Schmitt-Trigger
Englisch: Schmitt trigger
Komparatorschaltung mit Hysterese durch positive Rückkopplung auf den nichtinvertierenden Eingang eines Komparators oder Differenzverstärkers, die ein Analogsignal in ein Digitalsignal umwandelt.
Schmitt-Trigger: Komparator, der Rauschen durch Schaltung mit Gedächtnis ignoriert
Ein Schmitt-Trigger ist eine Signalaufbereitungsschaltung, die eine sich langsam ändernde oder verrauschte Analogspannung in einen sauberen digitalen Ausgang umwandelt. Dazu vergleicht er das Eingangssignal mit zwei verschiedenen Schwellwertspannungen statt nur einer, wodurch ein Spannungsbereich entsteht, in dem der Ausgang nicht sofort umschaltet. Wenn die Eingangsspannung über den oberen Schwellwert ansteigt, schaltet der Ausgang auf High; wenn sie unter den unteren Schwellwert fällt, schaltet der Ausgang auf Low. Dieses Zwei-Schwellwert-Verhalten, genannt Hysterese, verhindert, dass die Schaltung oszilliert, wenn die Eingangsspannung in der Nähe eines einzelnen Auslösepunktes schwebt.
Die Schaltung erreicht die Hysterese durch Gegenkopplung: Die Ausgangsspannung wird auf den nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers oder Komparators zurückgeführt und verschiebt die Schaltschwellen je nach aktuellem Ausgangszustand. Typische Hysteresefenster reichen von 10 Millivolt bis zu mehreren Volt, abhängig von den Bauteilwerten und der Referenzspannung. In einer einfachen invertierenden Konfiguration mit einem Operationsverstärker setzen Widerstände die oberen und unteren Schwellen. Industrielle Versionen enthalten oft Schmitt-Trigger-Logikgatter (wie 74HC14 oder 40106 CMOS-Bausteine), die mehrere unabhängig konfigurierbare Kanäle in einem Gehäuse bereitstellen.
Schmitt-Trigger treten überall dort auf, wo verrauschte Signale gereinigt werden müssen, bevor sie digitale Logikschaltungen erreichen. Typische Anwendungen sind die Signalaufbereitung von Näherungsschaltern, Fotodetektor-Schaltungen und analogen Tasten, bei denen Kontaktprellen oder Sensordrift sonst zu mehrfachen fehlerhaften Übergängen führen würde. Sie sind unverzichtbar in Systemen, die Signale aus industriellen Umgebungen abtasten, in denen sich elektromagnetisches Rauschen in die Verkabelung einkoppelt. Ein Ausgang eines Fotozellen-Sensors kann sich langsam über einen Schwellwert hinweg verändern, wenn sich die Linse verschmutzt; ein Schmitt-Trigger mit angemessener Hysterese wird diese Veränderung ignorieren und einen stabilen Logikpegel halten, bis das Signal entscheidend in das entgegengesetzte Band übergeht.
Praktische Designaspekte
Die Wahl der Hysteresebandbreite ist entscheidend. Zu schmal und die Schaltung reagiert auf Rauschen; zu breit und sie kann echte Signalübergänge verpassen. Die Eingangsimpedanz der Trigger-Stufe muss beim Anschluss von hochohmigen Sensoren berücksichtigt werden. Ausgangsimpedanz und Treiberkapazität bestimmen, ob der Ausgang direkt auf Logik-Eingänge geschaltet werden kann oder ob eine Pufferstufe erforderlich ist. Manche Anwendungen erfordern, dass der Ausgang schneller umschaltet, als der Komparator von Natur aus zulässt, was zusätzliche Ausgangsaufbereitung oder einen separaten Line Driver notwendig macht.
Nach Otto H. Schmitt benannt, der das Prinzip 1938 mit Vakuumröhren beschrieb, ist der Schmitt-Trigger zu einem Standardbaustein der Analog-Digital-Schnittstelle geworden. Der Name stammte von der ursprünglichen Entwurfsmethode, während moderne Implementierungen Transistoren oder integrierte Komparatoren verwenden. Das Verständnis des Hysterese-Verhaltens ist wesentlich für jeden, der fehlerhafte flankengesteuerte Logik in elektrischem Rauschen überprüft, oder für die Konstruktion von Sensorsystemen, die Signale zuverlässig von Rauschen unterscheiden müssen.