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Schmitt-Trigger-Schaltungen

In den Abschnitten 12.3 Verstärkerschaltungen mit Operationsverstärkern und 12.4 Vorgehen bei der Analyse von Operationsverstärkerschaltungen werden Operationsverstärkerschaltungen behandelt, bei denen der Ausgang auf den negativen Eingang zurückgekoppelt wird. Durch diese Gegenkopplung ergeben sich Verstärkerschaltungen, bei denen die Differenzspannung UD in guter Näherung null ist.

Wird der Ausgang einer Operationsverstärkerschaltung auf den positiven Eingang zurückgekoppelt, gilt diese Annahme nicht mehr. Liegt eine positive Abweichung UD > 0 vor, wird die Ausgangsspannung UA wegen der positiven Differenzspannung UD und der positiven Verstärkung AD ansteigen. Über den Rückkopplungswiderstand R2 wird dieses Ansteigen der Ausgangsspannung auf den positiven Eingang zurückgekoppelt. Dadurch steigt die Differenzspannung und damit auch die Ausgangsspannung UA weiter an, bis die Ausgangspannung UA den maximalen Wert von UAMAX erreicht. Es wird von einer Mitkopplung gesprochen. Die entsprechende Schaltung wird als Schmitt-Trigger-Schaltung bezeichnet. Wie bei den Verstärkerschaltungen kann sie invertierend oder nichtinvertierende aufgebaut werden.

Invertierende Schmitt-Trigger-Schaltung

Bild 12.20 zeigt eine invertierende Schmitt-Trigger-Schaltung.

Bild 12.20: Invertierende Schmitt-Trigger-Schaltung

Wegen der Rückkopplung auf den positiven Eingang ist Differenzspannung UD nicht null. Die Ausgangsspannung der Schaltung weist entweder den minimalen Wert UAMIN oder den maximalen Wert UAMAX auf. Um das Verhalten der Schaltung zu analysieren, wird zunächst davon ausgegangen, dass die Ausgangsspannung den minimalen Wert UAMIN < 0 aufweist. Mit IP = 0 ergibt sich eine Spannung UP von

(12.67)

Die Spannung UP wird mit der Spannung UN = U1 verglichen. Sobald UP > U1 ist, ändert sich die Ausgangspannung zu UAMAX > 0. In dem Fall ergibt sich die Spannung UP zu

(12.68)

Wenn die Spannung U1 den Wert UP = UR1 überschreitet, ändert sich die Ausgangsspannung entsprechend zu UAMIN < 0. Aus den Aussteuergrenzen UAMAX und UAMIN ergeben sich zwei unterschiedliche Schaltschwellen

(12.69)

und

(12.70)

Je nach Zustand der Ausgangsspannung UA gilt die Schaltschwelle U1MAX oder U1MAX. Damit ergibt sich eine Ausgangskennlinie, die von dem aktuellen Ausgangssignal abhängig ist. Sie ist in Bild 12.21 dargestellt.

Bild 12.21: Ausgangskennlinie eines invertierenden Schmitt-Triggers

In Bild 12.21 lässt sich erkennen, dass die Schaltung ein Gedächtnis besitzt. Der aktuelle Zustand des Ausgangssignals bestimmt über die aktuelle Schwelle. Der invertierende Schmitt-Trigger besitzt eine sogenannte Hysterese.

(12.71)

Sie ergibt sich aus der Beschaltung des Operationsverstärkers und verhindert, dass kleine Spannungsänderungen das Ausgangssignal ändern. Wegen der definierten Schaltschwellen und des Umschaltens der Ausgangsspannung von einem Zustand in den anderen wird die Schmitt-Trigger-Schaltung auch als Schwellwertschalter bezeichnet.