Grundlagen des Schmitt-Triggers | Wie funktioniert ein Schmitt-Trigger?
In diesem Tutorial lernen wir etwas über den Schmitt-Trigger, einige grundlegende Implementierungen mit Transistoren, Op-Amps, wie ein Schmitt-Trigger funktioniert und auch einige wichtige Anwendungen. In einem früheren Tutorium haben wir gesehen, wie ein 555 Timer als Schmitt Trigger konfiguriert werden kann.
Übersicht
Einführung
Wenn ein Op-Amp im Open-Loop-Modus betrieben wird, bei dem keine Rückkopplung verwendet wird, z.B. in einer einfachen Komparatorschaltung, wird die sehr große Open-Loop-Verstärkung des Op-Amps dazu führen, dass die kleinste Rauschspannung den Komparator auslöst.
Wenn der Komparator als Nulldurchgangsdetektor verwendet wird, kann eine solche falsche Triggerung eine Menge Probleme verursachen. Es kann zu einer falschen Anzeige des Nulldurchgangs aufgrund des Nulldurchgangs des Rauschens statt des tatsächlichen Nulldurchgangs der Eingangssignale kommen.
Um ein solches unnötiges Umschalten zwischen hohen und niedrigen Zuständen des Ausgangs zu vermeiden, wird eine spezielle Schaltung namens Schmitt-Trigger verwendet, die eine positive Rückkopplung beinhaltet.
Was ist Schmitt-Trigger?
Schmitt Trigger wurde von Otto Schmitt Anfang der 1930er Jahre erfunden. Es handelt sich um eine elektronische Schaltung, die mit Hilfe einer positiven Rückkopplung eine Hysterese zur Eingangs-Ausgangsübergangsschwelle hinzufügt. Hysterese bedeutet hier, dass er zwei verschiedene Schwellenspannungspegel für die steigende und die fallende Flanke bereitstellt.
Im Wesentlichen ist ein Schmitt-Trigger ein bi-stabiler Multivibrator, dessen Ausgang auf unbestimmte Zeit in einem der beiden stabilen Zustände bleibt. Damit der Ausgang von einem stabilen Zustand in den anderen wechselt, muss sich das Eingangssignal entsprechend ändern (oder triggern).
Dieser bistabile Betrieb des Schmitt-Triggers erfordert einen Verstärker mit positiver Rückkopplung (oder regenerativer Rückkopplung) mit einem Schleifenfaktor größer als eins. Daher wird der Schmitt-Trigger auch als regenerativer Komparator bezeichnet.
Wenn wir zum Beispiel ein verrauschtes Eingangssignal wie unten gezeigt haben, werden die beiden Schwellenwerte der Schmitt-Trigger-Schaltung die Impulse korrekt bestimmen. Die Grundfunktion eines Schmitt-Triggers besteht also darin, verrauschte Rechteck-, Sinus-, Dreieck- oder andere periodische Signale in saubere Rechteckimpulse mit scharfen Vorder- und Rückflanken umzuwandeln.
Schmitt-Trigger mit Transistoren
Wie bereits erwähnt, ist ein Schmitt-Trigger im Grunde eine bistabile Schaltung, deren Ausgangszustände durch das Eingangssignal gesteuert werden. Daher kann er als Pegelerkennungsschaltung verwendet werden. Die folgende Schaltung zeigt einen einfachen Entwurf eines Schmitt-Triggers auf Transistorbasis.
Auch wenn diese Schaltung wie eine typische bistabile Multivibratorschaltung aussieht, ist sie in Wirklichkeit anders, da in dieser Schaltung die Kopplung vom Kollektor von Q2 zum Eingang von Q1 fehlt. Die Emitter von Q1 und Q2 sind miteinander verbunden und über RE geerdet. Außerdem dient RE als Rückkopplungspfad.
Funktionsweise der Schaltung
Wenn VIN Null ist, ist Q1 abgeschaltet und Q2 in Sättigung. Infolgedessen ist die Ausgangsspannung VO NIEDRIG. Wenn VCE(SAT) als 0 angenommen wird, dann ist die Spannung über RE gegeben durch:
(VCC x RE) / (RE + RC2)
Diese Spannung ist auch die Emitterspannung von Q1. Damit Q1 leitet, muss die Eingangsspannung VIN größer sein als die Summe aus der Emitterspannung und 0,7 V, d.h.
VIN = (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0,7
Wenn VIN größer ist als diese Spannung, beginnt Q1 zu leiten und Q2 wird aufgrund der Rückspeisung abgeschaltet. Infolgedessen geht der Ausgang VO auf HIGH. Nun ändert sich die Spannung über RE auf einen neuen Wert und ist gegeben durch:
(VCC x RE) / (RE + RC1)
Transistor Q1 leitet, solange die Eingangsspannung VIN größer oder gleich der folgenden ist:
VIN = (VCC x RE) / (RE + RC1) + 0.7
Wenn VIN unter diesen Wert fällt, dann kommt Q1 aus der Sättigung und der Rest der Schaltung arbeitet aufgrund der regenerativen Wirkung von Q1, das in die Abschaltung und Q2 in die Sättigung geht.
Die Ausgangszustände HIGH und LOW sind abhängig von den Eingangsspannungspegeln, die durch die Gleichungen
(VCC x RE) / (RE + RC1) + 0,7 und (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0.7
Die Übertragungseigenschaften eines Schmitt-Triggers weisen eine Hysterese auf und werden durch den unteren Auslösepunkt (untere Schwellenspannung) und den oberen Auslösepunkt (obere Schwellenspannung) bestimmt, die durch VLT und VUT gegeben sind.
VLT = (VCC x RE) / (RE + RC1) + 0.7
VUT = (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0.7
Durch Ändern der Werte von RC1 und RC2 kann das Ausmaß der Hysterese gesteuert werden, während der Wert von RE verwendet werden kann, um die obere Schwellenspannung zu erhöhen.
Schmitt-Trigger-Schaltungen auf Op-Amp-Basis
Da eine Schmitt-Trigger-Schaltung im Wesentlichen ein Verstärker mit positiver Rückkopplung ist, ist es möglich, dieses Setup mit Operationsverstärkern oder einfach Op-Amps zu implementieren. Je nachdem, wo der Eingang angelegt wird, können die auf Operationsverstärkern basierenden Schaltungen weiter in invertierende und nicht invertierende Schmitt-Trigger unterteilt werden.
Invertierende Schmitt-Trigger-Schaltung
Wie der Name schon sagt, wird bei einem invertierenden Schmitt-Trigger der Eingang an den invertierenden Anschluss des Operationsverstärkers angelegt. In diesem Modus hat der Ausgang eine entgegengesetzte Polarität. Dieser Ausgang wird an den nicht invertierenden Anschluss angelegt, um eine positive Rückkopplung zu gewährleisten.
Wenn VIN etwas größer als VREF ist, wird der Ausgang zu -VSAT und wenn VIN etwas kleiner als -VREF ist (negativer als -VREF), wird der Ausgang zu VSAT. Die Ausgangsspannung VO liegt also entweder bei VSAT oder -VSAT und die Eingangsspannung, bei der diese Zustandsänderungen auftreten, kann mit R1 und R2 gesteuert werden.
Die Werte von VREF und -VREF können wie folgt formuliert werden:
VREF = (VO x R2) / (R1 + R2), VO = VSAT. Folglich ist VREF = (VSAT x R2) / (R1 + R2)
-VREF = (VO x R2) / (R1 + R2), VO = -VSAT. Folglich ist -VREF = (-VSAT x R2) / (R1 + R2)
Die Referenzspannung VREF und -VREF werden als obere Schwellenspannung VUT und untere Schwellenspannung VLT bezeichnet. Das folgende Bild zeigt das Diagramm der Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Eingangsspannung, das auch als Übertragungskennlinie des Schmitt-Triggers bezeichnet wird.
Für ein reines sinusförmiges Eingangssignal ist der Ausgang einer invertierenden Schmitt-Trigger-Schaltung im folgenden Bild dargestellt.
Nicht-invertierende Schmitt-Trigger-Schaltung
Bei der nicht-invertierenden Schmitt-Trigger-Schaltung wird der Eingang in diesem Fall an den nicht-invertierenden Anschluss des Operationsverstärkers angelegt. Die Ausgangsspannung wird über den Widerstand R1 an den nichtinvertierenden Anschluss zurückgeführt.
Angenommen, die Ausgangsspannung liegt zunächst an VSAT. Bis VIN kleiner als VLT wird, bleibt der Ausgang auf diesem Sättigungspegel. Sobald die Eingangsspannung die untere Schwellenspannung überschreitet, wechselt der Ausgang in den Zustand -VSAT.
Der Ausgang bleibt in diesem Zustand, bis die Eingangsspannung über die obere Schwellenspannung ansteigt.
Das folgende Bild zeigt die Übertragungscharakteristik einer nicht-invertierenden Schmitt-Trigger-Schaltung.
Wenn ein reines Sinussignal als Eingangssignal angelegt wird, dann sehen die Ausgangssignale etwa so aus.
Anwendungen
- Eine wichtige Anwendung des Schmitt-Triggers ist die Umwandlung von Sinuswellen in Rechteckwellen.
- Sie können verwendet werden, um das Flattern in Komparatoren zu eliminieren (ein Phänomen, bei dem mehrere Ausgangsübergänge aufgrund des Schwankens des Eingangssignals durch den Schwellenbereich erzeugt werden).
- Sie können auch als einfache EIN/AUS-Steuerungen fungieren (z.B. temperaturabhängige Schalter).