Schmitt-Trigger

Prinzip des Schmitt-Triggers

Das grundlegende Prinzip des Schmitt-Triggers basiert auf dem Konzept der Hysterese. Die Schaltung hat zwei unterschiedliche Schwellen: eine obere Schwelle (Schaltschwelle) und eine untere Schwelle (Rückschaltschwelle).Die Funktionsweise lässt sich wie folgt beschreiben:

• Wenn das Eingangssignal die obere Schwelle überschreitet, wechselt der Ausgang in den High-Zustand.
• Der Ausgang bleibt im High-Zustand, bis das Eingangssignal unter die untere Schwelle fällt.
• Sobald das Eingangssignal die untere Schwelle unterschreitet, schaltet der Ausgang auf den Low-Zustand.

Schmitt-Trigger Nicht-Invertierend

Ein nicht-invertierender Schmitt-Trigger ist ein Typus, bei dem das Ausgangssignal die gleiche Phase wie das Eingangssignal hat. Wenn das Eingangssignal steigt und die obere Schwelle überschreitet, schaltet der Ausgang von Low auf High, ohne die Phase zu invertieren. Dies ist besonders nützlich, wenn ein stabiles High-Signal aus einem schwankenden Eingangssignal benötigt wird.Hauptmerkmale eines nicht-invertierenden Schmitt-Triggers:

• Das Ausgangssignal ist phasengleich mit dem Eingangssignal.
• Die Schaltung benötigt positive Rückkopplung, um die Hysterese zu schaffen.
• Oft verwendet, um langsame Signale zu schärferen Übergängen zu verbessern.

Schmitt-Trigger Schaltung

Die Schmitt-Trigger Schaltung ist eine besondere Art von Spannungsvergleicher, die sich ideal zur Digitalisierung von analogen Signalen eignet. Sie ist deshalb so einzigartig, weil sie aufgrund ihrer Hysterese Spannungsveränderungen stabil abbilden kann und somit störungsresistent ist. Solche Schaltungen kommen in vielen Bereichen der Technik zum Einsatz.

Grundlegender Aufbau

Der grundlegende Aufbau einer Schmitt-Trigger Schaltung verwendet einen Operationsverstärker und zwei Widerstände, die eine Rückkopplungsschleife bilden. Die Hysterese sorgt dafür, dass das Schaltsignal nicht auf jede kleine Schwankung des Eingangsignals direkt reagiert, sondern erst dann, wenn definierte Schwellen überschritten werden.Ein typischer Schmitt-Trigger beinhaltet folgende Komponenten:

• Operationsverstärker
• Zwei Widerstände für die Rückkopplung
• Stabile Spannungsversorgung

Schmitt-Trigger mit einstellbarer Hysterese

Ein Schmitt-Trigger mit einstellbarer Hysterese ermöglicht es, die Werte für die obere und untere Schwelle flexibel zu verändern. Dies kann mithilfe von variablen Widerständen oder Potentiometern erfolgen. Durch diese Einstellbarkeit kann der Schmitt-Trigger an spezifische Anforderungen verschiedener Anwendungen angepasst werden.Merkmale einstellbarer Schmitt-Triggers:

• Frei wählbare obere und untere Schwellen
• Anpassbar an verschiedene Signalbedingungen
• Nützlich in variablen Umgebungen

Schmitt-Trigger Anwenden

In der Elektronik sind Schmitt-Trigger unverzichtbare Bausteine, die häufig zum Einsatz kommen, um analoge Signale in digitale Signale umzuwandeln. Sie zeichnen sich durch eine duale Schaltschwelle aus, die Rauschen und Fluktuationen im Eingangssignal minimiert. Diese Eigenschaften machen sie zu wichtigen Helfern in vielen technischen Anwendungen.

Typische Anwendungsbereiche

Schmitt-Trigger finden in zahlreichen Bereichen Anwendung, dank ihrer Fähigkeit, ein instabiles Signal in ein stabileres, digitales Signal umzuwandeln. Typische Einsatzgebiete umfassen:

• Signalaufbereitung: Zur Unterdrückung von Rauschen und zur Stabilisierung von digitalisierbaren Signalen.
• Oszillatoren: Als wesentliche Komponente in nicht-sinusförmigen Oszillatoren.
• Eingangsverarbeitung von Mikroprozessoren: Zur Verbesserung der Datenrate und Absicherung vor elektromagnetischen Störungen.

Schmitt-Trigger in der Praxis

Die praktische Anwendung von Schmitt-Triggern reicht von der simplen Schaltungen in Heimwerkerprojekten bis hin zu komplexen industriekritischen Systemen. In der Praxis werden Schmitt-Trigger verwendet, um:

• Interferenzen zu minimieren: Sie eliminieren Rauschen, das sonst fehlerhafte Logiksignale erzeugen könnte.
• Stabile Schaltpunkte zu bieten: Sie helfen in der Umwandlung von analogen zu digitalen Signalen.

Schmitt-Trigger Berechnen

Das Berechnen von Schmitt-Trigger-Schaltungen erfordert ein fundiertes Verständnis der Hysterese und der Schaltschwellen. Diese Schaltungen sind optimale Spannungsvergleicher, die durch ihre zweistufige Schaltschwelle gekennzeichnet sind. Sie werden häufig in der Elektronik eingesetzt, um analoge Signale zu digitalisieren und Rauscheffekte zu reduzieren.

Formeln und Berechnungsansätze

Um die Schaltschwellen eines Schmitt-Triggers zu berechnen, verwendest Du üblicherweise einen Rückkopplungs-Widerstand und deren Verhältnis zur Versorgungsspannung. Dies geschieht durch folgende Schritte:

• Bestimme die Sättigungsspannungen \(V_{sat+}\) und \(V_{sat-}\) des Operationsverstärkers.
• Berechne die obere Schwelle \(V_{th+}\) mit: \[ V_{th+} = \frac{R_1}{R_2 + R_1} \cdot V_{out} \]
• Berechne die untere Schwelle \(V_{th-}\) mit: \[ V_{th-} = \frac{R_1}{R_2 + R_1} \cdot V_{out} \]

Einflussfaktoren auf Hysterese und Schaltpunkte

Die Hysterese und Schaltpunkte eines Schmitt-Triggers sind von mehreren Faktoren abhängig. Zu den wichtigsten Einflussgrößen gehören:

• Die Versorgungsspannung: Eine Veränderung der Spannung wirkt sich direkt auf die Schaltschwellen aus und kann den Bereich der Hysterese verschieben.
• Temperaturänderungen: Materialien und Komponenten können sich durch Temperaturschwankungen verändern, was die Präzision der Schaltung beeinflusst.
• Bauteiltoleranzen: Auch kleine Abweichungen in der Widerstandstoleranz können merkliche Auswirkungen auf die Hysterese haben.
• Frequenz des Eingangssignals: Eine höhere Frequenz kann dazu führen, dass die Schaltung langsamer reagiert und die Hysterese geringer wird.