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1.2.10 Der Schmitt-Trigger (CD4093)

Erstellt: Frühjahr 2005
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Manchmal hat man ein sich ganz langsam veränderndes Signal am Eingang einer Schaltung. Man benötigt aber einen scharfen Schaltimpuls bei einer bestimmten Spannungshöhe. Viele Seiten verweisen dann auf einen Operationsverstärker, den man entsprechend beschalten soll. Natürlich geht das wunderbar, aber es ist doch mit reichlich Formeln verbunden. Wie das ganz ohne Formeln geht, zeige ich euch hier.

Wir benutzen dazu das IC CD4093, ein CMOS-IC, welches in einem weiten Spannungsbereich arbeitet. Als Spannungsquelle für unsere Versuche soll uns eine 9-Volt-Block-Batterie dienen.

In dem IC sind 4 fertig aufgebaute Schmitt-Trigger integriert. Die haben jeweils zwei Eingänge und einen invertierten Ausgang. Die Eingänge haben gleichzeitig eine UND-Funktion.

So weit so gut. Aber schauen wir uns doch erst einmal  das IC  an und sehen, wie die Beinchen beschaltet sind:





Wir sehen, dass vier Schmitt-Trigger-Gatter im IC enthalten sind.






Hier noch einmal eine Grafik, die es verdeutlicht, wie die Pins an allen DIL-Gehäusen (Dual Inline) gezählt werden.







Nun wollen wir aber unseren ersten Versuch machen. Wir nehmen das IC, die Batterie, unser Steckbrett oder Lochrasterplatine, ein paar Bauteile  und ein Poti, um einmal festzustellen, wie ein Schmitt-Trigger arbeitet. 


  Experiment:

Es soll folgende Schaltung aufgebaut werden:



Wenn  du alles richtig zusammengesteckt hast, so kannst du folgenden Versuch machen:

Drehe absolut langsam an dem Poti von einem Anschlag zum anderen Anschlag hin und her.

Du wirst sehen, dass die LED an zwei bestimmten Einstellungspunkten des Potis an- bzw. ausgeht. Und das tut sie sehr schnell, sie glimmt also nicht, sondern ist mit einem Schlag an oder aus.

Nun, wie kommt das?

Das Poti stellt einen Spannungsteiler dar, der sich von Plus Ub bis Null Volt einstellen lässt. Wenn wir die Spannung auf Null stellen, so leuchtet die LED, weil der erste Eingang auf "1" liegt und der zweite Eingang auf "0".

"1" UND "0" ergibt aber logisch "0".

Das Ganze wird invertiert, und es entsteht eine logische "1" am Ausgang.

Diese "1" steuert dann den Transistor an und somit auch die LED.

Wenn wir nun ganz langsam das Poti drehen und eine immer höhere Spannung einstellen, so werden wir sehen, dass an einer bestimmten Schaltschwelle der Schmitt-Trigger "kippt" und die LED ausgeht.

Wir haben dann an den Eingängen 2 logische Einsen die logisch UND ebenfalls "1" ergeben. Danach wird invertiert und es ergibt sich am Ausgang die Null.

Die LED erlischt.

Nun drehen wir das Poti wieder ganz langsam zurück und stellen fest, dass die LED an einem anderen Schaltpunkt wieder aufleuchtet, weil der Eingang mit dem Poti dran eine Null detektiert (die UNDiert wird, negiert usw.).

Wir sehen also, dass wir 2 unterschiedliche Schaltpunkte haben.

Je einen für EIN und einen für AUS. Diesen Unterschied nennt man Hysterese. Solch eine Hysterese können wir manchmal gut gebrauchen, aber dazu kommen wir noch.

Jetzt kann man aber den Spannungsteiler noch anders gestalten, nämlich aus zwei Widerständen aufbauen, wobei einer durch eine physikalische Größe geändert wird. Was wäre da einfacher als einen Fotowiderstand zu benutzen?



Experiment:

Auf folgendem Schaltbild ist das einmal geschehen:



Wenn wir den Fotowiderstand ganz langsam abdunkeln, wird der Schmitt-Trigger die LED ab einem bestimmten "Dunkelheitswert" anschalten. Das Ganze können wir wunderbar für einen Dämmerungsschalter gebrauchen.


Hier einmal ein einfacher Vorschlag:



Das Relais und damit die Lampe wird bei einbrechender Dunkelheit eingeschaltet und bei beginnendem Tageslicht wieder ausgeschaltet.

So einfach kann die Welt sein!



Mit dem Poti lässt sich zusätzlich noch die Schaltschwelle ("Dunkelheitswert") einstellen.

Aber unser Schmitt-Trigger kann noch mehr. Wenn wir nämlich einen Kondensator mit dazunehmen, erhalten wir einen wunderbaren Taktgenerator, der eigentlich aus nur 3 Bauteilen besteht.

Hier ein Schaltbeispiel als Basis zum Experimentieren:

Versuche mal verschiedene Kondensatoren und Widerstände. Achte darauf, dass der Widerstand R3 nicht unbedingt kleiner als 50 kOhm wird (so will es zumindest das Datenblatt, aber bei meinen Experimenten ist mein IC auch nicht kaputtgegangen, obwohl ich recht "schlimme" Werte probiert habe.)







Wie Du sehen wirst, blinkt also die LED.

Schön "scharf", ohne zwischendurch zu glimmen.

Hierbei machen wir uns nun also die Hysterese zunutze. Der Kondensator lädt sich über den Widerstand auf, bis er die hohe Schaltschwelle erreicht hat. Dadurch aber wird der Ausgang des Schmitt-Triggers auf Null gesetzt (wir erinnern uns, es wird ja negiert...). Dadurch aber entlädt sich der Kondensator wieder bis zur unteren Schaltschwelle, wodurch der Ausgang wieder aus logisch "1" gesetzt wird.

Das geht dann immer so weiter.

Um die Taktfrequenz einstellen zu können, kann man ein Poti einbauen, kein Problem.

Natürlich kann man auch mit einem entsprechend kleinen Kondensator Töne erzeugen.

Versuche einmal, eine Miniorgel mit einer Oktave zu bauen, indem du die Potis auf die Töne c, d, e, f, g, a, h, c´ eichst. Mit den Tastern kannst Du dann richtige Lieder spielen.



Eine weitere Anwendung bildet die Ansteuerung eines Servos für Testzwecke:


Hier solltest Du darauf achten, das zweite Gatter hinten hinter zu schalten, denn sonst kann man den Servomotor nicht richtig positionieren.



Oft möchte man digitale Schaltungen mit einem Taster bedienen. Dann wird man vielleicht feststellen, dass die digitale Schaltung nicht richtig reagiert. Das liegt an dem Kontaktprellen des Tasters:

Jeder normale Taster "federt" auf den Kontaktflächen, so dass nicht nur ein einziger Impuls beim Schalten entsteht, sonder viele hintereinader, bis der Kontakt zur Ruhe gekommen ist. Schnelle Digitalschaltungen aber interpretieren dieses Kontaktprellen jeweil als EIN und AUS, bzw, als ein Impulsfolge.

Daher muss man einen Taster stets entprellen, bevor man ihn an eine schnelle Digitalschaltung anschließen kann. Eine einfache Experimentierschaltung dazu zeigt folgendes Schaltbild:



Die Zeit ist hier mit 22k und 100µF recht groß eingestellt, damit man an der LED auch gut verfolgen kann, was geschieht.

Diese Schaltung aber hat einen großen Nachteil. Sie löst bereits einen Impuls aus, sobald das IC an Betriebsspannung angelegt wird. Daher müssen wir unsere Schaltung noch einmal modifizieren:


Der Ablauf ist jetzt folgendermaßen:

Beim Drücken des Tasters S1 lädt sich der Kondensator schlagartig auf und Pin3 geht auf "0". Dann wird S1 losgelassen und der Kondensator entlädt sich langsam über R1. Bei Erreichen der Abschaltschwelle des Schmitt-Triggers schaltet Pin3 schlagartig wieder auf "1", Das zweite Schmitt-Trigger-Gatter dient nun dazu, das Signal einfach zu invertieren, damit es mit dem Tastendruck überein stimmt.



Viel Erfolg wünscht
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