Schmitt-Trigger: Funktionsweise, Varianten und Anwendungen verständlich erklärt

Schmitt-Trigger ist eine elektronische Schaltung, die ein sich veränderndes Eingangssignal in ein stabiles Signal mit zwei klaren Pegeln umwandelt. Die besondere Eigenschaft des Schmitt-Triggers ist die Verwendung unterschiedlicher Schwellenwerte für das Umschalten vom niedrigen in den hohen Zustand und umgekehrt. Dadurch führen kleine Spannungsschwankungen nicht zu ständigen Wechseln am Ausgang.

Solche Schaltungen werden zur Signalverarbeitung von Sensoren, zur Entprellung von Tastern und zum Schutz digitaler Geräte vor Fehlschaltungen eingesetzt. Im Folgenden erfahren Sie, wie ein Schmitt-Trigger funktioniert, warum Hysterese wichtig ist und welche Varianten es gibt.

Was ist ein Schmitt-Trigger?

Ein gewöhnlicher Komparator vergleicht die Eingangsspannung mit einem festen Schwellenwert und schaltet den Ausgang beim Überschreiten dieses Wertes um. Problematisch wird dies, wenn die Eingangsspannung in der Nähe der Schwelle liegt und elektrische Störungen auftreten. Schon kleine Schwankungen können dazu führen, dass der Komparator mehrfach zwischen zwei Zuständen umschaltet.

Der Schmitt-Trigger löst dieses Problem durch zwei Umschaltschwellen. Um in den hohen Zustand zu wechseln, muss die Eingangsspannung die obere Schwelle übersteigen. Für die Rückkehr in den niedrigen Zustand muss sie unter die untere Schwelle fallen. Innerhalb dieses Bereichs bleibt der Ausgangszustand erhalten.

Beispiel: Liegt die obere Schwelle bei 3 V und die untere bei 2 V, so führen Spannungsschwankungen zwischen diesen Werten nicht zu einem Wechsel am Ausgang, solange der aktuelle Zustand nicht die jeweilige Schwelle überschreitet.

Im Gegensatz zum Komparator mit nur einem Schwellenwert besitzt der Schmitt-Trigger ein Gedächtnis für den vorherigen Zustand. Es handelt sich dabei nicht um einen echten digitalen Speicher, sondern um eine Eigenschaft der Schaltung, die einen stabilen Ausgangspegel bei kleinen Eingangsschwankungen gewährleistet.

Funktionsweise des Schmitt-Triggers

Die Arbeitsweise eines Schmitt-Triggers beruht auf positiver Rückkopplung. Ein Teil des Ausgangssignals beeinflusst die Eingangsschwelle. Dadurch reagiert die Schaltung nicht auf jede kleine Spannungsänderung, sondern nur beim Überschreiten definierter Grenzen.

Erreicht die Eingangsspannung die obere Schwelle, schaltet der Ausgang in einen neuen Zustand. Nach dem Umschalten ändert sich die Schwelle, sodass für die Rückkehr eine andere Spannung erforderlich ist.

Hysterese und zwei Schaltschwellen

Hysterese bezeichnet die Differenz zwischen der oberen und der unteren Auslöseschwelle des Schmitt-Triggers. Sie definiert den Spannungsbereich, in dem der Ausgangszustand erhalten bleibt.

Beispiel für einen nichtinvertierenden Schmitt-Trigger mit zwei Schwellen:

• Untere Schwelle: 2 V. Sinkt die Spannung darunter, schaltet der Ausgang in den niedrigen Zustand.
• Obere Schwelle: 3 V. Steigt die Spannung darüber, wechselt der Ausgang in den hohen Zustand.
• Bereich 2-3 V: Keine Änderung am Ausgang, solange das Eingangssignal in diesem Bereich bleibt.

Die Breite der Hysterese ergibt sich aus der Differenz der Schwellen:

ΔU = U_oben − U_unten

Im Beispiel beträgt sie 1 V. Je breiter der Hysteresebereich, desto besser werden kleine Störungen unterdrückt. Ist die Hysterese jedoch zu groß, können relevante Signaländerungen übersehen werden.

Wie der Schmitt-Trigger Fehlschaltungen verhindert

Stellen Sie sich einen Sensor vor, dessen Spannung langsam ansteigt und sich der 3 V-Marke nähert. Durch elektrische Störungen schwankt das Signal zwischen 2,9 und 3,1 V.

Ein normaler Komparator mit 3 V-Schwelle würde bei jedem Überschreiten dieses Werts umschalten, was zu mehreren Ereignissen führen kann.

Der Schmitt-Trigger schaltet beim Erreichen der oberen Schwelle in den hohen Zustand und bleibt dort, selbst wenn die Spannung wieder auf 2,9 V fällt. Erst wenn das Signal unter die untere Schwelle (2 V) sinkt, erfolgt das Rückschalten.

Der Schmitt-Trigger entfernt Störungen also nicht aus dem Signal, sondern verhindert deren Einfluss auf das Ausgangssignal. Sehr starke Störungen, die beide Schwellen überschreiten, können dennoch zu Schaltvorgängen führen.

Schaltungsvarianten des Schmitt-Triggers

Ein Schmitt-Trigger lässt sich mit Transistoren, Operationsverstärkern, Komparatoren oder Logik-ICs aufbauen. Unabhängig von den Bauteilen bleibt die Hauptfunktion identisch: Das Umschalten des Ausgangs beim Erreichen einer der beiden Eingangsschwellen.

Die Unterschiede liegen im Schaltungsaufwand, der Schaltgeschwindigkeit, dem Energieverbrauch und der Möglichkeit zur Einstellung der Schwellen.

Schmitt-Trigger mit Transistoren

Die klassische Schaltung besteht aus zwei bipolaren Transistoren und mehreren Widerständen. Die Transistoren beeinflussen sich gegenseitig, sodass beim Erreichen der Schwelle ein schnelles Umschalten erfolgt. Die Widerstände bestimmen den Betriebsmodus und die Schaltschwellen.

Mit dieser Variante lässt sich Hysterese ohne spezielle ICs realisieren. Allerdings hängen die genauen Schwellen von Bauteilwerten, Temperatur und den Transistoreigenschaften ab.

Schmitt-Trigger mit Operationsverstärker oder Komparator

Ein Schmitt-Trigger lässt sich auch mit einem Operationsverstärker oder Komparator und positiver Rückkopplung über Widerstände realisieren. Die Widerstandsverhältnisse bestimmen die Breite der Hysterese, die Referenzspannung legt den Schaltbereich fest.

Komparatoren sind meist besser für die schnelle Umwandlung analoger Signale in digitale geeignet. Operationsverstärker können ebenfalls verwendet werden, allerdings sind nicht alle Modelle für schnelle Sättigung und Erholung ausgelegt.

Schmitt-Trigger mit Logik-ICs

Am einfachsten ist es, einen fertigen Schmitt-Trigger als Logik-Baustein zu verwenden, zum Beispiel den 74HC14 mit sechs Invertern und eingebauter Hysterese. Jeder Inverter wandelt ein langsames oder verrauschtes Signal in ein klares digitales Pegel um - am Ausgang ist das Signal invertiert.

Fertige ICs eignen sich besonders für die Signalaufbereitung von Tastern, Sensoren und die Erzeugung digitaler Impulse. Die Schaltschwellen werden durch die IC-Spezifikation und die Versorgungsspannung festgelegt.

Einsatzgebiete des Schmitt-Triggers

Der Schmitt-Trigger wird überall dort eingesetzt, wo ein analoges, instabiles Signal in klare digitale Pegel überführt werden muss. Besonders nützlich ist er bei Sensoren, mechanischen Kontakten und langsam veränderlichen Spannungen.

Typische Anwendungen:

• Taster und Schalter: Mechanische Kontakte prellen oft beim Betätigen. Die Hysterese reduziert Fehlschaltungen, auch wenn zur vollständigen Entprellung manchmal zusätzliche Filter nötig sind.
• Sensoren für Temperatur, Licht und Druck: Der Trigger verhindert häufige Umschaltungen, wenn der Messwert nahe der Schwelle schwankt.
• Digitale ICs: Wandelt langsam ansteigende Spannungen in Signale mit schnellen Übergängen zwischen logischen Pegeln um.
• Impulsgeneratoren: In Kombination mit Widerständen und Kondensatoren lassen sich periodische Signale erzeugen.
• Automatisierungstechnik: Sichert stabile Steuersignale auch bei leichten elektrischen Störungen.

Ein Beispiel: In Lichtsteuerungen liefert ein Bewegungsmelder oft ein Signal mit Schwankungen. Ein Schmitt-Trigger verringert hier das Risiko von Fehlschaltungen durch kleine Spannungsschwankungen am Ausgang des Sensors. Mehr zu den Grundlagen der Bewegungserkennung erfahren Sie im Beitrag So funktionieren Bewegungsmelder: Typen, Funktionsweise und Auswahl.

Vorteile und Grenzen des Schmitt-Triggers

Der größte Vorteil eines Schmitt-Triggers ist seine Robustheit gegenüber kleinen Spannungsschwankungen. Dank der Hysterese bleibt der Ausgang auch bei Störungen im Bereich der Schaltschwelle stabil.

Weitere Vorteile sind die einfache Realisierung, der geringe Bauteilaufwand und die Eignung für analoge und digitale Signale. Fertige Logik-ICs bieten diese Funktionalität nahezu ohne Zusatzaufwand.

Ein Schmitt-Trigger ist jedoch kein vollständiger Störfilter. Bei sehr großen Schwankungen, die beide Schwellen überschreiten, kommt es weiterhin zu Umschaltungen.

Eine falsch gewählte Hysterese-Breite kann außerdem die Empfindlichkeit beeinflussen: Ist der Bereich zu schmal, werden Störungen nicht ausreichend unterdrückt. Ist er zu groß, werden nützliche kleine Signaländerungen möglicherweise nicht mehr erkannt.

Deshalb sollten bei der Schaltungsentwicklung sowohl die Störamplitude als auch der Arbeitsbereich der Eingangsspannung und die Anforderungen an die Auslösegenauigkeit berücksichtigt werden.

Fazit

Ein Schmitt-Trigger wandelt ein unstetes Eingangssignal dank Hysterese - also zwei unterschiedlichen Schaltschwellen - in stabile logische Pegel um. So werden Fehlschaltungen durch kleine Spannungsschwankungen verhindert und die Zuverlässigkeit elektronischer Geräte verbessert.

Für einfache digitale Schaltungen eignen sich fertige Logik-Bausteine mit integriertem Schmitt-Trigger besonders gut. Wer die Schaltschwellen individuell anpassen möchte, kann Schaltungen mit Komparator oder Operationsverstärker und positiver Rückkopplung einsetzen.