IC Grundbausteine - Schmitt Trigger

Schmitt Trigger (Bsp. 74LS14N)

Ein Schmitt Trigger dient ähnlich wie ein Komparator zum digitalisieren eines analogen Signals. Während der Komparator jedoch den Ausgangspegel bei der gleichen Spannung ein- und ausschaltet (egal ob die Schwelle von einer höheren Spannung kommend oder von einer niedrigeren Spannung erreicht wird), hat der Schmitt Trigger zwei Schaltschwellen.

Eine höheren Schwelle bei steigender Spannung (en. Positive-Going Threshold V_T+) und eine tiefere Schwelle bei einer fallenden Spannung (en. Negative-Going Threshold V_T-). Die beiden Schaltschwellen sind im Datenblatt angegeben und liegen rund 0,8V auseinander.

Der Vorteil des Schmitt Triggers ist, dass der Ausgang bei einem schwankenden Analogsignal um den Schwellwert herum nicht ständig hin und her schaltet.

Der 74LS14N IC beinhaltet 6 einzelne SchmittTrigger die unabhängig voneinander verwendet werden. Die Ausgänge des ICs sind invertiert. Beim Erreichen der Schaltschwelle wird der jeweilige Schmitt Trigger Ausgang also von HIGH auf LOW gelegt.

Funktionsweise

Die Funktion eines Schmitt Triggers wird hier an einer Transistorschaltung erläutert. Andere Schaltungen, z.B. mit einem OpAmp sind ebenfalls möglich.

Die Schaltschwellen des Schmitt Triggers werden mit den 3 schwarzen Widerständen eingestellt. Die blauen Widerstände dienen zur Ansteuerung der Transistorbasis von T1 und T2 und werden hier zur besseren Übersichtlichkeit nicht berechnet.

IN = 0V: T1 ist geöffnet und T2 ist geschlossen. Am Punkt N ergibt sich ein Spannungspotential von
U_E = R_E × I_E = (100Ω × 5V) ÷ (100Ω × 220Ω) = 1,56V.

IN_EIN = 2,26V: Damit T1 schaltet muss die Spannung an der Basis 0,7V höher als am Emitter (Punkt N) liegen. Die Einschaltschwelle die hauptsächlich durch den Widerstand R_EIN vorgegeben wird ist also
IN_EIN = 0,7V + 1,57V = 2,26V.

Sobald T1 schaltet verliert T2 die positive Basis und sperrt. Am Punkt N stellt sich jetzt eine andere Spannung ein.
U_E = R_E × I_E = (100Ω × 5V) ÷ (100Ω × 1000Ω) = 0,45V.

IN_AUS = 1,15V: T1 bleibt solange geschlossen, bis die Basis-Emitterspannung kleiner als 0,7V wird. Dies ist der Fall bei
IN_AUS = 0,45V + 0,7V = 1,15V.
Diese Schaltschwelle wird hauptsächlich durch den Widerstand R_AUS vorgegeben.

IC Ansteuerung

Über den Potentiometer wird der erste Schmitt Trigger des IC angesteuert. Am Ausgang ist eine 5V LED angeschlossen. Die Spannungsversorgung erfolgt über den Arduino.

Um die Schaltschwellen zu ermitteln wird der Schmitt-Trigger-Eingang mit dem ADC des Arduino verbunden.Sobald sich der Ausgangspegel ändert wird die dazugehörige Schaltschwelle am seriellen Monitor ausgegeben.

Programm


void setup() {
  Serial.begin(19200);
  pinMode(A1, INPUT);
}

void loop() {
  static bool toggel = 0;

  if (toggel == 0 && digitalRead(A1) == 1){
    toggel = 1;
    Serial.print("Einschaltschwelle: \t");
    Serial.print(analogRead(A0) * 5.0 / 1024);
    Serial.println(" V");
  } else if (toggel == 1 && digitalRead(A1) == 0){
    toggel = 0;
    Serial.print("Abschaltschwelle: \t");
    Serial.print(analogRead(A0) * 5.0 / 1024);
    Serial.println(" V");
  }

}

Mehr Infos

Gutes Video zur Erklärung