Schmitt-Trigger

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Einleitung

Ein Schmitt-Trigger hat einen Eingang und einen Ausgang und liefert abhängig vom Eingangspegel immer einen wohl definierten Ausgangspegel. Dabei gilt stets:

Beispiel
  • Am Ausgang liegt HIGH an, wenn der Pegel am Eingang eine Spannung UH überschreitet.
  • Am Ausgang liegt LOW an, wenn der Pegel am Eingang eine Spannung UL unterschreitet.
  • Dabei wird der bisherige Ausgangspegel aufrechterhalten, wenn sich der Eingangspegel zwischen UL und UH befindet (Hysterese)
  • Der Übergang von LOW auf HIGH bzw. von HIGH auf LOW erfolgt stets mit steiler Flanke.

Dieses Verhalten kann man beispielsweise ausnutzen, um mittels Schmitt-Trigger ein verrauschtes digitales Signal wieder aufzufrischen. Ebenso müssen mechanische Taster bzw. Relaiskontakte entprellt werden, wenn sie digitale ICs ansteuern sollen, besonders wenn sie Taktsignale generieren sollen.


Integrierte Schmitt-Trigger

Es existieren fertige ICs mit Schmitt-Trigger-Funktionalität. In der 74xx-Reihe ist das beispielsweise der 74xx14, weitere Typen sind im Artikel 74xx aufgeführt. In der 4000er-Serie gibt es die Typen 4093 und 40106. Viele Mikrocontroller wie z. B. der AVR haben bereits Schmitt-Trigger Eingänge, sodass nur noch die beiden Widerstände und der Kondensator benötigt werden. Der Vorteil dieser Schmitt-Trigger ist, daß sie ohne weitere Beschaltung direkt nutzbar und auch sehr schnell sind. Der Nachteil sind die eher ungenauen Schaltschwellen. Manchmal kann man auch einen Schmitt-Trigger aus einem überzähligem, nicht invertierendem Gatter bauen.

Taster entprellen mit 74HC14


  • Forumsbeitrag: Klassischer Pulsverdoppler mit XOR-Gatter und RC-Glied + Schmitt-Trigger

Schmitt-Trigger mit Operationsverstärker oder Komparator

Ein Schmitt-Trigger lässt sich auch mit Hilfe eines Operationsverstärkers oder besser eines Komparators aufbauen. Komparatoren sind im Vergleich zu OPVs deutlich schneller. Man sollte sie immer nur als Komparatoren benutzen und nicht als lineare Verstärker. OPVs sollte man nur als Komparatoren beschalten, wenn es nicht um höchste Schaltgeschwindigkeiten geht.

Nichtinvertierender Schmitt-Trigger

Nichtinvertierender Schmitt-Trigger

Am - Eingang des OPV wird die Referenzspannung angelegt. Achtung! Diese liegt im allgemeinen NICHT mittig zwischen den beiden Schaltschwellen. R2 sorgt für die Mitkopplung und damit für die Hysterese. Über das Verhältnis von R1/R2 wird die Hysteresebreite festgelegt. Wird also UH am Eingang überschritten, geht der Operationsverstärker in die positive Sättigung UHA, wird UL unterschritten, geht er in die negative Sättigung ULA.

U_{ref}=U_{LA} + (U_H - U_{LA} ) \frac{R_2}{R_1 + R_2}

U_{ref}=U_{L} + (U_{HA}-U_L) \frac{R_1}{R_1 + R_2}

Durch Gleichsetzen und Umformen der beiden Gleichungen kann man R2 berechnen, wobei R1 vorher festgelegt werden muss.

R_2=R_1 \cdot \frac{U_{HA}-U_{LA}}{U_H - U_L}

Durch Einsetzen in die 1. oder 2. Gleichung kann man abschließend Uref berechnen. Die Referenzspannung kann man direkt aus einer Spannungsreferenz oder mit einem einfachen Spannungsteiler aus der Betriebsspannung generieren. Bei der Berechung des Spannungsteilers zur Referenzspannungserzeugung kann man einen der Widerstände frei wählen. Alle Berechnungen können mit dieser einfachen Exceltabelle durchgeführt werden.

Invertierender Schmitt-Trigger

Invertierender Schmitt-Trigger

Durch einfaches Vertauschen von Uein und Uref kann die Schaltung invertierend arbeiten. Dabei ändern sich allerdings die Formeln zur Berechnung der Widerstände bzw. der Referenzspannung. Dafür gelten 2 Formeln.

U_H=U_{ref} + (U_{HA}-U_{ref}) \frac{R_1}{R_1 + R_2}

U_L=U_{ref} - (U_{ref}-U_{LA}) \frac{R_1}{R_1 + R_2}

Durch Umformen und Einsetzen erhält man:

R_2=R_1 \frac{U_H-U_{HA}-U_L+U_{LA}}{U_L-U_H}

Uref.jpg

Bei der Berechung des Spannungsteilers zur Erzeugung der Referenzspannung kann man keinen der Widerstände R3 und R4 frei wählen (welche zusammen R1 ersetzen), sie berechnen sich direkt aus R1 und den anderen Eingangsparametern, abgeleitet aus den beiden Formeln.

R_{1}= R3//R4 = \frac{R_3 \cdot R_4}{R_3 + R_4}

U_{ref}= V_{CC} \frac{R_3}{R_3 + R_4}

Durch Umformen und Einsetzen erhält man:

R_{4}= R_1 \cdot \frac{V_{CC}}{U_{ref}}

R_{3}= R_4 \cdot \frac{U_{ref}}{V_{CC} - U_{ref}}

Auch diese Berechungen sind in der Exceltabelle verfügbar.