Der Schmitt-Trigger ist eine Schaltung mit Hysterese. Für das Ein- und Ausschalten gibt es zwei verschiedene Schwellenspannungen. Der CMOS-IC CD4093B enthält vier NAND-Schmitt-Trigger mit je zwei Eingängen. Schaltet man die zwei Eingänge eines Schmitt-Triggers zusammen, dann erhält man einen invertierenden Schmitt-Trigger.
Hysterese
Das Hystereverhalten ist in der transienten Simulation zu sehen. Der IC wird mit einer Spannung von 9V versorgt. Am Eingang liegt eine Sinusschwingung mit einem Gleichanteil von 4,5V und einer Amplitude von 2V bei einer Frequenz von 5Hz.
Die Hystere sieht man am besten, wenn man die Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Eingangsspannung darstellt. Die eine Schwellspannung liegt bei etwa 3,78V, die andere bei ca. 5,22V:
Die unterschiedlichen Spannungen beim Ein- und Ausschalten kann man im Experiment auch mit einem Potentiometer nachvollziehen. In der aufgebauten Schaltung wurde zusätzlich eine Verpolschutzdiode vorgesehen.
Oszillator
Mit einem invertierenden Schmitt-Trigger kann man leicht einen RC-Oszillator aufbauen (siehe nachfolgende Schaltung). Der Kondensator ist zum Einschaltzeitpunkt entladen. Damit liegt am Eingang des Schmitt-Triggers L-Pegel und am Ausgang folglich H-Pegel an. Der Kondensator wird dadurch über den Widerstand R1 aufgeladen. Erreicht die Spannung am Kondensator die entsprechende Schwellspannung, dann schaltet der Ausgang auf L-Pegel und der Kondensator wird wieder entladen. Dieser Auf- und Entladevorgang wiederholt sich zyklisch, so dass eine Dauerschwingung entsteht, die mit den verwendeten Parametern eine Frequenz von ca. 2,5Hz aufweist und die LED am Ausgang zum Blinken bringt.
Sowohl in der Simulation als auch im Experiment zeigt sich, dass die Schwingung nicht symmetrisch ist. Der H-Pegel (LED leuchtet) liegt längen an als der L-Pegel (LED ist dunkel). Dieses Phänomen ist leicht nachvollziehbar, da die LED mit ihrem Vorwiderstand während der Aufladephase des Kondensators eine zusätzliche Belastung für den Ausgang des Gatters darstellt.
Die beschriebene Asymmetrie lässt sich mit einem zusätzlichen Gatter bzw. Schmitt-Trigger lösen. Dadurch wird die Schwingung von der LED-Anzeige entkoppelt. Die Ein- und Ausschaltphasen weisen dann die gleiche Länge auf. Durch das schnellere Aufladen des Kondensators ergibt sich insgesamt eine etwas höhere Frequenz von knapp 3,5Hz.
Auch im Experiment lässt sich die vormals längere Einschaltzeit nicht mehr beobachten.
