Q&A
「プログラミングに関係のない質問」という意見がありました。おそらく Atmel Studio のタグがあったことが問題だったのかと思われるので、該当タグを削除しました。Arduino についての質問なので Arduino タグは適切だと思いますので残しました。
質問の概要
Arduino の出力もしくは入力ピン間で短絡してよい組み合わせと短絡してはいけない組み合わせにはどのようなものがあるのでしょうか？
例えば、プルアップで High 状態になっている入力ピンとLow に出力したピンが短絡しても問題は無いのでしょうか？
後述する簡単な回路ではこの例は問題がなさそうでしたが、原理が分からなくて困惑しています。
詳細
入力ピンのプルアップ機能の確認のために、Arduino UNO で以下のような単純な回路とスケッチを作りました。
単に、入力ピン（２ピン）と出力ピン（４ピン）が短絡した時に入力ピンが LOW になっているかを確認しているだけです。
図.1 回路
表.1 スケッチ
test.ino
1const int INPUT_PIN = 2; 2const int OUTPUT_PIN = 4; 3 4bool old_state, current_state; 5 6void setup() { 7 // ピン初期化 8 pinMode(INPUT_PIN, INPUT_PULLUP); // 入力（プルアップ） 9 pinMode(OUTPUT_PIN, OUTPUT); // 出力（LOWに固定） 10 digitalWrite(OUTPUT_PIN, LOW); 11 12 old_state = current_state = HIGH; 13 Serial.begin(9600); 14} 15 16void loop() { 17 current_state = digitalRead(INPUT_PIN); 18 19 if (current_state != old_state) { 20 if (current_state == LOW) { 21 Serial.println("Push"); 22 } else { 23 Serial.println("Release"); 24 } 25 26 old_state = current_state; 27 } 28 29 delay(10); 30}
この回路（図.1）では、スイッチで両ピンが短絡しても問題なく入力ピンで Low が検出できました。
また、テスターで計測したら端子間に流れる電流は 0.10mA 程度で問題はなさそうです。
仮定と疑問
この回路は一見すると High と Low の端子同士が短絡しているように見えるので過電流が流れそうです。
ただし、プルアップにすると内部に抵抗成分が出来るらしいので、その抵抗のおかげで過電流が流れないという仮定をしましたが、正しいのでしょうか。
しかし、このような回路を作成してよいとしている Web サイトとしてはいけないとしている Web サイトの両方見つかります。
このサイトではプルアップ設定の入力端子を GND に短絡させた回路を作成しています。
しかし、このサイトではこのような回路を作成してはいけないとしています。
このモード（内部プルアップモード）に設定しておいたのを忘れ、万が一、そのピンをGNDに直接つないでしまったとき、ショート状態になってArduinoを壊してしまうことになります。
また、次のようなサイトには、一定の組み合わせ（High と Low の入力ピン同士の短絡）は Arduiono を破壊する恐れがあると記載されています。
このような情報を得てるうちに、問題のない組み合わせとよい組み合わせの違いがわからなくなってきました……。
どういう原理でこれらの組み合わせについての問題ありなしを判断すればよいのでしょうか？
ご存知の方がいらっしゃいましたら、ご教示いただけると幸いです。
「この回路は一見すると High と Low の端子同士が短絡しているように見えるので」とありますが、どこのこと言ってますか?出された図はどこもHとLが短絡していませんが。
図と表に番号がなかったので、誤解を避けるため採番しました。まず、「この回路」とは図.1を指します。そこでは表. 1 のソースコードによって2番ピンはプルアップの設定をしているため High に出力されています。次にそこからタクトスイッチ経由で接続されている4番ピンは Low に設定してあります。そのため、タクトスイッチを押したら High と Low の端子が短絡するように見える。そして、両端子間に過電流が流れるのではと考えました。
以上で、根本的に誤解しているところがあればご指摘いたければ幸いです。
回答4件
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まあ、出力ポート通しをつなぐとか、出力ポートを電源、GNDに直接繋いでしまう、という以外なら大丈夫です。
いまどきのICはそれごときでは壊れません。
まーぶっちゃけ、出力ポートをショートしても壊れたりはしません。
いまどきのICの回路形式（CMOS)ではその構成素子の特性上、ある程度の電流リミットがかかるようになってまして、そのICの設計時にそこそこの電流値に設定するようにやってますのでｗ
んで、壊れる場合、というのは過電圧を加えるとあっさり飛びます。
静電気でバチっとやる、とか、長い線路を直接繋いで、オーバーシュートで飛んでしまうってのもありますな
投稿2018/03/09 03:27
編集2018/03/09 03:34
総合スコア88163
0
「出力同士を直結しない！」の一言に尽きます。
出力ピンは当然出力です。
GNDとVDDは、それぞれ0V,5Vを常に出力しているので、やはり出力です。
ダメなのは、以下のような組み合わせ
２つ以上の出力ピン同士の直結
GNDと出力ピンの直結
VDDと出力ピンの直結
GNDとVDDの直結
プルダウン抵抗やプルアップ抵抗を介しての接続は問題ありません。
なぜなら適切な抵抗が入っていることで、大きな電流が流れることがないからです。
投稿2018/03/11 09:56
総合スコア6919
＜回答への補足＞ 33kΩの抵抗の両端に５Vを印加したとしても、流れる電流は0.15mAほど。
抵抗で消費される電力は0.75mWほどですから、CPUなどの回路にダメージを与えることはありません。
具体的な組み合わせをご提示いただきありがとうございます。
今回については問題のある組み合わせではないですね。
> プルダウン抵抗やプルアップ抵抗を介しての接続は問題ありません
たしかに、プルアップ設定時は内部のプルアップ抵抗を介するので、懸念した過電流については問題なさそうです。
P.S. 補足して頂いたように、テスターで測った電流から推測する I/O ピンの内部プルアップ抵抗はおよそ30kΩでした。
これは、データシートで確認したらに特性値（20〜50kΩ）に収まっていましたので安心しました。
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ベストアンサー
そこでは表. 1 のソースコードによって2番ピンはプルアップの設定をしているため High に出力されています。
されません。
プルアップ抵抗とは何も電圧源とつながっていなかったらHighになるように入れる抵抗のことです。
投稿2018/03/12 02:51
総合スコア13553
混乱しています。
まず、状況を整理させてください。
> プルアップ抵抗とは何も電圧源とつながっていなかったらHighになるように入れる抵抗のこと
まず
これは、High と Low が短絡するとかしないとかいう話ではなく、プルアップした端子が「High の状態になっている」ことを「High を出力する」と呼ぶことが間違っているというご指摘でしょうか？
入力ポートはあくまで入力であるため、プルアップしててもそれを出力されている、と表現するのはちと間違っているってことですね。
せいぜいHighの状態になってるってことでしょうか。
＃まあ、重箱の隅というきもしますが
> これは、High と Low が短絡するとかしないとかいう話ではなく、プルアップした端子が「High の状態になっている」ことを「High を出力する」と呼ぶことが間違っているというご指摘でしょうか？
そのとおりです。
ただのプルアップを「出力」と言ってしまっているので、
「出力と出力がつながっている...短絡だ!」という勘違いにつながっているのでは?
なるほど。
> 「出力と出力がつながっている...短絡だ!」という勘違いにつながっているのでは?
質問当時はポートの設定が出力/入力かということにあまり着目はしておらず、「High と Low 状態のピンがスイッチを押すと結線する……これは短絡なのでは？」という意識でした。
（質問当時は内部プルアップ抵抗があるために実際は過電流は流れないということを分かっていなかったため、単に High と Low が結線するように見えたのです）
また、これは現在もですが、ポートの入出力の設定に関わらず、電流が流れ出す口が"出力"であるというイメージを強く持っています。
そのため、入力ピンを内部プルアップで High 状態にして Low を出力する出力ピンと結線した場合、電流は入力ピンから出力ピンの方向に流れるので「結局は入力ピンが"出力"している」というイメージがあります。
これは出力ピンは方向を出力としたので、電流の方向は関係なく出力ピンであり、かつ負の電流を出力している……というようなイメージに刷新したほうがよいのでしょうか？
出力ピンは電圧源なので
イメージで言おうとすると、
何が起ころうとも決められた電圧を保とうとするピンが出力ピンです
なるほど、出力ピンの捉え方がよく分かりました。
ありがとうございます。
「I/O ポートの吸い込み電流」は今まで確認したことがなかったので、大変参考になりました。
また、等価回路図について、電子回路にはあまり明るくはないのですが、大まかな挙動について想像できました。
coco_bauer さんからご指摘の通り、出力ピンの内部プルアップ抵抗を加味して計算した電流値は絶対最大定格の「DC Current per I/O Pin」にある 40mA を超えていないということも分かりました。
40mAを超えてすぐに壊れるというわけでもないですが、メーカー保証外ということです。
データシートを見るとsink current, source currentを見ると20mA程度しか流せないことがわかると思います。なので、電源に直結してもy_waiwaiさんの言うように壊れません。逆に言えばモーターなんかをつなぎたいときは20mA以上は流せないのでドライブ回路が必要ということです。
電流を吸い込む場合も出力ポートです。負論理(Active Low)ってやつですね。具体的な例でいうと抵抗とLEDを直列にして５Vと出力ポートに繋ぐとLowを出力すると電流を吸い込んでLEDが光りますよね。
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