OpAmp-Hysterese verstehen: Professioneller Leitfaden für Schmitt-Trigger & Komparatoren

Hysterese ist ein fundamentales, aber oft missverstandenes Konzept. Einfach erklärt: Hysterese bedeutet „Nachhinken“ – der Weg von A nach B unterscheidet sich von B nach A. In der Elektronik: Schaltpunkte für An- und Ausschalten sind unterschiedlich. Dieser Guide erklärt Hysterese an OpAmps/Komparatoren praxisnah.

Was ist Hysterese am OpAmp/Komparator?

Alltagsbeispiel: Relais mit Hysterese

12-V-Relais an Labornetzteil: Spannung langsam 0→12 V. Relais zieht bei ~11 V an. Spannung reduzieren: Relais fällt erst bei ~9 V ab. Differenz (2 V) = Hysterese (Spannungsnachhinken). Verhindert Flattern am Schwellwert.

Hysterese: Fluch oder Segen?

• Unerwünscht: Einfache BJT-Schaltungen, feste Schwellwerte nötig → Hysterese minimieren.
• Erwünscht: Batterieladegeräte (OpAmp), Komparatoren mit Rauschen → gezielt Hysterese einbauen (Rückkopplungswiderstand).

Viele Komparatoren haben interne Hysterese (5–10 mV) gegen parasitäre Oszillation. Externes Rauschen > interne Hysterese → externe Hysterese nötig.

Funktionsprinzip: Positive Rückkopplung

Hysterese wird durch positive Rückkopplung erzeugt (nicht negative!). Ein Widerstand vom Ausgang zum nicht-invertierenden Eingang verschiebt die Schwellwerte je nach Ausgangszustand.

Hinweis: OpAmps können als Komparatoren arbeiten (offener Loop, Sättigung), Komparatoren sind aber schneller & für Sättigung ausgelegt. OpAmp-Ausgang = linear, Komparator-Ausgang = digital (Open Collector / Push-Pull).

Hysterese am Komparator

Positive Rückkopplung (R_H) schafft zwei Schwellwerte: V_TH (High) und V_TL (Low). Rauschen zwischen den Schwellwerten verursacht keine Mehrfachschaltung → Rauschimmunität.

Hysterese am OpAmp (Schmitt-Trigger)

OpAmp im offenen Loop (oder mit positiver Rückkopplung) → Schmitt-Trigger. Ausgang saturiert an Versorgungsgrenzen. Funktioniert für invertierenden & nicht-invertierenden Eingang.

Komparator OHNE Hysterese – Problem

Spannungsteiler R_x, R_y setzt festen Schwellwert V_th. Eingang V_in wird verglichen. Rauschen auf V_in → mehrfaches Überschreiten von V_th → Ausgang flattert (High/Low/High…).

Kritisch bei: Temperaturschalter (Ventil flattert), Motorenansteuerung, Messwert-Erfassung.

Komparator MIT Hysterese – Lösung

Ausgang High (5 V): R_H ∥ R_x → mehr Strom in R_y → oberer Schwellwert V_H = 2,7 V.
Ausgang Low (0 V): R_H ∥ R_y → weniger Strom in R_y → unterer Schwellwert V_L = 2,3 V.
→ Umschalten High→Low erst bei < 2,3 V, Low→High erst bei > 2,7 V. Rauschen dazwischen wird ignoriert.

Design einer Hysterese-Komparatorschaltung

Schaltbild

Bauteile

• PCB
• Komparator (z. B. TLV3201 – Low Power, niedriger Ruhestrom)
• Metallfilmwiderstände 0,1 %

Design-Anforderungen

• Versorgung: +5 V
• Eingang: 0–5 V

Berechnung der Widerstände

Gewählt: R_x = 100 kΩ (geringer Strom). R_H = 576 kΩ berechnet nach:
RH/Rx = VL / (VH - VL) (Gleichung 1 & 2 im Anhang).

Fazit

Komparatoren unterscheiden Pegel zuverlässig. Hysterese definiert oberes/unteres Schaltlevel → eliminiert Flattern durch Rauschen. Externe Hysterese per Rückkopplungswiderstand ist Standard-Praxis. Fragen? Kontaktieren Sie uns.