Schmitt-Trigger schaltet sich selbst durch wenn Vref -> 0

[Lars H. (demoniacmilk)]

Hallo Leute,

mal wieder ein Schmitt-Trigger Threat. Habe gesehen zu 
Komparatoren/Schmitt-Triggern gibt es einen ganzen Haufen davon, aber 
konnte darin keine Antwort zu meinem Problem finden. Ist vlt auch ein 
bisschen speziell, ich hoffe, dass eventuell schon mal jemand hier in 
ein ähnlcihes Problem gerannt ist und vlt sogr eine Lösung gefunden hat.

Die Schaltung, bei der ich das Problem feststellte, ist von der Idee her 
recht simpel: Schalte eine Lampe an, wenn ein digitales Sensorsignal 
einen bestimmten Referenzwert überschreitet. Aufbau auf Bild1.
Der Referenzwert wird über einen Spannungsteiler festgelegt, welcher aus 
einem Fotowiderstand (R2) sowie einem einstellbaren Widerstand (R3 - 2 
Pins eines Potis) besteht und damit Helligkeitsabhängig ist. Zusätzlich 
ist mit R7 noch eine Strombegrenzungswiderstand im Spannungsteiler, da 
sowohl der einstellbare Poti als auch der Fotowiderstand sehr niedrige 
Widerstandswerte annehmen können.

Zum Vergleichen des Sensorsignals mit dem Referenzwert wird ein OpAmp 
LM328 in Schmitt-Trigger Schaltunge genutzt (U2/R5/R6).
R1 dient zur Basisstrombegrenzung, R4 zur Begrenzung des Diodenstroms.

Die Schaltung habe ich auf einem Steckbrett aufgebaut, insgesamt tut sie 
was sie soll. Allerdings mit einem Problem:
Wenn es sehr dunkel ist, geht R2 gegen sehr große Werte (3 stelliger 
kOhm bereich). Dann beginnt die LED am Ausgang in regelmäßigen Abständen 
kurz aufzuflackern. In den unterschiedlichen Aufbauten die ich hatte - 
lochraster, steckbrett, gefräste Platine - variierte die Zeit von 6-17 
Sekunden. Vermutlich spielen die Batueildifferenzen ebenfalls eine 
Rolle.

In der Simulation mit Spice konnte ich den Effekt nicht ganz nachstellen 
(anderer OpAmp etc). Allerdings lies sich ein ungewollter Effekt 
nachstellen:
Wird der Spannungsteiler so gewählt, dass R7+R2 >> R3 gilt, dann geht 
die Spannung am invertierenden Eingang -> 0. Das dürfte nach meiner 
Ansicht kein großes Problem darstellen, da das Sensorsignal digital und 
damit 0V oder 3.3V beträgt, besonders durch die Hysterese können die 
beiden Eingangswerte identisch werden, ohne dass das Ausgangsignal 
beeinträchtigt werden sollte.
Jetzt tritt allerdings ein zusätzlicher Effekt auf:
Die Eingangsspannung am nicht-invert. Eingang steigt, der Komparator 
schaltet immer durch. Wenn ich die Serienwiderstände der beiden 
eignezeichneten Spannungsquellen ändere, kann ich dem Effekt ein 
bisschen entgegenwirken. Vielen Dank an alle, die bis hgier gelesen 
haben =)

Meine Frage ist: Was kann ich tun, damit die Spannung am inv. Eingang 
nicht vom Spannungsteiler beeinflusst wird?

[Joe F. (easylife)]

Lars H. schrieb:
> Meine Frage ist: Was kann ich tun, damit die Spannung am inv. Eingang
> nicht vom Spannungsteiler beeinflusst wird?

So viel Text, und trotzdem wird mir noch so gar nicht klar, was du 
eigentlich willst.

Du hast den Spannungsteiler an den inv. Eingang angeschlossen, also 
beeinflusst der Spannungsteiler den inv. Eingang!?

Lars H. schrieb:
> Wird der Spannungsteiler so gewählt, dass R7+R2 >> R3 gilt, dann geht
> die Spannung am invertierenden Eingang -> 0

Was meinst du damit?
Die Spannung am inv. Eingang ist 12V * R3 / (R7+R2+R3)

[Lars H. (demoniacmilk)]

Danke für die Antwort Joe!

Joe F. schrieb:
> So viel Text, und trotzdem wird mir noch so gar nicht klar, was du
> eigentlich willst.
Jo ich hab versucht das Problem einfach zu beschreiben, wollte aber 
keine Informationen weg lassen. Vielleicht nicht so optimal gelungen.

Ich habe die oben dargestellte Schaltung aufgebaut. R2 ist ein 
Fotowiderstand mit Widerständen im zwischen 100Ohm (sehr hell) und 
500+kOhm (stockdunkel). Dies beeinflusst den Spannungsteiler: Hell -> 
hohe Spannung am inv. Eingang, dunkel -> niedrige Spannung am inv. 
Eingang.
Diese Spannung wird verglichen mit dem Signal eines Sensors (0V oder 
3V3). Falls das Potenzial vom Sensor höher ist als das des 
Spannugnsteilers (heißt: Sensor aktiv und dunkler als ein Grenzwert), 
wird die LED eingeschaltet. Das funktioniert fast immer, aber es treten 
seltsame Effekte auf wenn es sehr dunkel (bzw R2 sehr groß) wird.

> Was meinst du damit?
> Die Spannung am inv. Eingang ist 12V * R3 / (R7+R2+R3)
Genau.
R7+R2 >> R3 bedeutet, dass R7+R2 sehr viel größer wird als R3 und R3 
damit vernachlässigbar wird (vermutlich bekannt die Schreibweise).
Das heißt für R3 / (R7+R2+R3) dass Nenner>>Zähler. Damit wird das 
Ergebnis der Division sehr klein, geht gegen Null. ~0 * 12V ist ~0V.

> Du hast den Spannungsteiler an den inv. Eingang angeschlossen, also
> beeinflusst der Spannungsteiler den inv. Eingang!?
Hast du Recht, habe ich mich verschrieben. Der Wert am 
*nicht*-invertierten Eingang (Sensor) geht in der Simulation hoch (statt 
0V plötzlich 0V7 zB), wenn die Spannung am invertierenden Eingang (die 
vom Spannungsteiler mit Fotowiderstand) gegen Null geht.


Also, wenn der Widerstand vom Fotowiderstand (R2) sehr hoch wird, sinkt 
die Spannung am inv. Eingang. Aus irgendeinem Grund steigt in der 
Simulation die Spannung am nicht-Invertierenden Eingang, obwohl dort 
nach wie vor nur das Sensorsignal (0V oder 3V3) anliegen dürfte.

Durch diese Spannung (woher auch immer sie kommt) ist das Potenzial am 
nicht-invertierenden Eingang signifikant höher als das am invertierenden 
und der S.Trigger schaltet auf 'high'.

Im realen Aufbau bleibt die Lampe nicht dauerhaft an wie in der 
Simulation. Es kommt stattdessen zu einem periodischen Aufblitzen mit 
einer Periodendauer von einigen Sekunden. Das muss weg.
Einzige Idee die ich habe ist irgendwo ein minimaler Ausgangsstrom am zB 
OpAmp, der parasitäre Kapazitäten füllt, bis eine Spannung erreicht ist, 
die den Transistor kurz durchschaltet und sich die Kapazitäten wieder 
entladen. Aber das ist ziemlich ins Dunkle geraten.

[Helmut S. (helmuts)]

Welchen Opamp hast du in deinem realen Aufbau?

[Achim S. (Gast)]

Lars H. schrieb:
> Der Wert am
> *nicht*-invertierten Eingang (Sensor) geht in der Simulation hoch (statt
> 0V plötzlich 0V7 zB), wenn die Spannung am invertierenden Eingang (die
> vom Spannungsteiler mit Fotowiderstand) gegen Null geht.

das ist in der oben gezeigten Simu aber nicht zu sehen, oder?

Mein Vorschlag: gib mal folgenden Wert für R2 ein:
"R=20k+TIME/100m*500k"

Dann simuliere 100ms und untersuche die relevanten Parameter (d.h. 
selbst anschauen, und die komischen Werte uns zeigen ;-)
Interessant wären:
Spannung am inv- und am ninv-Eingang, Strom in den inv- und den 
ninv-Eingang, Ausgangsspannung des OPV.

Vielleicht wird dann klar, was die Simu macht.

Was den realen Aufbau angeht: sicher, dass du dir nicht ab und zu 
Störungen einkoppelst, die den ninv-Eingang ein paar mV anheben? Die 
Hysterese macht dann den Rest und sorgt dafür, dass ein erkennbares 
Aufblitzen daraus wird.

Die ~0,7V entsprechen übrigens dem Spannungshub der Hysterese. 
Vertauscht du bei der Interpretation der Simu vielleicht Ursache und 
Wirkung? Nicht: "der Ausgang schaltet auf High, weil ninv auf +0,7V 
geht" sondern "weil der Ausgang auf high schaltet, liegen am ninv die 
0,7V der Hysterese an".

[Lars H. (demoniacmilk)]

Helmut S. schrieb:
> Welchen Opamp hast du in deinem realen Aufbau?
das ist ein LM358 von ON Semi. Datenblatt: 
http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/LM358-D.PDF

Achim S. schrieb:
> das ist in der oben gezeigten Simu aber nicht zu sehen, oder?
das ist korrekt.

> Mein Vorschlag: gib mal folgenden Wert für R2 ein:
> "R=20k+TIME/100m*500k"
Wie kommst du darauf?
Sollte sein im Bereich von 20k + 7s*10 * 500k = 35MOhm sein, es sei denn 
ich habe /100m falsch verstanden.

Achim S. schrieb:
> Die ~0,7V entsprechen übrigens dem Spannungshub der Hysterese.
> Vertauscht du bei der Interpretation der Simu vielleicht Ursache und
> Wirkung?
Guter Punkt. Kann ich dir grade leider noch nicht beantworten.

Zu den Bildern:
Spannungen rot, Ströme grün. Nach Eingängen/Ausgang sortiert.
Startup der Spannungsqwuellen, bei 50ms geht das Sensorsignal für 100ms 
auf 3v3 und fällt dann wieder, Trise/fall ist auf 10ms eingestellt. V+ 
geht direkt zu Beginn auf 0V7(Ausgleichsströme Op?), damit bleibt Vout 
konstant bei etwa VCC. In der Komplettansicht, oberster Plot, geht 
Ix(Out) ein wenig hoch, was man auf Grund der Zoomstufe evtl übersieht.

Was mir das sagt bin ich mir aber nicht so sicher.

[Helmut S. (helmuts)]

Hast du auch einen Kondensator zwischen Pin-8 und Pin-4 an deinem LM358?
Jeder Kondensator mit 100nF oder größer wäre OK.

[Lars H. (demoniacmilk)]

Helmut S. schrieb:
> Hast du auch einen Kondensator zwischen Pin-8 und Pin-4 an deinem LM358?
> Jeder Kondensator mit 100nF oder größer wäre OK.
Nein habe keinen Kondensator eingebaut. Meinst du, das würde was 
verändern?

[Helmut S. (helmuts)]

Ein Opamp könnte im Bereich von 1MHz ungewollt schwingen, wenn dessen 
Versorgungsspannung nicht mit einem Kondensator nahe am IC abgeblockt 
wir Der Kondnesator gehört zwischen pin-8 VCC und Pin-4 Masse.

[Lars H. (demoniacmilk)]

Danke für Eure Hilfe schon mal!

Woher bekommt man die 1MHz?
Ich weiß nciht inwiefern ein Abblockkondensator das beschriebene Problem 
beheben könnte. Andersrum verstehe ich von den ganzen Sachen vermutlich 
<1%, also werde ich es mal testen, hab 100nF KerKos hier. Simulation hat 
sich nicht wesentlich verändert durch den C. Ich löte eben, mache alles 
dunkel und teste, bin gleich wieder da.

[Helmut S. (helmuts)]

> Woher bekommt man die 1MHz?

Das kann auch 100kHz oder 10MHz sein. Es hängt vom Opamp, der Länge der 
Induktivität der Zuleitungen und der sonstigen Beschaltung des Opamps 
ab.

[Lars H. (demoniacmilk)]

Ok, Koindesator hinzugefügt.
Aufblitzen alle 21 Sekunden, habe gestoppt. Entspricht dem, was ich beim 
ersten Bemerken des Fehlers im Kopf mitgezählt hatte.
Aber wieder trat der Fehler nur auf, wenn es absolut dunkel war. Das 
Einschalten meiner Schreibtischbeleuchtung auf niedrigster Strufe oder 
eines Monitors führt dazu, das zumindest innerhalb einer Zeitspanne von 
60 Sekunden kein Aufblitzen beobachtet werden konnte.

[Helmut S. (helmuts)]

Mach mal noch einen 1kOhm Widerstand zwischen Basis und Emitter des 
Transistors.

[Lars H. (demoniacmilk)]

Als eine Art Abfluss, falls sich dort Ladung sammelt?

[Helmut S. (helmuts)]

Nein, sondern um sicherzusteleln, daß an der Basis 0V sind, wenn der 
Opamp auf seine niderigste Ausgangsspannung geht.

[Lars H. (demoniacmilk)]

ah quasi noch mal als externer pulldown.
habe den Widerstand eingefügt und es hat sich etwas verändert:
Die dauer zwischen den einzelnen Aufblitzimpulsen hat sich von 21 auf 5 
Sekunden verringert.
Der Effekt tritt wieder nur dann auf, wenn kein Umgebungslicht vorhanden 
ist.
Ich klemme mal eben ein LogikAnalyzer (hab leider kein Oszilloskop) an 
den Ausgang des PIR Sensors und schaue mal, ob sich da was finden lässt.

[Achim S. (Gast)]

Lars H. schrieb:
> Wie kommst du darauf?

Na ja, nach der Formel wäre halt R2 innerhalb von 100ms von 20k auf 520k 
hochgelaufen und wir hätten sehen können, wann er umschaltet.

In deiner ersten Simu war R3 noch 500, dein V_licht konnte also maximal 
2V groß sein. Damit konntest du über 3,3V/0V am anderen Eingang den 
Komparator an- und ausschalten.

In deiner neuen Simu ist R3 jetzt nur noch 100Ohm. Damit wird V_licht 
maximal 0,48V (für R2=200Ohm), und das ist weniger als die Hysterese. 
Wenn der Komparator einmal angeschaltet hat, dann kannst du ihn mit 
R3=100 nie mehr ausschalten (außer du legst eine negative Spannung an 
V_sensor an). Genau das zeigt die die Simulation, die 0,7V am 
ninv-Eingang ergeben sich zwangläufig aus deiner Mitkopplung.

Das Verhalten der realen Schaltung kling für mich nach einem floatenden 
Eingang. Du hast nicht zufällig ein Oszi zur Hand? Wenn nicht kannst du 
auch mal mit dem Multimeter das Verhalten jedes einzelnen Pins am Opamp 
messen (nicht irgendwo auf der Platine sondern direkt am OpAmp Gehäuse). 
Ich könnte mir gut vorstellen, dass an einem der Pins nicht das 
Potential ankommt, das dort eigentlich ankommen sollte. (kalte 
Lötstelle, ...)

[Lars H. (demoniacmilk)]

Achim S. schrieb:
> Na ja, nach der Formel wäre halt R2 innerhalb von 100ms von 20k auf 520k
> hochgelaufen und wir hätten sehen können, wann er umschaltet.
Asou nen parameter sweep? hatte nicht verstanden dass du das meinst :D
Wie stell ich das im Spice ein?

> dann kannst du ihn mit
> R3=100 nie mehr ausschalten
Ou da ist was dran. R3 ist ein Poti, vlt muss ich da noch mal nen fixen 
widerstand dazu setzen um genau das zu verhindern.

>Das Verhalten der realen Schaltung kling für mich nach einem floatenden
>Eingang.
Hm konnte das Verhalten auch beobachten in einer Version, die ich auf 
einem Lochraster aufgebaut habe. Das wäre schon echter Zufall wenn das 
bei beiden der Fall wäre.

LogikAnalyzer bestätigt mir auf jeden Fall Sensorseits ein sauberes 
Hi/low Signal wie erwartet. Oszilloskop habe ich leider nicht. Messen 
mit Multimeter ist schwer umsetzbar, da es sehr dunkel sein muss, um den 
Effekt zu beobachten. Dann kann ich nichts mehr ablesen^^. Ich probiere 
mal.

[Lars H. (demoniacmilk)]

Achim S. schrieb:
> Wenn der Komparator einmal angeschaltet hat, dann kannst du ihn mit
> R3=100 nie mehr ausschalten
Das habe ich jetzt auch ein mal nachgestellt. Du hast recht. Wenn ich 
die Gehäuselöcher, die als Lichteinlass fungieren, abklebe, dann bleibt 
LED so lange an, bis ich mit ihr ein mal kurz ins Gehäuse leuchte. Sieht 
so aus als wären da noch so einige Baustellen :\

[Achim S. (Gast)]

brauchst du die große Hysterese von 0,7V? Falls nicht, mach sie mal 
deutlich keiner (R6 auf 1k, R5 auf 500k)

Lars H. schrieb:
> Asou nen parameter sweep? hatte nicht verstanden dass du das meinst :D
> Wie stell ich das im Spice ein?

Na in dem Fall hätte ich R2 mit der Zeit seinen Wert ändern lassen und 
eine Transientenanalyse über den entsprechenden Zeitbereich gemacht.
(R=20k+TIME/100m*500k). Der Teil mit der Simu hat sich meinem Gefühl 
nach aber erledigt, da sehe ich keine offenen Baustellen.

Intersessant ist noch das Verhalten der realen Schaltung. Wie stabil ist 
denn deine Versorgung? Kann es sein, dass sie beim Einschalten der LED 
stark einbricht, so dass V_licht (trotz der Hysterese) wieder unter die 
Schaltschwelle springt?

[Lars H. (demoniacmilk)]

Achim S. schrieb:
> Wie stabil ist
> denn deine Versorgung? Kann es sein, dass sie beim Einschalten der LED
> stark einbricht, so dass V_licht (trotz der Hysterese) wieder unter die
> Schaltschwelle springt
Die kommt aus nem etwas dickeren Stecker-Schaltnetzteil und ist ziemlich 
stabil. Im Normalfall reicht das Licht der LEDs (da hängt ein ganzes 
Stück LED Schlauch dran) um die Fototransistoren ausreichend zu 
beleuchten, so dass die Spannung über den Spannungsteiler auf Werte über 
1V angehoben wird.

> (R=20k+TIME/100m*500k)
Ou ist TIME ein gültiger Wert bei der Eingabe eines parameters?

[Achim S. (Gast)]

Lars H. schrieb:
> Im Normalfall reicht das Licht der LEDs (da hängt ein ganzes
> Stück LED Schlauch dran) um die Fototransistoren ausreichend zu
> beleuchten, so dass die Spannung über den Spannungsteiler auf Werte über
> 1V angehoben wird.

Ach so, du hast eine optische Rückkopplung. Dann ist auch verständlich, 
warum der reale Aufbau nach dem Anschalten auch wieder ausgeht.

Mit sehr hochohmigem Fotowiderstand kommt die Differenzspannung am 
Eingang deines OpAmps in die Gegend von dessen Offsetspannung. Da ist es 
mehr oder weniger Zufall, was passiert.

Die Regelmäßigkeit mit der das Pulsen kommt (mal mit 21s, mal mit 5s) 
ist immer noch überraschend. Aber ich würde keine Zeit darauf verwenden, 
das Verhalten einer Schaltung zu "verstehen", das vom Zufall gesteuert 
wird. Bau die Schaltung lieber so, dass der Zufall keine Rolle spielt.

Lars H. schrieb:
> Ou ist TIME ein gültiger Wert bei der Eingabe eines parameters?

Probier es aus :-)

[Peter D. (peda)]

Lars H. schrieb:
> Wird der Spannungsteiler so gewählt, dass R7+R2 >> R3 gilt, dann geht
> die Spannung am invertierenden Eingang -> 0.

Arbeitspunkte nahe +/-VCC sind generell ein Problem, da dort der OPV 
nicht mehr richtig arbeiten kann.
Hebe mal mit einer Diode + Widerstand den GND-Bezug auf +0,7V an, dann 
sollte es gehen.

[Lars H. (demoniacmilk)]

Achim S. schrieb:
>> Ou ist TIME ein gültiger Wert bei der Eingabe eines parameters?
>
> Probier es aus :-)
habe ich aber bin irgendwo an der Syntax gescheiter^^
Edit: oh, ich muss dann die Werte für die Toleranz etc entfernen!

Peter Dannegger schrieb:
> Hebe mal mit einer Diode + Widerstand den GND-Bezug auf +0,7V an, dann
> sollte es gehen.
Quasi den GND pin des OpAmps über D,R an allgemeinen GND führen? Bei der 
Überlegung, was dann genau passiert, verdreht sich mein Gehirn grade ein 
bisschen. Dann wäre das minimale Eingangssignal (aus Sicht des Ops) -0V7 
wenn ich das richtig verstehe, also unterhalb der Versorgungsspannung. 
Damit müsste ich die Hysterese ausgleichen können? Zummindest wenn ich 
dem Spannungsteiler auch ne Mindestspannung verpasse, so dass ds 
Sensorsignal dieses um die Hystere unterschreiten kann.
Für den Spasnnungsteiler kann aber immernoch gelten, dass der dort 
entstehende Wert sehr nache an -VCC des Ops liegt oder?
Ich simuliere mal durch und schaue, ob mir die Ergebnisse helfen, mein 
Gehirn ein wenig zu entwirren.

EDIT: habe simulationstechnisch eine Diode in den Spannungsteiler 
gehängt und die Hysterese ein bisschen verkleinert (R6 von 4K7 auf 2K2, 
R5 von 62K auf 82K) um die Spannung vom Spannungsteiler >0V7 zu halten 
und in KOmbination mit der Hysterese Ausschalten zu gewähleisten.

EDIT2: Die Änderungen werde ich testen, sobald ich Dioden gekauft habe.

[Günter Lenz (Gast)]

Lars H. schrieb:
>Dann beginnt die LED am Ausgang in regelmäßigen Abständen
>kurz aufzuflackern.

Das ist eine optische Rückkopplung, wenn die LED D1
auf den Fotowiderstand R2 leuchtet. Die Widerstandsänderungen
von Fotowiderständen sind sehr träge.

[Lars H. (demoniacmilk)]

Günter Lenz schrieb:
> Lars H. schrieb:
>>Dann beginnt die LED am Ausgang in regelmäßigen Abständen
>>kurz aufzuflackern.
>
> Das ist eine optische Rückkopplung, wenn die LED D1
> auf den Fotowiderstand R2 leuchtet. Die Widerstandsänderungen
> von Fotowiderständen sind sehr träge.

Hallo Günter,
inwiefern? Laut Datenblatt liegt die response zeit bei ca 30ms (was auch 
immer dann in den 30ms erreicht wird).
Bei anfänglichen Tests mit einem Multimeter und Widerstandsmessung 
konnte ich keine Verzögerung feststellen.
mag natürlich sein, dass dem ganzen im Prinzip eine e-Funktion (o.ä.) 
zugrunde legt, so dass ich anfänglich schnelle Änderungen beobachte die 
dann irgendwann in sehr langsamen Änderungen enden. Dann kann es ein 
paar Sekunden dauern, bis die letzten Einflüsse des vorhergegangenen 
Lichtblitzes verschwunden sind und würde auch die Regelmäßigkeit des 
Aufblitzens pro Aufbau erklären.


Einbau einer Diode hat zumindest auf dem Steckbrett geholfen, ich werde 
die Tage noch mal eine update-Version meiner Platinen fräsen und dann 
vom Resultat berichten.

[Lars H. (demoniacmilk)]

Hallo noch Mal!

Das Flackern sowie die Ausschaltprobleme sind nun behoben.
~ Die Hysterese wurde etwas verkleinert
~ Zwischen R3 und GND wurde eine Diode in Durchlassrichtung hinzugefügt, 
zu der ein kleiner Kondensator parallel geschaltet ist.

Die C parallel zur hinzugefügten Diode finde ich eigentlich seltsam, 
aber ohne konnte ich weiterhin Aufblitzen beobachten (Die Leuchtimpulse 
waren allerdings schwächer/kürzer als zuvor). Mit C funktioniert alles.

Vielen Dank für eure Hilfe