mikroampere-Bereich, also nahezu null). (Man kann hier auch annehmen, dass kein Pluspol der Stromversorgung vorhanden ist, der Strom also direkt null wäre; alternativ kann man aber auch davon ausgehen, dass ein Strom fließt, da im Chip selbst ein gewisser Strom fließt.) Daher ist die Spannungsteilung des Pull-down-Widerstands, also seine Spannung, unendlich nahe bei null und kann vernachlässigt werden (U = I × R ≈ 0). Das Potenzial an GND entspricht somit dem Potenzial am blauen Punkt, also dem Potenzial am Ausgang, wodurch dieser auf Low-Pegel liegt. Dies erklärt, warum der Ausgang standardmäßig auf Low-Pegel liegt, wenn das Gerät nicht angesteuert wird.

Als Nächstes betrachten wir, warum der Ausgang ein hohes Signal liefert, wenn das Gerät angesteuert wird. Wenn das Gerät angesteuert wird (d. h., wenn der Schalter im Schaltplan geschlossen ist), bildet sich ein geschlossener Stromkreis. Da diese Ausgangsleitung mit anderen Schaltungsteilen verbunden ist, fließt der Strom von VCC zum blauen Punkt: Ein Teil des Stroms fließt zum Ausgang, der andere Teil zu GND. Gemäß den Schaltungskenntnissen entspricht das Potenzial von VCC dem des blauen Punktes (bzw. die Spannung des Pull-Down-Widerstands ist VCC), weshalb dieser Ausgang naturgemäß ein hohes Signal liefert. Dies erklärt, warum der Ausgang ein hohes Signal liefert, wenn das Gerät angesteuert wird.

Basierend auf dem eben beschriebenen Pull-up-Widerstandsprinzip nehmen wir einen Drehgeber als Beispiel (betrachten Sie nur den Pull-up-Widerstand R1 auf der linken Seite; die rechte Seite ist identisch), um die Pegeländerung an Punkt A zu erklären: Wenn der rote Teil getrennt ist, liegt ein hoher Pegel vor; wenn er geschlossen ist, liegt ein niedriger Pegel vor.

1. Wenn der rote Teil getrennt ist: In diesem Fall findet kein Kurzschluss am roten Punkt unterhalb von R1 statt (da der rote Teil getrennt ist und somit dieser Stromkreis offen ist). Der Strom fließt von VCC über R1 und R3 zu Punkt A. Da der Widerstandswert des Pull-up-Widerstands sehr hoch ist (und es sich nicht um einen geschlossenen Stromkreis handelt), ist der Strom nahezu null. Das heißt, gemäß der Formel U = IR ist die Spannung geteilt durch R1 und R3 nahezu null. Daher entspricht das Potenzial an VCC annähernd dem Potenzial an Punkt A, welches ein hohes Niveau aufweist.

2. Wenn der rote Teil angeschlossen (d. h. geschlossen) ist, entsteht ein geschlossener Stromkreis. Der Strom fließt direkt von VCC zu R1, dann zu Masse (GND) des Schaltkreises am Punkt C und nicht zu R3 (R3 ist somit kurzgeschlossen). Das Potenzial am Punkt A entspricht dann dem Potenzial am roten Punkt unterhalb von R1. Da das Potenzial am roten Punkt unterhalb von R1 dem Potenzial am Punkt C (also Masse) entspricht, ist das Potenzial am Punkt A 0, also auf niedrigem Pegel. Dadurch wird die Funktion des Pull-up-Widerstands deutlich.