Schmitt-Trigger

Der Schmitt-Trigger, benannt nach seinem Erfinder Otto Schmitt, ist eine elektronische Schaltung bestehend aus einem Komparator bei dem die Ein- bzw. Ausschaltschwellen nicht zusammenfallen sondern um eine Schalthysterese gegeneinander versetzt sind. Verwendet wird ein Schmitt-Trigger zur Erzeugung digitaler Signale um eindeutige Schaltzustände aus einem analogen Eingangsignalverlauf zu gewinnen. Anwendungsbeispiele sind das Entprellen von Schaltern oder bei Oszillatorschaltungen zur Schwingungserzeugung.

Funktion

Der Schmitt-Trigger ist ein analoger Komparator mit Mitkopplung. Er arbeitet als Vergleicher für zwei analoge Spannungen und funktioniert als Schwellwertschalter: Bei Überschreiten einer bestimmten im Schmitt-Trigger eingestellten Schwellspannung nimmt der Ausgang bei der nicht invertierenden Ausführung die maximal mögliche Ausgangspannung (logisch-1) an, im anderen Fall die minimal mögliche Ausgangspannung (logisch-0). Bei der invertierenden Ausführung verhält sich die Ausgang genau invertiert. Ausgangspannungen zwischen dem maximalen und der minimalen Wert kommen im statischen Betrieb nicht vor. Durch die Mitkopplung besitzt er im Gegensatz zum reinen Komparator jedoch geringfügig unterschiedliche Ein- und Ausschaltschwellen, die um den Hysterese genannten Wert auseinanderliegen.

Überschreitet die Eingangsspannung die obere Schaltschwelle des Schmitt-Triggers, so kippt seine Ausgangspannung vom maximalen Spannungswert auf den minimalen Spannungswert. Unterschreitet die Eingangsspannung anschließend die untere Schaltschwelle, so kippt die Ausgangsspannung zurück auf die maximale Ausgangspannung. Die geringe Differenzspannung zwischen den beiden Schwellspannungen auf der Eingangsseite ist die Hysterese und lässt sich bei der diskret aufgebauten Version eines Schmitt-Triggers durch Widerstände im Aufbau definieren. Bei Schmitt-Triggern welche als integrierter Schaltkreis ausgeführt sind ist eine Veränderung dieser Schaltschwellen meist nicht möglich.

Invertierender Schmitt-Trigger

Das nebenstehende Schaltbild stellt einen invertierenden Schmitt-Trigger mit einstellbarer Schwellwert in Form der Spannung U_r und einem Operationsverstärker dar. In Schaltungen wird meist nur der Eingang, hier mit U_e gekennzeichnet, und der Ausgang mit U_a eingezeichnet. Die Mitkopplung bei dieser Schaltung ist daran erkennbar, dass ein Teil der Ausgangspannung über das Widerstandsnetzwerk zurück an den positiven Eingang des Operationsverstärkers gelangt.

Die genauen Schaltschwellen U₁ und U₂ für das Ein- bzw. Ausschalten weichen geringfügig von der von aussen vorgegebenen Schwellspannung U_r aufgrund der Hysterese ab und lassen sich über folgende Gleichungen bestimmen:

U_{1}=U_{r}+{R_{2} \over {R_{1}+R_{2}}}\cdot (+U_{v}-U_{r})

U_{2}=U_{r}+{R_{2} \over {R_{1}+R_{2}}}\cdot (-U_{v}-U_{r})

Die nebenstehende Kennlinie eines Schmitt-Triggers, dargestellt in der Eingangs- zu Ausgangsspannungs-Ebene, verdeutlicht die unterschiedlichen Schwellspannungen.

Die Spannung U_v entspricht in der Modellierung der symmetrischen Versorgungsspannung des Operationsverstärkers. Bei einem realen Operationsverstärker sollten jedoch die Sättigungsspannungen des Ausgangs zur Berechnung von Größen eingesetzt werden, welche geringfügig unterhalb der Versorgungsspannung liegen. Diesen Fehler bei den Schaltschwellen zufolge der Versorgungsspannung vermeidet ein Präzisions-Schmitt-Trigger welcher aus einem Fenster-Komparator, dies sind zwei Komperatoren ohne Hysterese mit geringfügig unterschiedlichen Schaltschwellen, und einem nachgeschaltenen RS-Flipflop besteht.

Es ist auch möglich, einen Operationsverstärker als Schmitt-Trigger mit asymmetrischer Versorgungsspannung zu betreiben. In diesem Fall ist die negative Versorgungspannung U_v gleich 0 V und der Ausgang schaltet zwischen 0 V, was logisch-0 entspricht, und U_v, was logisch-1 entspricht. Die Schwellenspannung U_r wird dann meist gleich der halben Versorgungspannung U_v gewählt - die genauen Spannungsniveaus können aber je nach Logikfamilie unterschiedlich sein. Diese Art der asymmetrischen Versorgung wird meist in digitalen Schaltungen bevorzugt.

Nicht-invertierender Schmitt-Trigger

Nebestehend ist die Schaltung eines nicht-invertierenden Schmitt-Triggers mit amerikanischen Schaltsymbolen dargestellt. Das Verhalten der Ausgangsspannung ist im Vergleich zu obiger Schaltung genau invers. Weiters ist der Eingangswiderstand dieser Schaltung wesentlich kleiner als bei der invertierenden Schmitt-Trigger-Schaltung und ist gleich dem Widerstand R₁+R₂. Daher findet diese Schaltung meist geringere Anwendung als der invertierende Schmitt-Trigger. Die Invertierung der Ausgangspannung kann bei Bedarf in digitalen Schaltungen auch durch einen nachgeschaltenen Inverter vorgenommen werden und vermeidet dann den Nachteil des geringen Eingangswiderstandes des nicht-invertierenden Schmitt-Triggers.

Bei angegebener Schaltung ist die Schwellenspannung fix auf 0 V geschalten, kann aber durch Anheben bzw. Absenken der Spannung U_r auf dem negativen Eingang des Operationsverstärkers verändert werden.

Diskreter Schaltungsaufbau

Der Schmitt-Trigger kann auch als diskrete Schaltung mit MOSFETs bzw. bipolarer Transistoren realisiert werden. In den nachfolgenden Abbildungen sind dafür Schaltungsbeispiele angegeben.

Anwendung

Werden digitale Signale über lange Kabelstrecken übertragen, so werden die Signalflanken auf Grund der Tiefpasscharakteristik eines jeden Kabels verschliffen. Ein Schmitt-Trigger erzeugt für nachfolgende Schaltungsteile wieder steile Signalflanken und eindeutige Signalpegel.

Aus einem Schmitt-Trigger, einem Widerstand und einem Kondensator (RC-Glied) lässt sich ein einfacher Oszillator aufbauen (relaxation oscillator).

Weblinks