Ein Taster prellt, ein Lichtsensor liefert eine Spannung, die bei Dämmerung im Zeitlupentempo durch die Schwelle kriecht, ein Signal kommt verschliffen und verrauscht über ein langes Kabel an. Ein gewöhnlicher Komparator oder Logikeingang macht daraus ein nervöses Zittern aus vielen kurzen Impulsen. Der Schmitt-Trigger macht daraus einen sauberen Sprung. Sein Trick: Er hat nicht eine, sondern zwei Schaltschwellen – eine zum Einschalten und eine etwas tiefere zum Ausschalten. Benannt ist er nach dem US-Ingenieur Otto Schmitt, der die Schaltung 1938 mit Elektronenröhren beschrieb.
Funktionsweise: zwei Schwellen statt einer
Steigt die Eingangsspannung, schaltet der Ausgang erst an der oberen Schwelle UT+ um. Danach kann die Spannung wieder ein Stück sinken, ohne dass etwas passiert – erst an der unteren Schwelle UT− schaltet der Ausgang zurück. Den Abstand nennt man Hysterese:
Solange das Rauschen auf dem Signal kleiner ist als die Hysterese, kann es den Ausgang nicht hin und her werfen. Hat der Ausgang einmal umgeschaltet, müsste die Störung das Signal um die ganze Hysterese zurückziehen.
Technisch entsteht die Hysterese durch Mitkopplung: Ein Teil der Ausgangsspannung wird auf den nichtinvertierenden Eingang zurückgeführt. Schaltet der Ausgang um, verschiebt er damit seine eigene Schwelle in die Richtung, die ihn im neuen Zustand hält. Das macht das Umschalten außerdem schneller und eindeutiger, weil sich der Vorgang selbst verstärkt.
Kennlinie
Die Übertragungskennlinie zeigt die Hysterese als Schleife. Beim Hinweg (Spannung steigt) springt der Ausgang rechts, beim Rückweg (Spannung fällt) links. Dazwischen hängt der Ausgangszustand davon ab, woher das Signal kommt.
Im Zeitverlauf sieht das so aus: Ein verrauschtes, langsam steigendes Signal kreuzt die obere Schwelle mehrmals. Der Ausgang schaltet trotzdem nur einmal, weil die Störspitzen nicht bis zur unteren Schwelle hinunterreichen.
Schaltzeichen
Im Schaltzeichen nach IEC kennzeichnet ein kleines Hysteresesymbol – eine Schleife wie in der Kennlinie – im Kasten des Gatters den Schmitt-Trigger-Eingang. Steht dazu ein Kringel am Ausgang, invertiert der Baustein. In amerikanischen Plänen sitzt dasselbe Symbol im Dreieck des Inverters. Wie Logiksymbole nach IEC und ANSI aufgebaut sind, steht unter Digitale Schaltzeichen.
Schmitt-Trigger-ICs und ihre Kennwerte
Am häufigsten begegnest du dem Schmitt-Trigger als Logikbaustein. Der 74HC14 enthält sechs invertierende Schmitt-Trigger, der CD40106 ebenso für Versorgungen bis 18 V, der 74HC132 und der CD4093 vier NAND-Gatter mit Schmitt-Trigger-Eingängen. Für einzelne Signale gibt es Ein-Gatter-Bausteine wie den 74LVC1G17 (nicht invertierend) im SOT-23-5. Mehr zu diesen Familien unter Logikgatter-ICs.
Die Schwellen des 74HC14 liegen bei 4,5 V Versorgung so:
| Kennwert | min. | typ. | max. |
|---|---|---|---|
| obere Schwelle UT+ | 1,55 V | 2,5 V | 3,13 V |
| untere Schwelle UT− | 0,9 V | 1,6 V | 2,45 V |
| Hysterese ΔU | 0,4 V | 0,9 V | 2,1 V |
| Laufzeit | – | 12 ns | 25 ns |
Die Streuung ist groß: Garantiert sind nur 0,4 V Hysterese, und die Schwellen können um mehr als ein Volt wandern. Für Entprellung und Signalaufbereitung genügt das, für genaue Schaltpunkte nicht. Viele Mikrocontroller haben übrigens an ihren digitalen Eingängen bereits eine kleine Hysterese eingebaut, das Datenblatt nennt sie meist als Vhys. Gewöhnliche Logikgatter wie der 74HC04 oder 74HC00 haben dagegen keine.
Schmitt-Trigger mit Komparator berechnen
Wenn du die Schwellen genau festlegen willst, baust du den Schmitt-Trigger mit einem Komparator mit Gegentakt-Ausgang. Beim nichtinvertierenden Aufbau liegt eine Referenz URef am −-Eingang. Das Eingangssignal kommt über R1 an den +-Eingang, und R2 führt vom Ausgang zurück auf denselben Eingang.
Der +-Eingang sieht einen Spannungsteiler zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung. Umgeschaltet wird, wenn er die Referenz erreicht. Mit Ausgang Low (0 V) und High (UH) ergeben sich die Schwellen:
Beim invertierenden Schmitt-Trigger kommt das Signal an den −-Eingang, und der Teiler aus Referenz und Ausgang sitzt am +-Eingang. Der Ausgang geht dann bei steigender Spannung auf Low. Bei einem Komparator mit Open-Collector-Ausgang gehört der Pull-up mit in die Rechnung, weil er im High-Zustand in Reihe zu R2 liegt.
Typische Anwendungen
- Taster entprellen: Ein Taster prellt beim Schließen einige Millisekunden lang. Ein RC-Glied glättet die Impulse, ein Schmitt-Trigger macht aus der langsam steigenden Kondensatorspannung wieder eine steile Flanke.
- Rechteckgenerator: Ein invertierender Schmitt-Trigger mit Widerstand vom Ausgang zum Eingang und Kondensator vom Eingang nach Masse schwingt von selbst. Mit dem 74HC14 liegt die Frequenz typisch bei f ≈ 1 / (0,8 · R · C), streut aber mit den Schwellen deutlich. Für genaue Takte nimm einen Timer 555 oder Quarz.
- Signalaufbereitung: Verschliffene Flanken nach langen Leitungen oder von Sensoren wie einem Hallsensor werden wieder steil.
- Zweipunktregler: Ein Thermostat mit Hysterese schaltet die Heizung bei 20 °C ein und bei 21 °C aus, statt im Sekundentakt zu klappern. Dasselbe Prinzip gibt es oft auch in Software.
- Nulldurchgangserkennung von verrauschten Wechselsignalen, etwa bei einer Drehzahlmessung.
Ladekurven und Zeiten kannst du hier nachrechnen:
Kondensator laden und entladen
- Zeitkonstante τ
- 1 s
- 5 τ
- 5 s
- Spannung nach t
- 3,16 V
- Strom nach t
- 184 µA
- Zeit bis Zielspannung
- 1,61 s
uC(t) = U₀ · (1 − e−t/τ), Laden ab 0 V. τ = R · C. Ideale Bauteile: Innenwiderstand der Quelle, Leckstrom und Toleranz von C sind nicht berücksichtigt. Nach 5 τ ist der Vorgang zu über 99 % abgeschlossen. Blauer Punkt: Spannung nach der Zeit t, grüner Ring: Zielspannung.
Auswahl und Praxistipps
Für Taster, Sensoren mit langsamen Flanken und einfache Oszillatoren genügt ein Logik-Schmitt-Trigger wie der 74HC14 oder bei 3,3 V ein 74LVC14. Willst du die Schwellen exakt festlegen, etwa für einen Batteriewächter oder Thermostat, nimm einen Komparator mit äußerer Beschaltung. Viele moderne Komparatoren wie der TLV3201 haben zusätzlich eine kleine eingebaute Hysterese von einigen Millivolt.
Häufige Fehler:
- Rückkopplung an den falschen Eingang: Auf den −-Eingang zurückgeführt, entsteht Gegenkopplung – die Schaltung arbeitet linear oder schwingt, schaltet aber nicht sauber.
- Hysterese kleiner als das Rauschen: Miss die Störungen und wähle die Hysterese deutlich größer.
- Quellwiderstand vergessen: Er verändert Schwellen und Hysterese, siehe Rechnung oben.
- Unbenutzte Eingänge offen: Beim 74HC14 und allen CMOS-Bausteinen jeden freien Eingang auf Masse oder Versorgung legen.
- Inversion übersehen: Der 74HC14 invertiert. Brauchst du das Signal unverändert, schalte zwei Stufen hintereinander oder nimm einen nicht invertierenden Typ wie den 74LVC1G17.
Selbsttest
Was ist die Hysterese eines Schmitt-Triggers?
Der Abstand zwischen oberer und unterer Schaltschwelle, ΔU = UT+ − UT−.
Wie entsteht die Hysterese bei einem Komparator?
Durch Mitkopplung: Ein Teil der Ausgangsspannung wird über einen Widerstand auf den +-Eingang zurückgeführt.
Ein Komparator mit 3,3 V Ausgang, R1 = 10 kΩ und R2 = 100 kΩ. Wie groß ist die Hysterese?
ΔU = 3,3 V · 10 kΩ / 100 kΩ = 0,33 V.
Warum eignet sich der 74HC14 nicht für einen genauen Schaltpunkt?
Seine Schwellen streuen von Exemplar zu Exemplar um mehr als ein Volt; garantiert sind nur 0,4 V Hysterese.
Wie lange braucht eine Entprellung mit 10 kΩ und 100 nF bis zur halben Versorgung?
t = 1 ms · ln 2 ≈ 0,69 ms.