Schmitt-Trigger mit Transistoren

Nicht nur im digitalen, auch im analogen Bereich gibt es viele Anwendungen, wo nach einem Vergleich unterschiedlicher Eingangssignale ein Schaltvorgang ausgelöst wird. Fast immer sind es Schaltungen mit Operationsverstärkern, die eine Komparatorschaltung mit Schalthysterese darstellen. Diese Schaltfunktion kann auch mit zwei sich gegenseitig steuernden Transistoren erreicht werden, die als prellfreie elektronische Schalter arbeiten. Eine geeignete Ansteuerung der Basis-Emitterstrecken versetzt die Transistoren entweder in den total leitenden oder gesperrten Zustand.

Die als Schmitt-Trigger bekannte Schaltung springt bei einer bestimmten Eingangsspannung aus dem Ruhezustand in den Arbeitszustand. Unterschreitet die Eingangsgröße einen anderen festen Wert, so erfolgt eine Umschaltung zurück in den Ruhezustand. Die Schaltung arbeitet als Komparator mit Hysterese und wird als Schwellwertschalter bezeichnet.

Zwei als elektronische Schalter arbeitende Transistoren teilen sich einen gemeinsamen Emitterwiderstand. Die Schaltung ist so berechnet, dass der eine Transistor leitet und dadurch den anderen gesperrt hält. Erst nach dem Überschreiten einer festgelegten Eingangsspannung wird der gesperrte Transistor leitend, wobei der schnelle Spannungsanstieg am gemeinsamen Emitterwiderstand den zuvor leitenden Transistor plötzlich sperrt. Das folgende Bild zeigt die Grundschaltung eines Schmitt-Triggers. Der Transistor K1 hat in dieser Schaltung keine Basisvorspannung. Liegt ein sehr kleines oder kein Eingangssignal an, so bleibt er gesperrt und sein Kollektorpotenzial entspricht ungefähr der Betriebsspannung.

Der am Kollektor von K1 angeschlossene Basisspannungsteiler R1 und R2 ist so berechnet, dass der Transistor K2 in den Sättigungszustand gelangt. Seine Steuerspannung zwischen Basis und Emitter muss dazu deutlich über 0,7 V liegen. Im maximal leitenden Zustand ist die Spannung zwischen Kollektor und Emitter von K2 so niederohmig, dass an ihr die Sättigungsspannung von 0,2 ... 0,5 V bleibt. Sein Kollektorstrom fließt durch den Emitterwiderstand RE und generiert die positive Emitterspannung von angenommen 1 V. Sie hält den Transistor K1 sicher gesperrt, da seine Basis um diesen Wert zusätzlich positiver werden muss, bevor er leitend wird. Der Schmitt-Trigger befindet sich im stabilen Ruhezustand.

Durch Erhöhen der Eingangsspannung Ue beginnt der Transistor K1 in dieser Schaltung ab einer Basisspannung von 1,6 V zu leiten und seine Kollektorspannung wird kleiner. Aus dieser Spannung und dem Spannungsteiler R1 und R2 bezieht der Transistor K2 seinen Basisstrom, der nun ebenfalls kleiner wird. Da sich K2 im übersteuerten Zustand befindet, hat die Verringerung seines Basisstroms anfangs noch keine Auswirkung.

Durch zunehmend leitend gesteuerten Transistor K1 fließt ein zunehmender Emitterstrom und erhöht die Spannung am Emitterwiderstand RE. Je positiver das Emitterpotenzial von K2 bei sich gleichzeitig verringerndem Basisstrom wird, desto schneller gelangt K2 in den Sperrzustand. Sein Kollektor- und Emitterstrom nimmt rasch ab, und verringert so die Spannung am Emitterwiderstand.

Ein abnehmendes Emitterpotenzial bei gleich bleibender oder noch zunehmender Eingangsspannung vergrößert die Steuerspannung zwischen Basis und Emitter von K1. Der Eingangstransistor gelangt in den übersteuerten Zustand. Sein Kollektorpotenzial sinkt auf die kleine Sättigungsspannung der Kollektor-Emitterstrecke von 0,2 ... 0,5 V. Der Transistor K2 gelangt bei fehlendem Basisstrom in den Sperrzustand und sein Kollektorpotenzial nimmt den Wert der Betriebsspannung an. Beide Transistoren steuern sich gegenseitig über diesen Mitkoppeleffekt in den zweiten stabilen Arbeitszustand.

Das Zurückschalten in den Ruhezustand wird durch Verringern der Eingangsspannung eingeleitet. Sinkt die Basisspannung des Transistors K1 auf den Wert 1,6 V und nimmt weiter ab, so verringert sich sein Basisstrom. Erst wenn sein Sättigungswert unterschritten wird, beginnt K1 zu sperren. Sein Kollektor- und Emitterstrom nimmt ab, wodurch sich Spannung am Emitterwiderstand verringert. Die Steuerspannung zwischen Basis und Emitter an K1 nimmt proportional zu und verzögert den Sperrvorgang des Transistors K1.

Mit abnehmendem Kollektorstrom nimmt das Kollektorpotenzial von K1 zu. Der Transistor K2 erhält über den Spannungsteiler R1 und R2 wieder Basisstrom und beginnt seinerseits zu leiten. Der Kollektor- und Emitterstrom von K2 nimmt schnell zu. Die Spannung am Emitterwiderstand wird positiver und bringt den Transistor K1 schneller in den Sperrzustand. Der Mitkoppeleffekt unterstützt somit das gegenseitige Umschalten der Transistoren in den anfänglichen Ruhezustand.

Die Eingangsspannungen für das Umschalten sind nicht gleich. Die Spannung zum Erreichen des Ruhezustandes ist kleiner als die zum Kippen in den Arbeitszustand. Der Schmitt-Trigger zeigt eine Schalthysterese, die besonders groß ist, je weiter die Transistoren in den Übersteuerungszustand gelangen. Ein besonders schnelles Umschalten wird mit kleinen Kollektorwiderstandswerten und einem nicht zu kleinen Emitterwiderstandswert erreicht. Ein zu groß dimensionierter Emitterwiderstand dagegen wirkt sich nachteilig auf die Schalthysterese aus, die dann ebenfalls größer wird.

Das Diagramm zeigt das Schaltverhalten einer dimensionierten Schmitt-Trigger Schaltung. Aus dem Ruhezustand heraus beginnt zum Zeitpunkt (A) der Eingangstransistor K1 zu leiten. Sein Kollektorstrom nimmt zu und verursacht als Emitterstrom den Spannungsanstieg am Emitterwiderstand. Bis zum Zeitpunkt (B) bleibt der Ruhezustand erhalten. Jetzt ist die Eingangsspannung so weit gestiegen, dass K1 voll durchgesteuert ist. Zum Zeitpunkt (B) hatte die Basis-Emitterspannung an K1 den Wert 720 mV. Sein Kollektorpotenzial ist von 13,6 V auf 1,4 V gefallen. Mit dieser Spannung kann über den Basisspannungsteiler der Ausgangstransistor K2 nicht mehr in den leitenden Zustand gesteuert werden. Die Schaltung kippt in den Arbeitszustand mit gesperrtem K2 und der Ausgangsspannung am Kollektor die nahe der Betriebsspannung liegt.

Ab dem Zeitpunkt (C) sinkt die Eingangsspannung unter 2,5 V und der Eingangstransistor K1 wird immer weniger leitend. Mit abnehmendem Kollektor- und Emitterstrom verringert sich die Spannung am Emitterwiderstand. Dadurch bleibt K1 noch leitend, wobei aber sein Kollektorpotenzial steigt. Der Ausgangstransistor K2 erhält wieder Basisstrom und wird leitend. Zum Zeitpunkt (D) hat der Emitterstrom von K2 die Spannung am Emitterwiderstand so weit erhöht, dass K1 schlagartig gesperrt und K2 vollkommen leitend wird. Der Ruhezustand ist wiederhergestellt.

Schaltungsberechnung

Die Bemessung der Bauteile ist aufwendiger als bei einer Komparatorschaltung mit einem Operationsverstärker. Es genügt das ohmsche Gesetz und die Kenntnis einiger Transistordaten aus den Datenblättern. Die beiden Kollektorwiderstände sollten gleich groß sein. Sie bestimmen für eine gegebene Betriebsspannung den maximalen Kollektorstrom, der nicht überschritten werden darf. Kleine Widerstandswerte ermöglichen ein schnelles Umschalten.

Für den gemeinsamen Emitterwiderstand hat es sich in der Praxis bewährt, wenn sein Wert ein Zehntel des Kollektorwiderstandes beträgt. Größere Widerstandswerte verkürzen die Umschaltzeiten mit dem Nachteil einer größeren Hysterese und einer im Arbeitszustand höheren Ausgangsspannung.

Im Transistordatenblatt sind die Basis-Emitter-Sättigungsspannung und die Basisstromverstärkung B angegeben. Mit B und dem Kollektorstrom, der sich aus der Betriebsspannung und der Summe von RC und RE errechnet, folgt der Basisstrom für die Übersteuerung.

Der Basisstrom wird vom Basisspannungsteiler bestimmt, der vom Transistor K2 belastet wird. Für einen ausreichend stabilen Basisstrom reicht ein Querstromfaktor von q = 3 ... 5. Durch den Kollektorwiderstand des K1 fließt die Summe aus Basis- und Querstrom und ruft eine Spannung URC1 am Kollektorwiderstand hervor. Die Spannung am oberen Widerstand des Spannungsteilers ist um URC1 kleiner als die Betriebsspannung. Die Spannung am unteren Widerstand des Basisspannungsteilers ergibt sich aus der Spannung am Emitterwiderstand URE und der Basis-Emitter-Sättigungsspannung des Transistors. Zur Berechnung der Spannung URE wird der anfangs bestimmte maximale Kollektorstrom eingesetzt. Am Teilerwiderstand R2 steht die Spannungssumme aus URE und UBEsat.

Der Vorwiderstand zur Basis des Eingangstransistors K1 sollte nicht zu klein sein, damit auch bei maximaler Eingangsspannung der Basisstrom des durchgeschalteten Transistors nicht zu groß wird. In der oben durchgeführten Simulation begrenzte er den Basisstrom auf maximal 1,4 mA.

Beschleunigungskondensator

Ein Kondensator geringer Kapazität parallel zum oberen Widerstand des Basisspannungsteilers geschaltet verkürzt die Umschaltzeiten. Experimentell ermittelte Werte liegen um 1 nF. Der Kondensator ist im Ruhezustand des Schmitt-Triggers auf die Spannung an R1 aufgeladen. Beim Umschalten in den Arbeitszustand fließt ein Umladestrom durch den leitenden, niederohmigen Transistor K1. Da der absolute Spannungswert über dem Kondensator konstant bleibt, wird das Basispotenzial des Transistors k2 schnell negativer und sperrt K2 in kürzerer Zeit.

Anwendungsbeispiele

Neben den vielen Möglichkeiten, die bei den Komparatoren mit OPVs erwähnt sind, kann man mit einem Schnitt-Trigger aus jeder periodischen Signalspannung Rechtecksignale gleicher Frequenz erzeugen. Das Tiefpassverhalten langer Übertragungsstrecken ergibt am Ende verschliffene digitale Signale, die eine Schmitt-Triggerstufe vollständig regenerieren kann. Mit passend abgestuften Komparatorketten lassen sich Eingangssignale digitalisieren.