Schmitt-Trigger erklärt: Design, Funktionsweise und praktische Anwendungen

Der Schmitt-Trigger, ursprünglich als thermionischer Trigger bekannt, existiert seit Jahrzehnten. Er hat maßgeblich zu technologischen Fortschritten beigetragen, etwa dem zuverlässigen Umschalten zwischen zwei Spannungszuständen. Es handelt sich um einen Komparator oder Differenzverstärker mit zusätzlicher Hysterese für Störfestigkeit. Auch ohne Hysterese fungiert er als Komparator, der saubere digitale Impulse erzeugt.

Heute entwerfen wir eine Schmitt-Trigger-Schaltung, erklären ihre Funktionsweise und zeigen Anwendungsbereiche.

1. Was ist ein Schmitt-Trigger?

Kurz gesagt: Ein regenerativer Komparator. Er nutzt positive Rückkopplung, um Hysterese zu implementieren oder sinusförmige Eingänge in Rechteckausgänge umzuwandeln. Die Ausgangsspannung dient oft als Referenzspannung für Eingangssignale. Er wandelt Rauschen vom analogen Eingang in ein digitales Signal um.

Ein Schmitt-Trigger kann auch als bistabile Schaltung ausgeführt sein, die stabile High- und Low-Ausgangspegel aufweist, sobald der Eingang den Schwellwert erreicht.

2. Arten von Schmitt-Triggern

Es gibt zahlreiche Logik-ICs mit integrierten Schmitt-Triggern. Wir konzentrieren uns jedoch auf diskrete Aufbauten.

Die Haupttypen sind:

• Operationsverstärker-basierter Schmitt-Trigger
• Transistor-basierter Schmitt-Trigger

Details folgen im Abschnitt „Gängige Schmitt-Trigger-Schaltungen“.

3. Wie funktioniert ein Schmitt-Trigger?

Ein Schmitt-Trigger nutzt positive Rückkopplung: Ein Teil des Ausgangssignals wird zum Eingang zurückgeführt, wodurch der Ausgangszustand verstetigt wird.

(Prinzip der positiven Rückkopplung)

Diese Verstärkung sorgt dafür, dass der Komparator-Ausgang willkürlich in einem Zustand verbleibt und dieser konstant auf dem vorgegebenen Pegel gehalten wird.

4. Gängige Schmitt-Trigger-Schaltungen

Schmitt-Trigger mit Transistoren

Wir verwenden zwei Transistoren als Kernkomponenten sowie grundlegende externe Bauteile für den Blockschaltplan.

Funktionsweise der Schaltung

Bei V_IN = 0 V leitet T1 nicht. Die Referenzspannung V_ref = 1,98 V lässt T2 leiten.

Am Knoten B kann die Schaltung als Spannungsteiler betrachtet werden. Mit den Bauteilwerten berechnen sich die Spannungen:

V_IN = 0 V, V_ref = 5 V

V_a = (R_a + R_b / R_a + R_b + R₁) × V_ref

V_b = (R_b / R_b + R₁ + R_a) × V_ref

Die 1,98 V an T2 sind niedrig. Die Basisspannung von T2 beträgt 1,28 V, was über der Emitterspannung von 0,7 V liegt.

Erhöht man die Eingangsspannung über den Schwellwert von T1, beginnt T1 zu leiten. Die Basisspannung von T2 sinkt, T2 leitet kürzer, und die Ausgangsspannung steigt.

Schmitt-Trigger mit Transistoren

Bei fallender Eingangsspannung an der Basis von T1 sinkt diese unter 0,7 V (Emitterspannung), T1 sperrt. Der Vorgang hängt vom Emitterstrom ab, bis der Transistor in den Durchlassbetrieb übergeht. Anschließend steigen Basisspannung von T2 und Kollektorspannung an.

Manchmal fließt noch ein kleiner Reststrom durch T2, der T1 ausschaltet und die Emitters pannung senkt. Dann muss die Eingangsspannung auf ca. 1,3 V abgesenkt werden, um T1 zu deaktivieren.

Resultat: Zwei Schwellspannungen bei 1,3 V und 1,9 V.

Operationsverstärker-basierte Schmitt-Trigger-Schaltungen

Diese unterteilen sich in nicht-invertierende und invertierende Schmitt-Trigger.

Invertierender Schmitt-Trigger

Der Eingang liegt am invertierenden Eingang des Op-Amps. Der Ausgang hat entgegengesetzte Polarität und wird für positive Rückkopplung auf den nicht-invertierenden Eingang geführt.

Invertierender Schmitt-Trigger

Erklärung und Formeln der obigen Schaltung:

Ist V_REF < V_IN, liefert der Komparator -V_SAT. Ist -V_REF etwas größer als V_IN (negativer), ist der Ausgang +V_SAT. Die Ausgangsspannung V_o ist also entweder -V_SAT oder +V_SAT. Über R₁ und R₂ lassen sich die Umschaltpunkte einstellen.

Formeln für V_REF und -V_REF:

1. V_REF = (V_O × R₂) / (R₁ + R₂)
2. V_O = V_SAT → V_REF = (V_SAT × R₂) / (R₁ + R₂)
3. -V_REF = (V_O × R₂) / (R₁ + R₂)
4. V_O = -V_SAT → -V_REF = (-V_SAT × R₂) / (R₁ + R₂)

V_REF wird oft als obere Schaltschwelle (V_UT) bezeichnet, -V_REF als untere Schaltschwelle (V_LT).

Nicht-invertierender Schmitt-Trigger

Der Eingang liegt am nicht-invertierenden Eingang des Op-Amps. Der Emitterwiderstand R₁ führt die Ausgangsspannung zur positiven Rückkopplung zurück.

Nicht-invertierender Schmitt-Trigger

War die Ausgangsspannung initial bei +V_SAT, bleibt sie dort, solange V_LT > V_IN. Steigt V_IN über V_LT, wechselt der Ausgang auf -V_SAT. Durch Vorspannung können gewünschte Referenzwerte eingestellt werden.

Der Ausgang bleibt bei -V_SAT, bis V_IN die obere Schwelle V_UT überschreitet.

5. Anwendungen von Schmitt-Triggern

Schmitt-Trigger finden sich in zahlreichen Anwendungen:

• Entprellschaltungen für Schalter
• Realisierung von Entspannungsoszillatoren (besonders in Designs mit negativer Rückkopplung im geschlossenen Regelkreis)
• Funktionsgeneratoren und Netzteile
• Umwandlung von Sinus- in Rechtecksignale
• Signalkonditionierung in Digitaltechnik zur Beseitigung von Störungen und Mehrfachauslösungen

Zusammenfassung

Dieser Artikel gab einen detaillierten Einblick in Schmitt-Trigger, ihre Funktionsweise, Grundschaltungen und Anwendungen.

Trotz hoher Effizienz sind Vorsichtsmaßnahmen ratsam: Das Treiben eines Op-Amps in die Sättigung erhöht den Stromverbrauch und erfordert eine leistungsfähigere Stromversorgung. Dennoch eliminiert man Rauschsignale und reduziert mehrfache Ausgangsumschaltungen.

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