Wenn die Versorgung einschaltet, steigt sie nicht schlagartig auf 5 V, sondern in einigen Millisekunden, manchmal auch in Sekunden. Flipflops, Zähler und Register landen dabei in irgendeinem Zustand. Ein Mikrocontroller, der schon bei 2 V zu rechnen beginnt, obwohl sein Takt erst ab 4,5 V stabil läuft, verschluckt sich und hängt. Ein Power-on-Reset hält die Schaltung so lange im Reset, bis die Versorgung sicher steht, und gibt sie dann frei.
Du brauchst ihn für jede Logikschaltung mit Speicher, die definiert starten soll – etwa das RS-Flipflop oder die Ein/Aus-Schaltung mit einem Taster – und für Bausteine, deren Datenblatt einen Reset nach dem Einschalten verlangt: Displays, ältere Mikrocontroller, FPGAs. Moderne Mikrocontroller bringen eine eigene Reset-Logik mit. Wann die reicht und wann nicht, klärt dieser Artikel.
Schaltplan
- R1, 100 kΩ, und C1, 1 μF: das Zeitglied. Die Kondensatorspannung UC steigt nach dem Einschalten langsam an.
- D1, 1N4148: Sie entlädt C1 schnell, wenn die Versorgung ausfällt. Sonst würde ein kurzes Aus-Ein den Reset auslassen.
- IC1a, 74HC14: Der Schmitt-Trigger macht aus der langsam steigenden Spannung eine saubere Flanke. Sein Ausgang ist der aktiv-High-Reset.
- IC1b: invertiert noch einmal für Bausteine mit aktiv-Low-Reset (R̅E̅S̅E̅T̅, C̅L̅R̅, M̅R̅).
- Nicht gezeichnet: 100 nF an Pin 14 und 7, freie Eingänge an Masse.
So funktioniert die Schaltung
Einschalten: C1 ist leer, UC liegt bei 0 V. IC1a sieht Low und gibt High aus: RESET ist aktiv, R̅E̅S̅E̅T̅ ist Low. C1 lädt sich über R1 auf, wie bei jedem RC-Glied. Erreicht UC die obere Schwelle des Schmitt-Triggers, kippen beide Ausgänge, der Reset ist vorbei.
Ausschalten: Fällt die Versorgung, liegt C1 noch auf 5 V. Sobald UCC um mehr als eine Diodenspannung unter UC sinkt, leitet D1 und entlädt C1 in die Versorgungsleitung. Kommt die Spannung zurück, startet der Reset von vorn. Ohne D1 entlüde sich C1 nur langsam über R1 oder über die Schutzdiode im Eingang des 74HC14, und ein kurzer Ausfall bliebe ohne Reset.
Die Schwachstelle: Das RC-Glied misst Zeit, nicht Spannung. Steigt die Versorgung schnell an, ist sie längst bei 5 V, wenn der Reset endet. Steigt sie langsam, endet der Reset womöglich, bevor die Versorgung brauchbar ist:
Die Schwelle eines CMOS-Schmitt-Triggers wächst mit der Versorgung mit. Läuft die Versorgung in 500 ms hoch, hängt UC ihr nur um gut eine Zeitkonstante hinterher und überholt bald die Schwelle von 56 % der jeweiligen Versorgung. Langsame Anstiege gibt es bei Solar- und Akkuschaltungen, bei Netzteilen mit Sanftanlauf und bei großen Elkos am Ausgang eines Reglers.
Dimensionierung
1. Reset-Dauer. Bei schnell ansteigender Versorgung lädt C1 auf die volle Spannung U, der Reset endet bei UT+:
Mit τ = 100 kΩ · 1 μF = 100 ms und dem typischen UT+ ≈ 2,78 V des 74HC14 bei 5 V:
Mit den Grenzen aus dem Datenblatt (UT+ zwischen etwa 1,7 V und 3,5 V bei 5 V) liegt die Dauer zwischen 42 ms und 119 ms.
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.
2. Wie lang muss der Reset sein? Er muss die Anstiegszeit der Versorgung plus die Anlaufzeit des Taktes abdecken. Ein Spannungsregler mit 100 μF am Ausgang ist meist in wenigen Millisekunden oben, ein Quarzoszillator braucht bis zu 10 ms zum Anschwingen. 42 ms im ungünstigsten Fall reichen dafür gut. Als Faustregel sollte τ mindestens das Fünffache der Anstiegszeit der Versorgung betragen.
3. Widerstand und Kondensator. R1 sollte nicht zu groß sein, sonst verschieben Leckströme den Ladevorgang. Ein Keramikkondensator mit 1 μF hat praktisch keinen Leckstrom; ein Elko mit 1 μA Leckstrom würde an 100 kΩ schon 0,1 V Fehler machen. Bleib bei R1 unter etwa 470 kΩ und nimm für längere Zeiten lieber einen größeren Kondensator.
4. Diode. Beim Abschalten fließt der Entladestrom von C1 über D1. Er hängt davon ab, wie schnell die Versorgung fällt, und liegt bei C · ΔU / Δt = 1 μF · 5 V / 1 ms = 5 mA – kein Problem für eine 1N4148 mit 200 mA.
Bauteilliste
| Bezeichner | Wert/Typ | Hinweis |
|---|---|---|
| R1 | 100 kΩ | bestimmt mit C1 die Reset-Dauer |
| C1 | 1 μF, X7R ≥ 16 V | Keramik, wenig Leckstrom |
| D1 | 1N4148 | Kathode an +5 V |
| IC1 | 74HC14 | Gatter a und b; freie Eingänge an Masse |
| C2 | 100 nF | Abblockung an Pin 14 |
Varianten
Reset-IC (Spannungsüberwachung). Ein Supervisor wie der MAX809 vergleicht die Versorgung mit einer festen Schwelle. Erst wenn sie überschritten ist, startet ein interner Zeitgeber, der den Reset noch mindestens 140 ms hält. Fällt die Spannung im Betrieb unter die Schwelle, kommt sofort wieder ein Reset. Das löst beide Schwächen des RC-Glieds: langsame Anstiege und Spannungseinbrüche.
Die Schwelle steckt in der Typbezeichnung: L für 4,63 V (5-V-Systeme mit 5 % Toleranz), M für 4,38 V, T für 3,08 V (3,3-V-Systeme). Der Ausgang ist schon ab 1 V Versorgung gültig. Das ist die Lösung, wenn dein Gerät aus Akku oder Solarzelle läuft; vergleiche auch den Unterspannungswächter.
Mikrocontroller mit eingebautem Reset. Der ATmega328P hat einen internen Power-on-Reset und eine Brown-out-Erkennung, die bei 1,8 V, 2,7 V oder 4,3 V auslöst – einstellbar über die Fuses. Am Reset-Pin genügen dann 10 kΩ nach +5 V und ein Taster nach Masse. Wichtig ist, dass die Brown-out-Erkennung eingeschaltet ist; mit 16 MHz Takt sollte sie bei 4,3 V stehen. Mehr dazu unter Mikrocontroller-Minimalbeschaltung.
Ohne Schmitt-Trigger. Manche Bausteine haben selbst einen Schmitt-Trigger am Reset-Eingang. Dann reicht das RC-Glied mit Diode direkt am Pin. Steht im Datenblatt nichts dazu, gehört ein Schmitt-Trigger davor, sonst kann eine langsam laufende Spannung den Eingang zum Schwingen bringen.
Verzögertes Einschalten von Lasten. Dasselbe Prinzip verzögert auch Relais oder Ausgänge nach dem Einschalten, siehe Einschaltverzögerung mit RC-Glied.
Typische Fehler
- Gerät hängt nach kurzem Stromausfall: D1 fehlt oder ist verkehrt herum. C1 bleibt geladen, der Reset entfällt.
- Gerät startet nur manchmal: Die Versorgung steigt zu langsam. Am Oszilloskop siehst du, ob der Reset endet, bevor die Versorgung ihren Endwert erreicht. Abhilfe ist ein Reset-IC.
- Reset im Betrieb bei Laständerungen: Die Versorgung bricht kurz ein, etwa beim Einschalten eines Motors. Ein Reset-IC reagiert darauf richtigerweise; dann musst du die Versorgung stabilisieren, nicht den Reset abschwächen.
- Reset-Eingang ohne Schmitt-Trigger am RC-Glied: Der Baustein schwingt im Übergangsbereich oder bekommt mehrere Resets hintereinander.
- Elko statt Keramik: Der Leckstrom eines alten Elkos kann so groß sein, dass UC die Schwelle nie erreicht. Die Schaltung bleibt dann für immer im Reset.
Selbsttest
Warum braucht der RC-Reset einen Schmitt-Trigger?
Die Kondensatorspannung steigt langsam. Ein gewöhnlicher Eingang könnte im Übergangsbereich schwingen; der Schmitt-Trigger erzeugt eine einzige saubere Flanke.
Wozu dient D1?
Sie entlädt C1, sobald die Versorgung ausfällt. Dadurch gibt es auch nach einem kurzen Aus-Ein einen vollständigen Reset.
Wie lange dauert der Reset mit 220 kΩ und 1 μF (typische Schwelle, schneller Anstieg)?
220 ms · 0,812 ≈ 179 ms.
Warum versagt der RC-Reset bei sehr langsamem Anstieg der Versorgung?
Er misst nur Zeit. Hinkt die Kondensatorspannung der Versorgung nur wenig hinterher, überschreitet sie die mitwachsende Schwelle, obwohl die Versorgung noch zu niedrig ist.
Welchen Vorteil hat ein Reset-IC wie der MAX809?
Er misst die Spannung selbst und gibt den Reset erst frei, wenn sie über der Schwelle liegt, plus mindestens 140 ms. Bei Einbrüchen im Betrieb löst er erneut aus.