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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Hilfe zu Schmitt-Trigger


Autor: Mücke (Gast)
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Hallo,

ich möchte einen Komperator passend beschalten, um ein gewünschtes 
Hystereseverhalten zu bekommen.

Ich habe mich bei der Berechnung der Widerstände an folgenden Artikel 
gehalten:
http://www.mikrocontroller.net/articles/Schmitt-Trigger (ganz unten)

Ich habe mir den Widerstand R1 und die obere sowie die untere 
Schaltschwelle selbst vorgegeben.

z.B.: R1=10k UL=2,4V UH=3,6V

Wenn ich jetzt mit den gegebenen Formeln die Widerstände R2 und R3 
ausrechne, komme ich mit meiner 12V Versorgungsspannung auf R2=904 Ohm 
und R3=20k

Wenn ich die Schaltung simuliere sehe ich, dass die Schaltschwellen 
überhaupt nicht eingehalten werden.

Wo liegt mein Fehler???

: Verschoben durch Admin
Autor: micha (Gast)
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falsch gerechnet?

R2 = (10000*2.4)/(12-3.6) = 24000/8.4 ~ 2857
R3 =-(10000*2.4)/(2.4-3.6) = -(24000/-1.2) = 20000

Autor: Mücke (Gast)
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ah, da hab ich mich vertippt. Sorry. Aber ich weiß leider immer noch 
nicht worans liegt. Hab jetzt mal den Schaltplan mitangehängt.

Wäre super, wenn jemand den Fehler findet.

Autor: Mücke (Gast)
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...und hier die Simulation dazu.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Mücke,

>Wo liegt mein Fehler???

Berücksichtigen die Formeln, daß du am Ausgang des LM339 einen Pull-up 
verwendest, und du diesen zusätzlich an 3,3V, statt 12V hängst?

Wenn ich 3,6V an R4 annehme, dann scheint R2 am Ausgang des Komparators 
auf 12V zu liegen. Das kann ja nicht sein, oder?

Kai

Autor: Mücke (Gast)
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> Berücksichtigen die Formeln, daß du am Ausgang des LM339 einen Pull-up
> verwendest, und du diesen zusätzlich an 3,3V, statt 12V hängst?
Stimmt, das hab ich nicht berücksichtigt.
Leider weiß ich jetzt aber auch nicht, wie ich das mit in die Rechung 
reinbringen kann, sodass ich die Widerstände berechnen kann, um auf die 
von mir gewollten Schaltschwellen zu kommen. Hast du da noch ne Idee?

Autor: karadur (Gast)
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Hallo

soweit ich weiß hat der OP einen open-Drain-Ausgang. Damit schaltet der 
Ausgang von GND nach 3,3V.

Autor: karadur (Gast)
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Hallo

im Motorola Datenblatt sieht man es: ist Open-Collector

Autor: HildeK (Gast)
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>Leider weiß ich jetzt aber auch nicht, wie ich das mit in die Rechung
>reinbringen kann, sodass ich die Widerstände berechnen kann, um auf die
>von mir gewollten Schaltschwellen zu kommen. Hast du da noch ne Idee?

Es sind doch nur Spannungsteilerformeln zu berechnen!

1. Ausgang ist Low:
Untere Schaltschwelle ist dann 12V an Spannungsteiler R3 und R4 || R2

2. Ausgang ist High:
Etwas komplizierter, da hier die Überlagerung zweier Teiler an 
unterschiedlichen Spannungen vorhanden ist.
Obere Schaltschwelle ist dann:

12V * R3 / (R3 + R4 || (R2+R1)) + 3.3V * (R4 || R3) / (R1 + R2 + R4 || 
R3)

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Mücke,

>Leider weiß ich jetzt aber auch nicht, wie ich das mit in die Rechung
>reinbringen kann, sodass ich die Widerstände berechnen kann, um auf die
>von mir gewollten Schaltschwellen zu kommen. Hast du da noch ne Idee?

Ich habe mal eine kleine Abschätzung gemacht. Ich würde die 
Standardwerte R2=13k, R3=22k, R4=10k und für den Pull-up 10k wählen. 
Dann sind deine Schaltschwellen ungefähr 2,45V und 3,65V.

Achtung, die obere Schaltschwelle macht, daß etwas Strom in deine 3.3V 
Versorgung hineinläuft. Außerdem bedeutet das, daß die Ausgangsspannung 
des LM339 für die nachfolgende Schaltung 150mV höher ist als 3.3V. Wenn 
du das nicht möchtest, mußt du dich von einer oberen Schaltschwelle von 
3.6V verabschieden...

Kai

Autor: HildeK (Gast)
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Kai Klaas (Gast) schrieb:
>Achtung, die obere Schaltschwelle macht, daß etwas Strom in deine 3.3V
>Versorgung hineinläuft. Außerdem bedeutet das, daß die Ausgangsspannung
>des LM339 für die nachfolgende Schaltung 150mV höher ist als 3.3V. Wenn
>du das nicht möchtest, mußt du dich von einer oberen Schaltschwelle von
>3.6V verabschieden...
Nicht unbedingt.

Wählt man die Werte für R2, R3 und R4 um einen Zehnerpotenz höher und 
den PullUp mit nur 1k, dann sind es nur einzelne mV, die die 
Ausgangsspannung über der 3V3 liegt. R2 sollte dann auf 120k gewählt 
werden.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo HildeK,

>Wählt man die Werte für R2, R3 und R4 um einen Zehnerpotenz höher und
>den PullUp mit nur 1k, dann sind es nur einzelne mV, die die
>Ausgangsspannung über der 3V3 liegt. R2 sollte dann auf 120k gewählt
>werden.

Du hast vollkommen Recht. Ich bin davon ausgegangen, daß Mücke eine 
niederohmige Beschaltung braucht, da er in seiner Originalschaltung auch 
sehr niederohmige Bauteile verwendet hat.

Kai Klaas

Autor: Mücke (Gast)
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Danke für die vielen Antworten, ihr habt mir schon sehr geholfen!

> Achtung, die obere Schaltschwelle macht, daß etwas Strom in deine 3.3V
> Versorgung hineinläuft. Außerdem bedeutet das, daß die Ausgangsspannung
> des LM339 für die nachfolgende Schaltung 150mV höher ist als 3.3V. Wenn
> du das nicht möchtest, mußt du dich von einer oberen Schaltschwelle von
> 3.6V verabschieden...

Eigentlich könnte ich doch das von Kai angesprochene Problem umgehen, 
indem ich die Eingangsspannung auf z.B. 2V erniedrige, oder?. Denn dann 
kann ich auch die Schaltschwellen niedriger ansetzen. Dagen wir mal 
U_low=1,5V und U_high=2,5V.

Ich weiß leider immer noch nicht recht, wie ich die ganzen Widerstände 
dazu berechnen kann. Gut, HildeK hat ja die Gleichungen für die 
Schwellspannungen angegeben (glaub die 2te stimmt aber nicht), aber 
somit hab ich ja nur 2 Gleichungen für 4 Unbekannte. Und wenn ich da 
zwei beliebig vorgebe und dann den ganzen Salat ineinander einsetze 
kommt nur Schmarrn raus.

Kann mir bitte jemand konkret sagen, wie ich die Widerstände passend 
berechnen kann?

Autor: HildeK (Gast)
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>Gut, HildeK hat ja die Gleichungen für die
>Schwellspannungen angegeben (glaub die 2te stimmt aber nicht), aber
>somit hab ich ja nur 2 Gleichungen für 4 Unbekannte.

Ja, du hast recht, der erste Teil hat einen falschen Zähler:

12V * R3 / (R3 + R4 || (R2+R1)) + .... muss ersetzt werden durch

12V * R4 || (R1+R2) / (R3 + R4 || (R2+R1)) + ....

Sorry - es war heute einfach zu heiß (zugegeben: Ausrede!) und deshalb 
strenge ich mich jetzt auch an:

Nun, 2 Gleichungen und 4 Unbekannte:
- einen Widerstand kannst du sowieso frei wählen, also bleiben noch drei 
Unbekannte
- auch den zweiten wirst du wählen, nämlich den PullUp R1. Die 
Gleichungen vereinfachen sich noch, wenn du R1 << R2 annimmst. Dann 
kannst du R1 sogar einfach zu Null setzen (was er ja auch wäre, wenn der 
LM339 einen Push-Pull-Ausgang hätte). Somit hätten wir ein bestimmtes 
System.
Das was übrig bleibt, ist dann trotzdem noch eine nette Rechnerei:
12V * R2R4 / (R2R3 + R2R4 + R3R4) = 2.4V (untere Schwelle) (1)
und
(12V * R2R4 + 3.3V * R3R4) / (R2R3 + R2R4 + R3R4) = 3.6V (obere Schwelle) (2)

aus (1) ergibt sich nach längerem rechnen :-)
2.4V = 12V * (R2-R4) / (5*R2 + 3*R4)
mit deinen Zahlen:
R3 = 4 * R2R4/(R2+R4)  - das wird in (2) eingesetzt und wieder lange gerechnet:
3.6V = (12V + 3.3V * 4 * R4/(R2+R4))/5
Wenn du R2 zu 120k wählst, dann werden R4 = 100k und R3 = 218k, also 
rund 220k. Der Fehler durch die vernachlässigten 1k PullUp wird unter 1% 
bleiben - auch deshalb habe ich ihn so klein gewählt. Du kannst ihn ja 
mal in Gleichung (2) berücksichtigen: ersetzte dort R2 durch R2+R1.
Ich will nicht mehr ... :-)

Hoffentlich ist's jetzt richtig - ich bin nicht mehr so in Übung.
Wie sagte Danny Glover in Lethal Weapon immer mal wieder:
"Ich bin zu alt für so 'ne Scheiße!"

Autor: HildeK (Gast)
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Ja - ich muss mich korrigieren. Die Faktoren 4 und 5 in dem Gleichungen 
beinhalten schon einige Zahlenrechnungen, gelten also nur für die 
genannten Spannungen und Schwellen und das erste Zwischenergebnis aus 
(1) ist Mist.

U1 seien die 12V, U2 die 3.3V, UL=2.4V und UH=3.6V.
R3 = (U1/UL - 1)*R2*R4/(R2+R4)
und
UH = UL + U2(1-UL/U1)*R4/(R2+R4)
oder
R4 = R2*(UH-UL)/(U2*(1-UL/U1)-(UH-UL))

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo HildeK,

hier mache ich das viel einfacher:

Zunächst setze ich an R4=10k, und, da vorgegeben, R1=10k. Dann stelle 
ich für die beiden Schaltschwellen zwei Gleichungen auf, in der nur noch 
R2 und R3 vorkommen. Danach gehe ich mit einem geratenen Startwert für 
R2, einem Wert aus der E24-Reihe, in beide Gleichungen und verändere R2 
(innerhalb der E24-Reihe) solange, bis beide Gleichungen für R3 ungefähr 
den gleichen Wert ergeben. Dann nehme ich denjenigen Wert aus der 
E24-Reihe, der R3 am nächsten kommt. Geht schnell und ist meist 
ausreichend genau.

Kai

Autor: HildeK (Gast)
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@Kai Klaas
Gute Idee.
Ich würde normalerweise auch nur grob schätzen und dann mit Spice 
einfach ein wenig nachoptimieren - wobei hier die Abhängigkeiten durch 
die beiden unterschiedlichen Spannungen die Sache etwas 
unübersichtlicher machen.
Aber Mücke fragte:
>Kann mir bitte jemand konkret sagen, wie ich die Widerstände passend
>berechnen kann?
und außerdem hatte ich ganz oben behauptet: "das sind doch nur ein paar 
Spannungsteiler ...." :-)

Autor: Mücke (Gast)
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Alles klar. Danke, dass ihr euch nochmal die Mühe gemacht habt.
Ich habs jetzt genauso gemacht und mir zwei Widerstände vorgegeben und 
die anderen beiden mittels der beiden Gleichungen für U_low und U_high 
ausgerechnet.

Hab wie gesagt meine Eingangsspannung auf 4V erniedrigt und die untere 
und Obere Schwellspannung dementsprechend auf 1,5V bzw. 2,5V angepasst.

Somit entfällt doch das Problem, das Kai hier angesprochen hat, oder?:
> Achtung, die obere Schaltschwelle macht, daß etwas Strom in deine 3.3V
> Versorgung hineinläuft. Außerdem bedeutet das, daß die Ausgangsspannung
> des LM339 für die nachfolgende Schaltung 150mV höher ist als 3.3V. Wenn
> du das nicht möchtest, mußt du dich von einer oberen Schaltschwelle von
> 3.6V verabschieden...

Sieht jemand sonst noch ein Problem, dass ich bei dieser Schaltung 
bekommen könnte? Hab leider immer noch nicht wirklich den Durchblick, 
was Elektronik angeht und bin deswegen für jeden Hinweis dankbar.

Autor: Mücke (Gast)
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...und hier auch nochmal die dazugehörige Simulation

Autor: HildeK (Gast)
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>Somit entfällt doch das Problem, das Kai hier angesprochen hat, oder?
Ja. Aber eigentlich ist es gar kein Problem - Kai hatte ja nur rund 
150mV berechnet und das verträgt jeder Eingang. Selbst mehr würden, da 
sie aus einer hochohmigen Quelle kommen (über R2) die am folgenden 
Baustein eingebaute Schottky-Schutzdiode problemlos ableiten, da die 
Ströme weit unter einem mA liegen werden.
Ich hatte ja deshalb den R1 kleiner gewählt, das gibt auch eine 
schneller Anstiegsflanke, kostet aber mehr Strom. Und vereinfacht die 
Rechnung.

Wenn deine Schwellen sowieso unkritisch sind, warum hast du dann nicht 
einfach einen HC14 genommen und das Eingangssignal auf passende 3.3V 
(oder etwas mehr) heruntergeteilt? Der hat eine Hysteres von ca. 0,8V, 
verträgt beliebige Flankensteilheit am Eingang. Es gibt ihn auch als 
SMD-Single-Gate. Außer dem Eingangspannungsteiler ist keine weitere 
Beschaltung notwendig. Er kann bis 1.5V übersteuert werden und die 
eingebauten Clampingdioden können abs. max. 20mA. Der Ausgang ist ein 
echter PushPull und damit schneller und besser als der Ausgang des 
LM339.

>Sieht jemand sonst noch ein Problem, dass ich bei dieser Schaltung
>bekommen könnte?
Ich glaube, du hattest nichts dazu gesagt, welcher Baustein das 
Komparatorausgangssignal weiterverarbeiten soll. Ein normaler 
HC(T)-Baustein sollte dabei ausreichend schnelle Schaltflanken am 
Eingang erhalten (ca. <100ns). Das könnte mit den 10k für R1 schon knapp 
werden.

Autor: Mücke (Gast)
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> Wenn deine Schwellen sowieso unkritisch sind, warum hast du dann nicht
> einfach einen HC14 genommen und das Eingangssignal auf passende 3.3V
> (oder etwas mehr) heruntergeteilt?

gute Frage. Ich bin wie gesagt noch Elektronik-Neueinsteiger und habe 
den Tipp mit dem Komparator von einem Bekannten bekommen. Ich werd ihn 
mal zu deinem Vorschlag ansprechen.

>> Sieht jemand sonst noch ein Problem, dass ich bei dieser Schaltung
>> bekommen könnte?
> Ich glaube, du hattest nichts dazu gesagt, welcher Baustein das
> Komparatorausgangssignal weiterverarbeiten soll. Ein normaler
> HC(T)-Baustein sollte dabei ausreichend schnelle Schaltflanken am
> Eingang erhalten (ca. <100ns). Das könnte mit den 10k für R1 schon knapp
> werden.

Das Ausgangsignal des Koparators soll an einem Eingang eines DSP 
ausgewertet werden. Das Signal hat eine maximale Frequenz von 1kHz.
Ok, ich wähle R1 also einfach kleiner. Da ändert sich ja dann nicht viel 
und es ist ja gleich durchgerechnet (zumindest mit nem Solver ;-)

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