プルダウン抵抗で浮いた状態が解消される仕組み

下のような回路では、プルダウン抵抗（R1）があることによって、マイコンの入力端子が0Vになって「浮いた状態」が解消されるという主旨の説明をよく見かけるのですが、理解できません。プルダウン抵抗がない状態では、静電気などの影響を受けてマイコンの入力電圧が意図せず変化する、というのは理解できますが、プルダウン抵抗ありの回路でも、静電気などの影響でスイッチ S1 が閉じた状態になるので意図しない入力電圧の変化は生じてしまうように思えます。この時、R1はどのように機能するのでしょうか。

質問者からの補足コメント

• それがプルダウン抵抗を入れる目的だというのは分かるんですが、
  他の解説を読むと、R1はマイコン内部の抵抗(仮にR2とする)より抵抗値が大きい物を選べ、とあります。すると、S1に乗った静電気はR1より抵抗の小さいR2の方に流れるように思えます。

  No.1の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時：2020/11/12 14:14

• ＞プルダウン抵抗を付けることによりSW解放時に確実に0にする事が出来ます
  なぜ確実に0にする事ができるのでしょうか。他の解説では、R1はマイコン内部の抵抗より大きい物を選べ、とあります。それが正しければ、静電気が乗るとR1より抵抗値が小さい方、つまりマイコン側に電気が流れそうな気がします。
  
  ＞それはプルダウン抵抗とは関係ありませんね
  関係ない、というのはどういうことでしょうか。静電気などの影響でスイッチS1が閉じた状態になれば、マイコンに電気が流れてしまうということでしょうか。

  No.2の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時：2020/11/12 14:23

No.1 回答者： angkor_h 回答日時： 2020/11/12 13:36

> 静電気などの影響でスイッチ S1 が閉じた状態になるので

この考えが間違っています。
その静電気はすぐにR1を介して放電されるので、
つまりは、静電気が貯まることが無いと言えるので、
入力端子が常に0Vに保たれることになります。
逆に言えば、そうなるような抵抗値がR1に利用されます。

No.2 回答者： OnneName 回答日時： 2020/11/12 13:36

根本的な部分が理解できていないようですが。

プルダウン抵抗がなければSWが解放されていればMCの入力はVccでもVddでも無い状態になります、不定だが論理としては0か1のどちらかになりますから1になってしまえばSWの意味は無くなり常に1になってしまいます。
これを防ぐためにプルダウン抵抗を付けることによりSW解放時に確実に0にする事が出来ます。

>静電気などの影響でスイッチ S1 が閉じた状態になるので
それはプルダウン抵抗とは関係ありませんね。

No.3 回答者： m-jiro 回答日時： 2020/11/12 18:23

マイコンの入力抵抗と言っても2つあります。

入力端子と電源側（以下Ripとします）、同アース側（Rin）です。
入力が開放時には電源電圧がRipとRinで分圧された電圧が加わります。
C-MOS ICでは共にGΩ（ギガオーム）クラスなので何ボルトが加わるのか特定しづらくなります。基板や配線の絶縁抵抗が関係するのでGΩにもなると湿度などのほんの僅かな環境の変化で大きく変化します。よって、プルアップ、プルダウン抵抗を使って確実に電源レベルとかGNDレベルにするのです。

RipとRinが1GΩあったとします。合成値で0.5GΩです。
ノイズが0.01μA流れ込んだとします。すると、
　　0.01μA × 0.5GΩ ＝ 5V　　になるので確実に誤動作するでしょう。
プルダウン抵抗として100KΩを使ったとすると、
　　0.01μA × 100KΩ ＝ 0.001V　　にしかならないので誤動作の心配はありません。
もっともノイズ誘導がどの程度あるのか機器の設計時にはわかりませんが一般的にはプルダウン／アップ抵抗は10KΩ程度以下を使っておけばほぼ大丈夫と思います。

> なぜ確実に0にする事ができるのでしょうか。
マイコンの入力インピーダンスが無視できるほど低い抵抗を使うからです。
C-MOSロジックでは多くの場合100KΩ程度でも大丈夫です。
TTLロジックは内部にプルアップがあります。74Nシリーズでは入力をGNDに落とすと約1.6mA流れるので約3KΩでプルアップされていることになります。

>　なぜ確実に0にする事ができるのでしょうか。
プルアップ／ダウン抵抗とロジックの入力抵抗で分圧された電圧が加わります。1GΩと100KΩで分圧されるといくらになるか考えてみてください。

>　R1はマイコン内部の抵抗より大きい物を選べ、とあります。
逆です。内部抵抗より小さい抵抗値のものを使わないと意味がありません。

No.4 回答者： tknakamuri 回答日時： 2020/11/12 19:49

静電気の影響？

普通スイッチをとうして外部と直接回路が接触することは
考えられませんが、浮遊容量を介すなら
プルダウン抵抗が十分小さければ
影響を受けないはず。

No.5 ベストアンサー 回答者： isoworld 回答日時： 2020/11/14 20:32

入力に付けるプルダウン抵抗は静電気対策ではありません。

マイコンなどの電子パーツを（手などで持って）扱っているときに、うっかり入力端子に触ったり何かに接触させると、静電気で破損させる可能性がありますが、いったん（多くの部品が実装されている）プリント基板に実装されてしまうと、ここだけに静電気が入り込む可能性は低いんですよ。

それに静電気は高い電圧ですから、プルダウン抵抗をよほど小さな値のものにしないと、万一にでもパチッと静電気放電がここで起きれば破損してしまいます。
静電気を心配することに拘り過ぎてはいけません。

入力をオープンにしていると、浮遊容量や周りからの誘導を受けて入力電圧レベルが不安定になり、動作が安定しなくなります。プルダウン抵抗はそうならないためのもので、入力をゼロに安定させる働きをさせます。

このことの理解と納得のためには、もうちょっと実践的な知識と経験を積まないとね。