![Ein alternativer Schaltungstrick zur Nutube-Röhre UNTUBE – in großen gerasterten Buchstaben](../bilder/icon_untube_icon.gif)
![Ein alternativer Schaltungstrick zur Nutube-Röhre UNTUBE – in großen gerasterten Buchstaben](../bilder/icon_untube_invers_icon.gif)
Angeregt durch die Werbung zur
nu:tube
-Röhre hier
eine
röhrenlose wie röhrenähnlich begrenzende
„untube
“-Diodenklippschaltung.
Das heißt, ein weiterer Nachtrag zur Klippstufe
im umgebauten Übungsverstärker
„VOX Pathfinder 10“ –
die Klippstufe soll hochohmiger
sein oder auch mit Standarddioden
arbeiten.
Kennlinien werden berechnet,
ausgemessen
und Spektren
erstellt.
Am Ende Löten
und ein zweiter Layoutvorschlag.
Die untube-Schaltung
Kapitelinhalt: [ Überspringen ]- Aufbau der Begrenzerschaltung •
- Prinzip der Begrenzerschaltung •
- Kurvensimulationen mit EXCEL •
- Kennlinien händisch ausmessen •
- Fazit •
- Postskriptum – Praktischer Aufbau und Messung
Im Nachgang des Umbaus eines kleinen Übungsverstärkers VOX Pathfinder 10 waren mehrere passive Begrenzerschaltungen mit vorgespannten Dioden entwickelt und ausgemessen worden – die Schaltung mit zwei Graetzbrücken zuletzt hier. An diesem Punkt setzte die weitere Arbeit wie auch dieser Artikel an – es ging darum, die Schaltung zu vereinfachen, hochohmiger zu machen (damit sie nicht nur an einem Vorwiderstand von 2,2 kΩ funktioniert) oder mit einfacher zu beschaffenden Standarddioden zum Funktionieren zu bringen.
Ein mögliches Einsatzgebiet der Schaltungen könnte die Modifikation von älteren oder Übungsverstärkern (mit Diodenklippstufe – Vorwiderstand auf zwei antiparallele Dioden gegen Masse oder eine Ruhespannung) sein.
Aufbau der Begrenzerschaltung
Zunächst zum grundsätzlichen Prinzip der Schaltung, siehe die folgende Abbildung 1:
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. Schaltplan](../bilder/pathfinder_III_softklipp_theorie_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. Schaltplan](../bilder/pathfinder_III_softklipp_theorie_invers_grosz.gif)
Abb. 1: Prinzipielle Darstellung einer Begrenzerschaltung mit vorgespannten Dioden in zwei Graetzbrücken – Schalterstellungen wie in der untersuchten Schaltung.
Die Funktion einzelnen Dioden(gruppen) – Schritt für Schritt:
- Vorspannstrom durch Rbias – Bauelemente rot:
-
Von der Betriebsspannungsquelle durch den Biaswiderstand Rbias und die Dioden D1.3 und D2.4 fließt ein relativ hoher Vorspannstrom Ibias (≤10 mA) nach Masse.
- Obere Vorspannung über D1.3 (UD etwa 600 mV)
-
Über D1.3 fällt eine Diodenspannung von etwa 700 mV ab. Diese Spannung ist durch den relativ geringen Innenwiderstand von D1.3 bei so hohen Diodenströmen (RD ≈ 26 mV⋅ η / ID) ziemlich stabil – vorausgesetzt, der Strom durch die anderen Dioden ist deutlich kleiner als Ibias (d. h. Rbias muss deutlich kleiner als Rvor sein)
- Untere Vorspannung über D2.4 (UD auch etwa 600 mV):
-
Gleiches gilt für D2.4 – auch hier fällt eine Diodenspannung von etwa 700 mV ab.
- Vorgespannte „weich“ begrenzende Dioden D1.1, D1.2, D2.1 und D2.2 (dunkelgrün):
-
An diesen Dioden liegt zunächst erst einmal etwa jeweils die halbe Diodenspannung der „gesättigten“ Dioden D1.3 und D2.4 an – d. h. diese Dioden sind „vorgesättigt“ bzw. „vorgespannt“ und werden schon bei sehr kleinen Spannungsänderungen an Ein- und Ausgang stärker leitend.
Dadurch wird das Signal am Ausgang (rechte Seite von Rvor) schon bei kleinen Eingangsspannungen begrenzt. Dazu ist der Ausgangsspannungsbereich zwischen beginnender und vollständiger Begrenzung größer, weil ja jeweils zwei Begrenzerdioden in Reihe geschaltet werden.
- „Normale“ Begrenzerdioden D1.4 und D2.3:
-
Wie eine „normale Clip-Stufe“ (mit antiparallelen Dioden gegen Masse), wobei die Dioden nicht gegen Masse, sondern gegen die Verbindung zwischen D1.3 und D2.4 arbeiten. Diese Dioden greifen ergänzend bei größeren Eingangsspannungsänderungen ins Geschehen ein. Auch hier sollte deutlich sein, dass der Vorspannstrom IBias deutlich größer sein muss als der maximal mögliche Strom durch den Vorwiderstand Rvor, damit der Fußpunkt dieser beiden „normalen“ Begrenzerdioden, die Verbindung zwischen D1.3 und D2.4, hinreichend stabil ist.
- (De)symmetrierwiderstände RSymm,1 und gegebenenfalls RSymm,2:
-
Diese Widerstände schließen eine oder zwei der vorgespannten Dioden partiell kurz – das führt zum einen dazu, dass die Diodenspannung und damit auch der Diodenstrom kleiner und der differentielle Widerstand dieser Diode größer wird (weil der Strom durch D1.1, D1.2, D2.1 und D2.2 auch durch den Parallelwiderstand fließt).
-
Der differentielle Widerstand jeder der beiden Zweige wird stärker durch einen festen Widerstand bestimmt – die Kennlinie wird etwas linearisiert.
-
Sind Rsymm,1 und Rsymm,2 unterschiedlich groß, verschiebt sich die Ruhespannung am Ausgang der Begrenzerschaltung.
-
Weiterhin verschiebt sich auch der Einsatz der zusätzlichen bzw. „normalen“ Begrenzerdioden, d. h, die Halbwelle, in deren Richtung der Arbeitspunkt wandert, wird etwas weicher begrenzt als die andere.
-
- Lediglich ein Desymmetrierwiderstand RSymm,1:
-
Wird nur ein Desymmetrierwiderstand zugeschaltet, wird die Begrenzerkennlinie asymmetrisch, wobei sich diese Asymmetrie weniger der Symmetrie der Kurve als in der Lage des Arbeitspunktes zeigt.
- Asymmetrische Begrenzerdiode D0 („Hardclip“-Diode, Dunkelviolett):
-
Wenn sich aber der Arbeitspunkt der Begrenzerkennlinie bzw. die gemeinsame Ruhespannung von Eingang und Ausgang aus der Mitte der Kennlinie hinaus beispielsweise „nach unten“ verschiebt, und dann der oberen der beiden „normalen“ Begrenzerdioden (hier D2.3) eine weitere Diode D0 mit geringerem Emissionskoeffizienten η und geringerer Flussspannung (d. h. eine Schottky- oder Germaniumdiode) parallelgeschaltet wird, dann wird die obere Begrenzung der Kennlinie zum einen härter und zum anderen wieder in Richtung des neuen Arbeitspunktes verschoben, so dass im Ergebnis eine Begrenzerkennlinie entsteht, die in Bezug auf die maximalen positiven und negativen Ausgangsspannung grob symmetrisch, aber in der Form der Begrenzung deutlich asymmetrisch ist.
- Vorwiderstand Rvor:
-
Da einige der Begrenzerdioden (D1.1, D1.2, D2.1 und D2.2) vorgespannt sind und nicht vollständig sperren, sondern einen differentiellen Widerstand rD umgekehrt proportional zum Diodenstrom ID haben, ist die Festlegung des passenden Vorwiderstandes deutlich kritischer als bei einer einfachen Begrenzerschaltung mit zwei antiparallelen Dioden – mit Änderung des Vorwiderstandes ändert sich nicht nur die Lage des Einsatzes der Begrenzungen, sondern auch der Signaldämpfung bei sehr kleinen Signalen und die Form der Begrenzerkennlinie, da der Vorwiderstand und die Gesamtheit aller differentiellen Widerstände der Dioden immer eine Signalspannungsteiler bilden.
Kurz – nicht jede Diode bzw. Graetzbrücke ist für jeden Vorwiderstand geeignet.
Prinzip der Begrenzerschaltung
Nach vielen Worten und Formelzeichen der Versuch einer bildlichen Darstellung in verschiedenen Kennliniendiagrammen. Dabei wurde bei den Kennliniendiagrammen der Gleichspannungsoffset herausgerechnet, der Koordinatenursprung steht hier also nicht für null Volt, sondern für die Ruhelage bzw. den Arbeitspunkt der Schaltung.
Begonnen wird der Grundschaltung aus Vorwiderstand, Biaswiderstand und zwei diskreten Graetzbrücken (hier aus je vier Stück 1N4148) – Schaltung ähnlich der in Abbildung 1 ohne (De)symmetrierwiderstände Rsymm,1 und Rsymm,2 und ohne Hardclip-Diode D0. Vorwiderstand Rvor mit 2,2 kΩ; Vorspannstrom knapp 8 mA.
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_softklipp_prinzip_detail_vorgespannt_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_softklipp_prinzip_detail_vorgespannt_invers_grosz.gif)
Abb. 2.1: Ableitung der Begrenzerschaltung mit vorgespannten Dioden anhand der Kennlinien – Standard-Clipstufe und Clipstufe mit vorgespannten Dioden (grün).
Die grünen Graphen („UA vorgespannt“) und (Wachstum vorgespannt“) zeigen die Ein- / Ausgangs-Kennlinie und deren Ableitung nach der Eingangsspannung.
Die vorgespannten Dioden haben insgesamt einen differentiellen Widerstand größer als der Vorwiderstand Rvor (im Nulldurchgang hat der Signalspannungsteiler aus Rvor und den Dioden eine Teilerverhältnis von größer 0,8); es entsteht eine runde kontinuierlich gekrümmte symmetrische Kennlinie, die Begrenzung setzt aber sofort schon bei kleinen Signalen ein.
Dieser Effekt kann abgeschwächt werden, wenn zwei der beiden vorgespannten Dioden ein Widerstand parallelgeschaltet wird; der Ausgangspegel für kleine Signale und auch der fast unverzerrte Bereich sind dann etwas größer – die Verzerrung setzt später ein.
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_softklipp_prinzip_detail_symmwiderst_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_softklipp_prinzip_detail_symmwiderst_invers_grosz.gif)
Abb. 2.2: Ableitung der Begrenzerschaltung mit vorgespannten Dioden anhand der Kennlinien – Clipstufe mit vorgespannten Dioden ohne (grün) und mit (Doppellinie schwarz) Symmetrierwiderständen.
Wird ausschließlich in einem Zweig (dem unteren Zweig) der vorgespannten Dioden einer Diode ein (Desymmetrier)widerstand Rsymm,1 parallelgeschaltet, wird auch hier die Kennlinie in der Mittellage flacher. Dazu steigt im oberen Bereich der Kennlinie (die von den unteren Dioden begrenzt wird) sowohl die ausgangsseitige Signalspannung als auch der für eine Begrenzung notwendige Eingangssignalpegel:
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_softklipp_prinzip_detail_desymmwiderst_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_softklipp_prinzip_detail_desymmwiderst_invers_grosz.gif)
Abb. 2.3: Ableitung der Begrenzerschaltung mit vorgespannten Dioden anhand der Kennlinien – Clipstufe mit vorgespannten Dioden ohne (grün) und mit (Doppellinie schwarz) Desymmetrierwiderstand.
Man könnte auch sagen, die Begrenzerkennlinie wird – im Vergleich zu der mit den zwei gleichen Symmetrierwiderständen in Abbildung 2.2 – relativ unverändert nach rechts oben verschoben. Für kleine Signale tritt eine Verzerrung an einer leicht gekrümmten asymmetrischen Kennlinie auf und die Verzerrung bei großen Signalen wird im Pegel deutlich asymmetrisch, bleibt in der Härte der Begrenzung aber eher symmetrisch.
Mit dem Zuschalten der Hardclip-Diode D0 (rote Graphen) wird letzterem abgeholfen, die obere Halbwelle wird jetzt – „früher“ und härter – auf vergleichbare maximale Ausgangsspannungen begrenzt. Insgesamt entsteht eine sanft asymmetrische Kennlinie, für kleine Signale fast quadratisch (voraussichtlich mit deutlicher Betonung der k2), beide Halbwellen werden unterschiedlich hart, aber immer noch „röhrenähnlich“ bzw. „weich genug“ begrenzt:
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_softklipp_prinzip_detail_hardclip_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_softklipp_prinzip_detail_hardclip_invers_grosz.gif)
Abb. 2.4: Ableitung der Begrenzerschaltung mit vorgespannten Dioden anhand der Kennlinien – Clipstufe mit vorgespannten Dioden und Desymmetrierwiderstand ohne (Doppellinie schwarz) und mit Hardclip-Diode (rot).
Soviel zu EXCEL und Kurvenschönheit. Die dahinterliegenden mathematischen Zusammenhänge allerdings sind schon bei idealen Dioden (die der durchaus idealisierten Shockley-Gleichung folgend) einigermaßen komplex. Das heißt, es sollte hoffentlich klar sein, dass diese Schaltung nicht so simpel dimensioniert werden kann wie die übliche Begrenzerschaltung mit zwei antiparallelen Dioden, weil die verschiedenen Parameter – Größe des Vorwiderstandes, Auswahl der Graetzbrücken wie der Hardclip-Diode, der Wert von Desymmetrier- und Biaswiderstand – aufeinander abgestimmt werden müssen.
Kurvensimulationen mit EXCEL
Kapitelinhalt: [ Überspringen ]- Vorüberlegungen •
- Kleiner Vorwiderstand Rvor = 2,2 kΩ •
- Großer Vorwiderstand Rvor = 22 kΩ •
- Messschaltung H – Standarddiode 1N4148 und kleiner Vorwiderstand Rvor = 2,2 kΩ •
- Zusammenfassung
Vorüberlegungen
Kapitelinhalt: [ Überspringen ]Die weitere Beschäftigung mit der Begrenzerschaltung mit vorgespannten Dioden brachte drei verwertbare Schaltungsentwürfe hervor. Allerdings konnten diese Schaltungen nicht streng „Top down“ aus Parametern abgeleitet werden – dazu sind die Schaltungen mit mehreren Dioden wegen deren exponentiellen Kennlinien zu kompliziert – sondern es wurde in Teilen auch nach „Trial & Error“ gearbeitet.
Dabei boten die zur Verfügung stehenden Simulationsprogramme nach Kenntnis des Autors entweder keine ausreichend genauen Modelle der Dioden und / oder erlaubten keine Ausgabe von Kennlinien(wertelisten) – es blieb also als letztes Entscheidungskriterium zur Beurteilung einer Schaltung nur das (mühsame wie fehlerträchtige) händische Ausmessen statischer Kennlinien.
Um diese wunderschön beruhigende Fleißarbeit auf ein Minimum zu beschränken, wurde eine Möglichkeit gesucht, die Schaltungen durchzurechnen bzw. grob „mit EXCEL zu simulieren“. Dazu bedarf es natürlich einer halbwegs realistischen mathematischen Beschreibung zumindest des statischen Verhaltens jeder Diode, soll heißen, die Dioden müssen ausgemessen werden, um hieraus verlässliche Diodenmodelle des statischen Verhaltens der Diode abzuleiten.
Diodenmodelle
Die verwendeten Dioden waren dazu vorher in einer simplen Messschaltung (von gemessener Vorspannung 9 V bzw. 1,5 V über einen einstellbaren Vorwiderstand 1 kΩ bis 4,7 MΩ auf die Diode, deren Spannung mit einem relativ hochohmigen Voltmeter Ri = 10 MΩ gemessen wurde) ausgemessen worden und ihre statischen Kennlinien (ID = f(ID) und rD = f(ID)) in ein Diagramm eingetragen wurden. Daneben wurden in gleicher Form die Graphen von mathematischen Modellen gelegt, und deren Parameter soweit angepasst, dass die Kurven weitgehend übereinanderliegen – kurz, die Dioden wurden grafisch modelliert, und zwar nach folgender Gleichung:
\( \begin{eqnarray} &&\textbf{Shockley-Gleichung einer idealen Diode} \\~\\ U_{\textrm{D}} & = & U_{\textrm{T}}\cdot{} η\cdot{} \ln \left( \frac{I_{\textrm{D}}}{I_{\textrm{S}}} + 1 \right) \\~\\ &&\textbf{Verwendete Modell-Gleichung} \\~\\ U_{\textrm{D}} & = & U_{\textrm{T}}\cdot{} η_{\textrm{1}}\cdot{} \ln \left( \frac{I_{\textrm{D}}}{I_{\textrm{S,1}}} + 1 \right) + \\~\\ && U_{\textrm{T}}\cdot{} η_{\textrm{2}}\cdot{} \ln \left( \frac{I_{\textrm{D}}}{I_{\textrm{S,2}}} + 1 \right) + \\ && \textrm{… }+ \\~\\ && I_{\textrm{D}}\cdot{} r_{\textrm{bahn}} \tag{1}\end{eqnarray} \)
Die Diode wurde also als Serienschaltung idealer Dioden (laut Shockley-Gleichung) und einem Bahnwiderstand „zusammengebaut“. Die folgende Abbildung 3 zeigt das Ganze am Beispiel der Schottky-Diode 1N5817 – hier wurde im Messbereich bis knapp 10 mA kein relevanter Bahnwiderstand gemessen bzw. die gemessene Kennlinie konnte mit einer zweiten Sub-Diode treffender modelliert werden als mit einem Bahnwiderstand:
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_kennlinie_1N5817_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_kennlinie_1N5817_invers_grosz.gif)
Abb. 3: Statische Kennlinie der verwendeten Diode 1N5817.
Es ist ein für große Schottky-Dioden nicht untypischer relativ hoher Sperrstrom von knapp 0,6 µA (ähnliche Werte wurden auch in Modellen für PSPICE gesehen) und ein η von etwa eins gefunden worden. Ähnlich, wenn auch mit deutlich geringerem Sperrstrom, verhält sich die Schottky-Diode 1N60P.
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_kennlinie_1N60P_2_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_kennlinie_1N60P_2_invers_grosz.gif)
Abb. 4: Statische Kennlinie der verwendeten Diode 1N60P, ermittelt an zwei Exemplaren.
Als dritte mögliche Hardclip-Diode wurde die russische/sowjetische Germaniumdiode Д9Е in Betracht gezogen – hier in Abbildung 5 die gemessene statische Kennlinie und ein Modell, bestehend aus drei idealen Dioden und einem Bahnwiderstand:
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_kennlinie_D9E_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_kennlinie_D9E_invers_grosz.gif)
Abb. 5: Statische Kennlinie der verwendeten Diode Д9Е.
Weiterhin wurden noch, für die Verwendung als „Graetzbrücken-Dioden“ D1.1 – D2.4 (bzw. als einzelne Dioden D1 – D8) die Diode 1N4148, die Graetzbrücke B500D und die Doppeldiode SAL41 ausgemessen – die folgende Tabelle 1 enthält die ermittelten Parameter:
Diode | IS [mA] |
η | rb | Anmerkg. |
---|---|---|---|---|
B500D | 6⋅10−8 | 1,33 | — | Graetzbr. |
6⋅10−2 | 0,45 | |||
1N4148 | 2,4⋅10−6 | 1,84 | — | |
1N5817 | 5,5⋅10−4 | 0,99 | — | Schottky |
2 | 0,2 | |||
1N60P | 6⋅10−5 | 1 | 1 Ω | Schottky |
SAL41 | 7,5⋅10−10 | 1,2 | 9 Ω | hartes Cliping |
Д9Е | 2,7⋅10−6 | 1,1 | 6 Ω | Detektor- diode |
5⋅10−5 | 1,1 | |||
4,5⋅10−4 | 1,7 |
Anschließend noch, zur bildlichen Verdeutlichung, die Kennlinien der drei verwendeten Siliziumdioden in einem Diagramm:
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_diodenkennlinien_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_diodenkennlinien_invers_grosz.gif)
Abb. 6: Statische Kennlinien der verwendeten Dioden 1N4148 sowie von jeweils einer Diode SAL41 (Doppeldiode) und B500D (Graetzbrücke).
Es fällt auf, dass die SAL41 (HFO) ein wenig aus dem Rahmen fällt – durch einen kleinen Emissionskoeffizienten von 1,2 ist der Übergang vom Sperren in die Sättigung kleiner (fast wie bei einer Germaniumdiode) liegt aber durch einen extrem kleinen Sperrstrom bei relativ hohen Diodenspannungen – die Graphen sind also steiler und liegen im Diagramm weiter rechts. Als Begrenzerdiode in einer üblichen Begrenzerschaltung mit zwei antiparallelen Dioden würde die SAL41 zu einer eher harten Begrenzung führen.
Im Diagramm ist lässt sich schon erahnen, dass die SAL41 in einer Schaltung entsprechend Abbildung 1 für größere Vorwiderstände geeigneter ist – die Vorspannung (über D1.3 und D2.4) ist zwar etwas größer, die vorgespannten Dioden (D1.1, D1.2, D2.1 und D2.2) haben dann aber bei der halben Vorspannung einen voraussichtlich deutlich höheren differentiellen Innenwiderstand als beispielsweise eine 1N4148 oder eine Diode der Graetzbrücke B500D.
Ableitung der Kennlinien
Nun zur Simulation der Kennlinien in EXCEL. Die Kennlinien wurden folgendermaßen berechnet:
- Statische Spannungen:
-
Die Spannungen über den die Vorspannung erzeugenden Dioden D1.3 und D2.4 wurden als fix angenommen – das stimmt so lange, wie die Ströme durch die vorgespannten Dioden D1.1, D1.2, D2.1 und D2.2, durch die üblichen Begrenzerdioden D1.4 und D2.3 sowie durch Hardclip-Diode D0 deutlich kleiner sind als der Vorspannstrom durch Rvor:
Das heißt, die Rückwirkung des sich ändernden Stromes durch die Vorspanndioden D1.3 und D2.4 auf die Vorspannung wird in dieser Simulation vernachlässigt.
- Vom Ausgang zu Eingang.
-
Es wurden für einen festzulegenden Ausgangsspannungsbereich die Ströme durch die einzelnen Pfade der Begrenzerschaltung
-
die Ströme durch die oberen vorgespannten Dioden; d. h. durch D1.1 in Serie mit Rsymm,2 || D1.2 , auf die die Spannungsdifferenz zwischen Eingangsspannung und oberer Vorspannung abfällt,
-
die Ströme durch die unteren vorgespannten Dioden, über denen die Eingangsspannung gegen Masse abfällt,
-
die Ströme durch die „normalen“ Begrenzerdioden D1.4 und D2.3 – Spannungsabfall hier die Differenzspannung zwischen Eingangsspannung und der unteren Vorspannung (Spannung D1.4 und D2.3 mit wechselndem Vorzeichen),
-
sowie die Ströme durch die Hardclip-Diode D0
summiert und, mit dem Vorwiderstand Rvor multipliziert, der Ausgangsspannung zugeschlagen, um die zugehörige Eingangsspannung zu berechnen.
-
- Kennlinienapproximation:
-
Da sich bei dem verwendeten Diodenmodell nach Gleichung 1 (Serienschaltung mehrerer idealer Dioden) lediglich die Diodenspannung aus dem Diodenstrom ableiten lässt, mussten für alle fünf genannten Ströme (durch den oberen und unteren Zweig mit vorgespannten Dioden, die beiden „normalen“ Begrenzerdioden und die Hardclip-Diode) Matrizen zur linearen Approximation angelegt werden.
- Festlegung Ausgangsspannungsbereich:
-
Die Kennlinie wird ja, wie oben beschrieben, „rückwärts“ berechnet – zu jeder Ausgangsspannung die passende Eingangsspannung. Der Spannungsbereich, für den die Kennlinie berechnet wird, bewegt sich dabei linear (in 200 Stufen) zwischen einer minimalen und maximalen Ausgangsspannung – minimale und maximale Ausgangsspannung werden jeweils so festgelegt, dass ein sinnvoller Eingangsspannungsbereich überstrichen wird.
- Verschiebung des Arbeitspunktes in den Koordinatenursprung:
-
Es wird die Tabellenzeile (die Ausgangsspannung) ermittelt, in der das Vorzeichen der Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung das Vorzeichen wechselt – diese Tabellenzeile repräsentiert die Ruhelage. Die Ein- und Ausgangsspannung in dieser Tabellenzeile werden von den berechneten Werten abgezogen und so die Kennlinie mit dem Arbeitspunkt in den Koordinatenursprung des Kennliniendiagramms gezogen.
- Vergleichskennlinie:
-
Für eine „normale“ Hardclip-Schaltung mit zwei antiparallelen Dioden 1N4148 mit gleichem Vorwiderstand Rvor wird die Ein- / Ausgangskennlinie berechnet und ebenfalls ins Diagramm übernommen.
- Berechnetes „Wachstum“:
-
Die Ableitung des Wachstums (d UA / d UE), d. h. der Ableitung der Änderung der Ausgangsspannung gegen die der Eingangsspannung, wird ebenfalls ins Kennliniendiagramm der Begrenzerschaltung eingetragen – sie ermöglicht eine genauere Beurteilung der eigentlichen Kennlinie.
Die in den folgenden Kapiteln dargestellten Kennlinien (beispielsweise in Abbildung 9 oder Abbildung 10) sollten als bildliche Erklärung hilfreich sein.
Kleiner Vorwiderstand Rvor = 2,2 kΩ
Kapitelinhalt: [ Überspringen ]- A: Schaltung aus dem umgebauten Pfadfinder
- B: Andere Hardclip-Diode 1N4148
- C: Einzelner Desymmetrierwiderstand und Hardclip-Diode 1N5817
- D: Einzelner Desymmetrierwiderstand und Hardclip-Diode 1N60P
Nun die EXCEL-Modellierungen einiger Begrenzerschaltungen, von denen dann drei Schaltungen genauer ausgemessen wurden. Zuerst die Schaltungen mit Rvor = 2,2 kΩ:
A: Schaltung aus dem umgebauten Pfadfinder
Begonnen wurde bei der Kennlinienberechnung mit einer Schaltung, wie sie der Autor für den Umbau des Verstärkers VOX Pathfinder 10 bereits umgesetzt hat – die folgende Abbildung 7 zeigt etwa die realisierte Schaltung,
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. Schaltplan](../bilder/pathfinder_III_softklipp_B500D_1N5817_UBsymm_schem_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. Schaltplan](../bilder/pathfinder_III_softklipp_B500D_1N5817_UBsymm_schem_invers_grosz.gif)
Abb. 7: Ungefähre Darstellung der in den Verstärker VOX Pathfinder 10 eingebauten asymmetrischen Begrenzerschaltung.
während die darauffolgende Abbildung 8 deren Anpassung an die Modellierung in EXCEL darstellt (Es gibt nur eine Betriebsspannung; keine symmetrische):
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. Schaltplan](../bilder/pathfinder_III_softklipp_B500D_1N5817_schem_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. Schaltplan](../bilder/pathfinder_III_softklipp_B500D_1N5817_schem_invers_grosz.gif)
Abb. 8: Schaltung nach obiger Abbildung 7 mit asymmetrischer Speisung.
Diese Schaltungsanordnung wurde nun wie oben beschrieben in EXCEL simuliert – die folgende Abbildung 9 enthält die statische Kennlinie für den gesamten zu erwartenden Eingangsspannungsbereich:
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_softklipp_B500D_1N5817_breit_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_softklipp_B500D_1N5817_breit_invers_grosz.gif)
Abb. 9: Berechnete Kennlinie einer Schaltung entsprechend Abbildung 8
Das Diagramm zeigt für große Signale eine leicht asymmetrische Begrenzung (maximale Ausgangsspannungen −0,47 V und +0,38 V, d. h. der Arbeitspunkt liegt bei etwa 45 % des Aussteuerungsbereiches). Nun die Detailansicht für den Eingangsspannungsbereich ±2 V (in der folgenden Abbildung 10):
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_softklipp_B500D_1N5817_detail_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_softklipp_B500D_1N5817_detail_invers_grosz.gif)
Abb. 10: Berechnete Kennlinie einer Schaltung entsprechend Abbildung 8 (Detaildarstellung)
Was ist an Informationen dazugekommen: Kleine Signalen werden auf etwa 47 % gedämpft, d. h. die mittlere Dämpfung bei kleinen Signalen liegt bei etwa 6 dB. Weiterhin werden kleine Signale in der unteren Halbwelle eher sanft begrenzt, aber in der oberen Halbwelle eher nicht verstärkt (das „Plateau“ im Wachstumsgraphen rechts von der y-Achse). Das entspricht nicht ganz dem Ideal der leichten Verzerrung an einer gekrümmten Kennlinie.
Ein weiteres Detail soll hier noch erwähnt werden, weil seine Herkunft nicht hundertprozentig klar ist – beim Einsetzen der oberen Begrenzung (UE ≈ 0,24 V) gibt es einen kleinen Sprung zumindest im Wachstums-Graphen. Hier beginnt die Schottky-Diode 1N5817 leitend zu werden. Es ist allerdings möglich, dass sich hier nur der relativ hohe Sperrstrom und die Unsauberkeiten einer linearen Approximation zu etwas Hässlichem verstärken.
Diese Schaltung wurde allerdings bei den Vorarbeiten für die Modifikation des Verstärkers VOX Pathfinder 10 schon einmal untersucht (Originalartikel siehe hier) – eine Messschaltung C5 war mit Sinussignalen unterschiedlichen Pegels ausgemessen worden; dabei konnten Oszillogramme und Lissajousfiguren aufgenommen werden. Zunächst die Messschaltung:
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. Schaltplan](../bilder/pathfinder_c_messschaltg_C5_B500D_unsymm_1-on_2-on_2k2_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. Schaltplan](../bilder/pathfinder_c_messschaltg_C5_B500D_unsymm_1-on_2-on_2k2_invers_grosz.gif)
Abb. 11: Schaltplan von Messschaltung C5 aus dem Anhang C des Artikels zur Modifikation des VOX Pathfinder 10.
Der Vorspannstrom Ibias ist hier vermutlich etwas kleiner als 9 mA, was aber keine Rolle spielen sollte – Ibias ist immer noch deutlich kleiner als der Strom durch den Vorwiderstand. Die Dämpfung von 6,4 dB bei sehr kleinen Signalen entspricht etwa dem, was im Ergebnis der EXCEL-Simulation in Abbildung 10 zu erkennen ist.
usig [V] |
ueing. [V] |
uausg. [V] |
Dclean [dB] |
||
---|---|---|---|---|---|
pp | eff. | pp | eff. | ||
0,25 | 0,61 | 0,21 | 0,29 | 0,10 | −6,4 |
0,5 | 1,18 | 0,42 | 0,47 | 0,18 | (zerrt) |
1 | 2,25 | 0,80 | 0,61 | 0,25 | (zerrt) |
3,11 | 6,83 | 2,42 | 0,79 | 0,35 | (zerrt) |
Auch die die aufgenommenen Signalformen und Lissajousfiguren passen zur Kennlinie in Abbildung 10:
Bildertabelle 3: Signalverläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet am Vorwiderstand von Messschaltung C5 (Zum Schließen klicken)
Messschaltung C5:
ueing. und uausg.
Messschaltung C5:
uausg. vs. ueing.
B: Andere Hardclip-Diode 1N4148
Wegen der oben erwähnten möglicherweise etwas hässlichen Begrenzung durch die 1N5817 als Hardclip-Diode wurden mit die EXCEL-Simulation einer anderen Hardclip-Diode (einer 1N4148) und einem Desymmetrierwiderstand von 10 kΩ fortgesetzt – die folgende Abbildung 12 zeigt die Schaltungsanordnung
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. Schaltplan](../bilder/pathfinder_III_softklipp_B500D_1N4148_schem_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. Schaltplan](../bilder/pathfinder_III_softklipp_B500D_1N4148_schem_invers_grosz.gif)
Abb. 12: Schaltung entsprechend der in Abbildung 8 – die Hardclip-Diode 1N5817 wurde durch eine 1N4148 ausgetauscht.
und das Diagramm in Abbildung 13 die Kennlinie bei großen Eingangssignalen:
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_softklipp_B500D_1N4148_breit_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_softklipp_B500D_1N4148_breit_invers_grosz.gif)
Abb. 13: Berechnete Kennlinie einer Schaltung entsprechend Abbildung 12
Nun, Minimal- und Maximalspannung verändern sich (UA,min = 0,47 V und UA,max = 0,76 V; Arbeitspunkt bei 38 %), was beim Wechsel zu lediglich einem Desymmetrierwiderstand nicht überrascht. Nun in Abbildung 14 die „Kleinsignalkennlinie“:
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_softklipp_B500D_1N4148_detail_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_softklipp_B500D_1N4148_detail_invers_grosz.gif)
Abb. 14: Berechnete Kennlinie einer Schaltung entsprechend Abbildung 12 (Detaildarstellung)
Hier gibt es keinen „Knick“ beim Eingreifen der Hardclip-Diode – allerdings unterscheiden sich die Begrenzungen der oberen und unteren Halbwelle in ihrer Schärfe wenig (was mit ähnlichen Emissionskoeffizienten der Begrenzerschaltung zu tun hat – „unten“ zwei der Dioden des B500D, d. h. ηgesamt = 2⋅ 1,33 = 2,66; „oben“ eine 1N4148, d. h. η = 1,84).
Dabei liegt hier der Arbeitspunkt einigermaßen mittig im einseitig (fast quadratisch) gekrümmten Bereich der Kennlinie (das Wachstum nimmt hier fast linear zu), was aber im Zusammenhang steht zu deutlich asymmetrischen Begrenzungen („harte“ Begrenzung oben und „weiche“ Begrenzung unten; UA,min = −0,33 V und UA,max = +0,62 V bei einem Eingangsspannungshub von ±2 V).
Das Wachstum im Arbeitspunkt liegt bei etwa 64 %, das maximale Wachstum liegt mit etwa 82 % knapp ein 30 % darüber.
C: Einzelner Desymmetrierwiderstand und Hardclip-Diode 1N5817
Dazu (und immer noch für zwei Graetzbrücken B500D und einen Vorwiderstand von 2,2 kΩ) eine weitere Schaltung, wieder mit einer Hardclip-Diode 1N5817 und einem einzelnen Desymmetrierwiderstand – siehe die folgende Abbildung 15:
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. Schaltplan](../bilder/pathfinder_III_softklipp_B500D_1N5817_single_R_symm_3k3_schem_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. Schaltplan](../bilder/pathfinder_III_softklipp_B500D_1N5817_single_R_symm_3k3_schem_invers_grosz.gif)
Abb. 15: Schaltung entsprechend der in Abbildung 8 – anstelle der beiden (De)symmetrierwiderstände 10 kΩ und 2,2 kΩ arbeitet hier nur ein Desymmetrierwiderstand 3,3 kΩ.
Dazu zuerst die „grobe“ Kennlinie für große Eingangssignale (Abbildung 16):
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_softklipp_B500D_1N5817_2k2_single_R_symm_3k3_breit_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_softklipp_B500D_1N5817_2k2_single_R_symm_3k3_breit_invers_grosz.gif)
Abb. 16: Berechnete Kennlinie einer Schaltung entsprechend Abbildung 15
Ein Bereich der Minimal- / Maximalspannungen zwischen −0,42 V und +0,42 V steht für einen mittigen Arbeitspunkt bei großen Signalen.
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_softklipp_B500D_1N5817_2k2_single_R_symm_3k3_detail_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_softklipp_B500D_1N5817_2k2_single_R_symm_3k3_detail_invers_grosz.gif)
Abb. 17: Berechnete Kennlinie einer Schaltung entsprechend Abbildung 15 (Detaildarstellung)
Auch bei kleineren Eingangssignalen (±2 V) liegt der Arbeitspunkt zum einen etwa in der Mitte des Ausgangsignalbereiches (UA,min = −0,30 V und UA,max = 0,36 V; Arbeitspunkt bei 45 %) und zum anderen in der Mitte eines einseitig gebogenen Kennlinienteils. Dabei ist die obere Begrenzung durch die Schottky-Diode 1N5817 deutlich härter als die untere.
Soviel zu der in Abbildung 15 gezeigten Schaltung.
Auch diese Schaltungsanordnung wurde in ähnlicher Form (symmetrische Betriebsspannung, Halbwellen bei „harter“ und „weicher“ Begrenzung vertauscht) schon einmal untersucht – als Schaltung A3 im ersten Anhang des Artikels zur Modifikation des VOX Pathfinder 10. Zunächst die dortige Messschaltung:
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. Schaltplan](../bilder/pathfinder_graetzclipper_03_symmklipp_unsymm_3k3_schottky_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. Schaltplan](../bilder/pathfinder_graetzclipper_03_symmklipp_unsymm_3k3_schottky_invers_grosz.gif)
Abb. 18: Schaltplan von Messschaltung A3 im Anhang A des Artikels zur Modifikation des VOX Pathfinder 10.
Dazu die dort im Messaufbau gemessenen Ruhespannungen – die gemessenen Sättigungsspannungen UF = −696 mV UK = +694 mV der rechten äußeren Dioden sind etwas kleiner als in der Berechnung mit EXCEL (dort 702 mV).
UF | UG | UA | UI | UK |
---|---|---|---|---|
−696 mV | −281 mV | 147 mV | 236 mV | 694 mV |
Außerdem damals die aufgenommenen Oszillogramme und Lissajousfiguren. Es lässt sich erkennen, dass die einseitige Krümmung der Kennlinie bei kleinen Signalen auch hier durch den Arbeitspunkt durchgeht und beide Halbwellen betrifft, d. h. dass der Arbeitspunkt mitten im Bereich der einseitig gekrümmten Kennlinie liegt.
Bildertabelle 5: Signalverläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet am Vorwiderstand von Messschaltung A3 (Zum Schließen klicken)
Messschaltung A3:
ueing. und uausg.
Messschaltung A3:
uausg. vs. ueing.
D: Einzelner Desymmetrierwiderstand und Hardclip-Diode 1N60P
In einer weiteren Variation wird die Hardclip-Diode ausgetauscht – anstelle der Schottky-Diode 1N5817 eine Schottky-Diode 1N60P. Letztere hat einen deutlich kleineren Sperrstrom, wodurch (bei gleichem Diodenstrom) mit einer höheren Diodenspannung zu rechnen ist – der Hardclip könnte ein wenig weicher ausfallen. Zunächst die Schaltung:
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. Schaltplan](../bilder/pathfinder_III_softklipp_B500D_1N60P_single_R_symm_3k3_schem_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. Schaltplan](../bilder/pathfinder_III_softklipp_B500D_1N60P_single_R_symm_3k3_schem_invers_grosz.gif)
Abb. 19: Schaltung entsprechend der in Abbildung 15 – Hardclip-Diode 1N60P.
Jetzt die „große“ Kennlinie für einen Eingangsspannungshub von ±10 V – die maximale positive Ausgangsspannung ist tatsächlich etwas größer (UA,min = 0,43 V und UA,max = 0,48 V; Arbeitspunkt etwa bei 47 %).
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_softklipp_B500D_1N60P_2k2_single_R_symm_3k3_breit_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_softklipp_B500D_1N60P_2k2_single_R_symm_3k3_breit_invers_grosz.gif)
Abb. 20: Berechnete Kennlinie einer Schaltung entsprechend Abbildung 19
Nun die Detaildarstellung:
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_softklipp_B500D_1N60P_2k2_single_R_symm_3k3_detail_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_softklipp_B500D_1N60P_2k2_single_R_symm_3k3_detail_invers_grosz.gif)
Abb. 21: Berechnete Kennlinie einer Schaltung entsprechend Abbildung 19 (Detaildarstellung)
Man könnte die Kennlinie tatsächlich „schön“ nennen – alle Begrenzungen und Übergänge sind fließend, die minimale Signaldämpfung (62 %) liegt auch hier etwa ein Drittel über der Dämpfung für sehr kleine Signale (47 % bzw. etwa 6 dB).
Großer Vorwiderstand Rvor = 22 kΩ
Kapitelinhalt: [ Überspringen ]- E: Schaltung mit vier SAL41und einer 1N5817 – Rsymm = 33 kΩ
- F: Schottky-Diode 1N60P als Hardclip-Diode
- G: Germaniumdiode Д9Е als Hardclip-Diode
Bei der Überlegung, die vergleichbaren (aber hochohmigeren) Begrenzerschaltungen mit antiparallelen Dioden in anderer Effektgeräte mit einer Begrenzerschaltung mit vorgespannten Dioden zu modifizieren (zum Beispiel die in einem Ibanez CR5 Crunchy Rhythm – zwei antiparallele 1N4148 hinter einem Vorwiderstand von 22 kΩ), zeigte sich ein Problem mit der Begrenzerschaltung mit zwei vorgespannten Graetzbrücken – sie funktioniert bei so hohen Vorwiderständen nicht mehr. Durch den großen Vorwiderstand ist zum einen die Signaldämpfung schon bei kleinen Signalen sehr groß (der Vorwiderstand ist relativ groß gegen die differentiellen Widerstände der vorgespannten Dioden) und es ist dadurch zum anderen kaum möglich, ausgangsseitig die Begrenzerspannungen der Dioden zu erreichen. Deswegen wurde mit anderen Dioden herumprobiert – konkret mit der Doppeldiode SAL41 (HFO).
Bei einem Diodenstrom von etwa 7 mA wird die SAL41 auf etwa 780 mV vorgespannt (siehe das Kennliniendiagramm in Abbildung 6), so dass die vorgespannten Einzeldioden bei einer Diodenspannung von 390 mV einen differentiellen Widerstand deutlich größer 10 kΩ aufweisen dürften. (Bei den Dioden der Graetzbrücke B500D wie bei der 1N5817 ist mit einer Vorspannung von etwa 700 mV bei den Vorspannungsdiode bzw. etwa 350 mV bei den vorgespannten Begrenzerdioden zu rechnen; deren differentieller Widerstand ist dann deutlich kleiner.)
E: Schaltung mit vier SAL41 und einer 1N5817 – Rsymm = 33 kΩ
Die gefundene Schaltung mit vier Doppeldioden SAL41 als Graetzbrücken und einer Schottky-Diode 1N5817 als Hardclip-Diode zeigt die folgende Abbildung 22:
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. Schaltplan](../bilder/pathfinder_III_softklipp_SAL41_1N5817_single_R_symm_33k_2k2_schem_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. Schaltplan](../bilder/pathfinder_III_softklipp_SAL41_1N5817_single_R_symm_33k_2k2_schem_invers_grosz.gif)
Abb. 22: Schaltung entsprechend der in Abbildung 1 – mit vier Doppeldioden SAL41, einem Vorwiderstand 22 kΩ, einem Desymmetrierwiderstand von 33 kΩ, einem Bias-Widerstand von 2,2 kΩ und einer Hardclip-Diode 1N5817.
Ausgehend von den speziellen Eigenschaften der SAL haben sich nicht nur der Vorwiderstand, sondern auch der Bias-Widerstand und der Desymmetrierwiderstand geändert – die Entwicklung dieser Schaltung soll im Folgenden kurz beschrieben werden.
- Kennlinie ohne Desymmetrierwiderstände und ohne Hardclip-Diode:
-
Zunächst wird die Kennlinie ohne Desymmetrierwiderstände und ohne Hardclip-Diode abgeleitet – siehe die Begrenzerkennlinie in der folgenden Abbildung 23 im Vergleich zur Begrenzerkennlinie zweier antiparalleler Dioden 1N4148; ebenfalls an einem Vorwiderstand 22 kΩ:
Abb. 23: Berechnete Kennlinie einer Schaltung entsprechend Abbildung 22 – ohne Rsymm,1 und ohne D0 (Detaildarstellung)
Die Kennlinien sich durchaus ähnlich und die der Schaltung mit den vorgespannten SAL41 ist auch für kleine Signale relativ homogen (und wird nicht bei sehr kleinen Signalen, d. h. in der Mitte der Kennlinie, plötzlich deutlich steiler.)
- Symmetrische Parallelwiderstände:
-
Der Einsatz symmetrischer Parallelwiderstände ist deswegen hier gar nicht erforderlich oder sinnvoll – die Kennlinie würde damit nicht viel anders aussehen als die Referenzkennlinie (der beiden antiparallelen 1N4148 an einem Vorwiderstand von 22 kΩ).
- Ein asymmetrischer Parallelwiderstand:
-
Durch einen Widerstand parallel zu einer der unteren vorgespannten Dioden (hier ist es D3.1) fällt die Ruhespannung am „Eingang“ der Begrenzerschaltung, der Arbeitspunkt wandert nach links unten bzw. die Kennlinie wird nach rechts oben verschoben.
Abb. 24: Berechnete Kennlinie einer Schaltung entsprechend Abbildung 22 – ohne D0 (Detaildarstellung)
Das heißt, diese verschobene Kennlinie ist vor allem in Bezug auf die Begrenzungspannungen asymmetrisch, weniger in Bezug auf die Härte der Begrenzungen selbst.
- Einsetzen der asymmetrischen Hardclip-Diode:
-
Letzteres wird mit dem Einsatz der asymmetrischen Hardclip-Diode korrigiert – nach einem einseitig gekrümmten Kennlinienbereich um den Koordinatenursprung herum setzt sich die Krümmung für die untere Halbwelle in Richtung geringeren Wachstums fort, während für die obere Halbwelle eine deutlich härtere Begrenzung einsetzt.
Dabei liegt die geringstmögliche Dämpfung (etwa 62 %) ungefähr ein Drittel über der Dämpfung für sehr kleine Signale (etwa 47 %).
Abb. 25: Berechnete Kennlinie einer Schaltung entsprechend Abbildung 22 (Detaildarstellung)
Allerdings machen insbesondere die Wachstums-Graphen in obigen Detail-Diagrammen noch ein Problem der Simulationsrechnung (bzw. einer schlechten Planung) deutlich – der Wachstumsgraph „springt“. Das könnte daran liegen, dass die Auflösung der Ausgangsspannungen feiner ist als die Auflösung des Modells, nach dem die Diodenströme approximiert werden. Das kann möglicherweise auch den harten Kennliniensprung um das Einsetzten des Stroms durch die Schottky-Diode erklären.
Abschließend zu obigem Diagramm in Abbildung 25 noch einmal die „Großdarstellung“ in der folgenden Abbildung 26:
Abb. 26: Berechnete Kennlinie einer Schaltung entsprechend Abbildung 22
Auch hier sind die Begrenzungen für große Signale ziemlich symmetrisch (UA,min = −0,34 V und UA,max = +0,37 V; Arbeitspunkt bei etwa 48 % des Aussteuerungsbereiches), für Signale in einem einfachen Effektgerät (Eingangsspannungshub bis ±4,5 V) ändert sich das nur wenig (UA,min = −0,28 V und UA,max = +0,35 V; Arbeitspunkt bei etwa 44 % des Aussteuerungsbereiches).
F: Schottky-Diode 1N60P als Hardclip-Diode
In Anbetracht des eher harten Begrenzereinsatzes bei Verwendung der Schottky-Diode 1N5817 als Hardclip-Diode wurden die Kennlinien noch einmal mit einer anderen Schottky-Diode, der 1N60P, gerechnet. Die 1N60P hat ebenfalls einen Emissionskoeffizienten η von etwa eins, allerdings einen knapp zehnmal kleineren Sperrstrom, so dass die Spannungen über der Diode bei gleichem Diodenstrom voraussichtlich um etwa 60 mV (ln(10) ⋅UT ≈ 2,3 ⋅ 26 mV) größer sind.
Abbildung 27 zeigt den den Berechnungen zugrundeliegenden Schaltplan,
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. Schaltplan](../bilder/pathfinder_III_softklipp_SAL41_1N60P_single_R_symm_33k_2k2_schem_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. Schaltplan](../bilder/pathfinder_III_softklipp_SAL41_1N60P_single_R_symm_33k_2k2_schem_invers_grosz.gif)
Abb. 27: Schaltung entsprechend der in Abbildung 22 mit einer Hardclip-Diode 1N60P anstelle einer 1N5817.
und Abbildung 28 die Kennlinien in der groben Darstellung:
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_softklipp_SAL41_1N60P_22k_asymm_33k_2k2_breit_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_softklipp_SAL41_1N60P_22k_asymm_33k_2k2_breit_invers_grosz.gif)
Abb. 28: Berechnete Kennlinie einer Schaltung entsprechend Abbildung 27
Im Verhalten bei größeren Eingangsspannungen sind kaum Änderungen zu erkennen – die Ausgangsspannungen bewegen sich hier zwischen Ua,min = 0,34 V und Ua,max = 0,41 V (Arbeitspunkt bei 45 %) für den großen Eingangsspannungshub; bei einem Eingangsspannungshub von ±4,5 V sind es Ua,min = 0,29 V und Ua,max = 0,39 V (Arbeitspunkt bei 43 %).
In der Detaildarstellung in Abbildung 28 sind Unterschiede zu der in Abbildung 25 zu erkennen:
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_softklipp_SAL41_1N60P_22k_asymm_33k_2k2_detail_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_softklipp_SAL41_1N60P_22k_asymm_33k_2k2_detail_invers_grosz.gif)
Abb. 29: Berechnete Kennlinie einer Schaltung entsprechend Abbildung 27 (Detaildarstellung)
Der hässliche „Knick in der mathematischen Optik“ ist hier ebenfalls deutlich ausgeprägt, die Begrenzung durch die Hardclip-Diode 1N60P scheint hingegen etwas sanfter zu sein. Das maximale Wachstum (etwa 63 %) liegt auch hier ungefähr ein Drittel über dem für kleine Signale (etwa 47 %) – ansonsten sind die Kennlinien in ihrer Gestalt relativ gleich.
G: Germaniumdiode Д9Е als Hardclip-Diode
Last but not least, zumindest für den Einsatz der SAL41, der Rechentest mit einer Germaniumdiode, einer sowjetischen / russischen Д9Е – die folgende Abbildung 30 zeigt die Messschaltung, die den Berechnungen zugrunde lag,
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. Schaltplan](../bilder/pathfinder_III_softklipp_SAL41_D9E_single_R_symm_33k_2k2_schem_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. Schaltplan](../bilder/pathfinder_III_softklipp_SAL41_D9E_single_R_symm_33k_2k2_schem_invers_grosz.gif)
Abb. 30: Schaltung entsprechend der in Abbildung 22 mit einer Hardclip-Diode Д9Е anstelle einer 1N5817.
und Abbildung 31 das Rechenergebnis für kleine Signale:
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_softklipp_SAL41_D9E_22k_asymm_33k_2k2_detail_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_softklipp_SAL41_D9E_22k_asymm_33k_2k2_detail_invers_grosz.gif)
Abb. 31: Berechnete Kennlinie einer Schaltung entsprechend Abbildung 30
Nun, diese Germaniumdiode mag schon bei kleinen Spannungen reagieren, für einen Einsatz als Hardclip-Diode ist sie nicht wirklich geeignet – das Diagramm in obiger Abbildung 31 ähnelt deutlich dem der Schaltung ohne Hardclip-Diode (siehe weiter oben in Abbildung 24).
Nichtdestotrotz noch das große Kennlinienbild zur Ermittlung der Aussteuerungsgrenzen – UA,min = 0,34 V, UA,max = 0,73 V und Arbeitspunkt bei 32 % des Aussteuerungsbereiches:
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_softklipp_SAL41_D9E_22k_asymm_33k_2k2_breit_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_softklipp_SAL41_D9E_22k_asymm_33k_2k2_breit_invers_grosz.gif)
Abb. 32: Berechnete Kennlinie einer Schaltung entsprechend Abbildung 30
Messschaltung H – Standarddiode 1N4148 und kleiner Vorwiderstand 2,2 kΩ
Für das „Nachbasteln“ scheint es zumindest sinnvoll, noch einmal etwas mit absoluten Standard-Bauelementen zu probieren – die alte Doppeldiode SAL41 ist nun wirklich ein Exot und bei der Graetzbrücke B500D weiß man nicht, inwieweit sie in dieser Schaltung durch andere Typen von DIL-Graetzbrücken ersetzt werden kann. Die Wahl fiel auf die Kleinsignaldiode 1N4148 als Vorspannungs- und vorgespannte Diode sowie die schon verwendete Schottky-Diode 1N60P als Hardclip-Diode.
Die folgende Abbildung 33 zeigt die den Berechnungen zugrundeliegende Messschaltung. Da die beiden Graetzbrücken durch diskrete Dioden 1N4148 dargestellt werden, kann D7 entfallen bzw. wird durch die sie ohne kurzschließende 1N60P ersetzt.
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. Schaltplan](../bilder/pathfinder_III_softklipp_1N4148_1N60P_single_R_symm_3k3_schem_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. Schaltplan](../bilder/pathfinder_III_softklipp_1N4148_1N60P_single_R_symm_3k3_schem_invers_grosz.gif)
Abb. 33: Schaltung entsprechend der in Abbildung 1 – mit acht Dioden 1N4148 anstelle der Graetzbrücken, Vorwiderstand Rvor = 2,2 kΩ, Desymmetrierwiderstand Rvor = 3,3 kΩ Bias-Widerstand 1 kΩ und Hardclip-Diode 1N60P.
Das „große“ Kennliniendiagramm weist leicht asymmetrische maximale Ausgangsspannungen aus (UA,min = 0,44 V und UA,max = 0,48 V; Arbeitspunkt bei 48 %).
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_softklipp_1N4148_1N60P_2k2_asymm_3k3_breit_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_softklipp_1N4148_1N60P_2k2_asymm_3k3_breit_invers_grosz.gif)
Abb. 34: Berechnete Kennlinie einer Schaltung entsprechend Abbildung 33
Auch hier noch eine Darstellung der statischen Kennlinie im Detail:
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_softklipp_1N4148_1N60P_2k2_asymm_3k3_detail_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_softklipp_1N4148_1N60P_2k2_asymm_3k3_detail_invers_grosz.gif)
Abb. 35: Berechnete Kennlinie einer Schaltung entsprechend Abbildung 33 (Detaildarstellung)
Wiedermal eine „schöne“ Kennlinie ohne harte Übergänge mit einem vergleichbaren Maß für die Kennlinienkrümmung im mittleren, asymmetrischen Teil – die minimale Dämpfung (von 61 %) liegt etwa ein Viertel über der für sehr kleine Signale (von 48 %).
EXCEL-Simulationen – Zusammenfassung
Zunächst in Tabelle 6 die Messergebnisse für die Schaltungen mit der Graetzbrücke B500D bzw. ersatzweise mit der Standarddiode 1N4148 und einem kleinen Vorwiderstand von 2,2 kΩ:
Lfd. Nr. |
Dioden: Graetz Hardclip |
Rsymm [kΩ] |
UA [V] | AP | Anmerkg. | |
---|---|---|---|---|---|---|
min | max | |||||
A | B500D 1N5817 | 10 / 2,5 | −0,52 | 0,35 | 40 % | |
B | B500D 1N4148 | 10 | −0,47 | 0,76 | 38 % | |
C | B500D 1N5817 | 3,3 | −0,43 | 0,41 | 51 % | |
D | B500D 1N60P | 3,3 | −0,43 | 0,48 | 47 % | „schön“ |
H | 1N4148 1N60P | 3,3 | −0,44 | 0,48 | 48 % | „schön“ |
Die zweite Tabelle 7 für die Schaltungen mit der SAL41 und einem großen Vorwiderstand von 22 kΩ:
Lfd. Nr. |
Dioden: Graetz Hardclip |
UA [V] | AP | Anmerkg. | |
---|---|---|---|---|---|
min | max | ||||
E | SAL41 1N5817 | −0,34 V | 0,37 V | 48 % | harte Begrenzung |
F | SAL41 1N60P | −0,34 V | 0,41 V | 45 % | |
G | SAL41 Д9Е | −0,33 V | 0,74 V | 31 % | ungeeignet |
Interessant für eine weitere Untersuchung scheinen der Form der Kennlinie nach zunächst einmal alle Schaltungen mit einer 1N60P als Hardclip-Diode (Schaltungen D, F und H), zumal die Schaltungen A und C schon im Zusammenhang mit der Modifikation des Verstärkers „VOX Pathfinder 10“ eingehender untersucht worden waren.
Kennlinien händisch ausmessen
Kapitelinhalt: [ Überspringen ]- Messschaltung H – sieben 1N4148 und eine 1N60P •
- Messschaltung F – vier SAL41 und eine 1N60P •
- Messschaltung D – zwei B500D und eine 1N60P •
- Zusammenfassung und Obertonspektren
Simulationen ist nie hundertprozentig zu trauen; deswegen wurden drei der Modellschaltungen noch einmal aufgebaut und die Kennlinien händisch (mit etwa 80 Messpunkte) ermittelt. Nun ist das händische Ausmessen von Kennlinien mühsam – deswegen wurden drei Schaltungen zum Ausmessen ausgewählt:
- Messschaltung H – sieben 1N4148 und eine 1N60P:
-
Vermutlich die am einfachsten zu realisierende Schaltung – die 1N4148 ist schaltungstechnisch absoluter Standard, die 1N60P immer noch gut zu beschaffen.
- Messschaltung D – zwei B500D und eine 1N60P:
-
Diese Schaltung ist leicht umzusetzen – zwei Graetzbrücken, eine (Schottky)-diode, drei Widerstände. Schwieriger ist möglicherweise die Frage, ob und inwieweit vergleichbare Graetzbrücken geeignet sind.
- Messschaltung F – vier SAL41 und eine 1N60P:
-
Wie oben erläutert ist die SAL41 bis dato für höhere Vorwiderstände alternativlos, wenn auch für größere Stückzahlen vermutlich schwierig zu beschaffen.
Messschaltung H – sieben 1N4148 und eine 1N60P
Begonnen wurde auf dem Breadboard mit einer Schaltung entsprechend Abbildung 33 (sieben Dioden 1N4148, eine 1N60P als Hardclip-Diode, Rvor = 2,2 kΩ, Rsymm = 3,3 kΩ und Rbias = 1 kΩ).
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_messung_kennlinie_7N4148_1N60P_2k2_3k3_1k_breit_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_messung_kennlinie_7N4148_1N60P_2k2_3k3_1k_breit_invers_grosz.gif)
Abb. 36: Gemessene Kennlinie einer Schaltung entsprechend Abbildung 33. Im Hintergrund in Grau zum Vergleich die berechneten Kennlinien (Ausgangsspannung und Wachstum), d. h die in Abbildung 34 dargestellten Daten.
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_messung_kennlinie_7N4148_1N60P_2k2_3k3_1k_detail_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_messung_kennlinie_7N4148_1N60P_2k2_3k3_1k_detail_invers_grosz.gif)
Abb. 37: Gemessene Kennlinie einer Schaltung entsprechend Abbildung 33 (Detaildarstellung). Im Hintergrund in Grau zum Vergleich die berechneten Kennlinien (Ausgangsspannung und Wachstum), d. h die in Abbildung 35 dargestellten Daten.
Hier fällt auf, dass die reale Begrenzung bei kleiner Aussteuerung (Eingangsspannungsbereich ±2 V) etwas früher und stärker einsetzt, aber bei größerer Aussteuerung schwächer ausfällt. Das kann daran liegen, dass die über den beiden Dioden der Bias-Schaltung in der realen Schaltung nicht fix ist, sondern sich mit sich verändernder Aussteuerung (und sich verändernden Strömen durch die Dioden) ebenfalls leicht ändert.
Messschaltung F – vier SAL41 und eine 1N60P
Danach wurde die Schaltung F (vier Doppeldioden SAL41, eine 1N60P als Hardclip-Diode, Rvor = 22 kΩ, Rsymm = 33 kΩ und Rbias = 2,2 kΩ) ausgemessen – auch hier in den Diagrammen der Vergleich der gemessenen Kennlinien mit den berechneten:
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_messung_kennlinie_4SAL41_1N60P_22k_33k_2k2_breit_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_messung_kennlinie_4SAL41_1N60P_22k_33k_2k2_breit_invers_grosz.gif)
Abb. 38: Gemessene Kennlinie einer Schaltung entsprechend Abbildung 27. Im Hintergrund in Grau zum Vergleich die berechneten Kennlinien (Ausgangsspannung und Wachstum), d. h die in Abbildung 28 dargestellten Daten.
Das Ganze noch einmal in der Detaildarstellung:
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_messung_kennlinie_4SAL41_1N60P_22k_33k_2k2_detail_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_messung_kennlinie_4SAL41_1N60P_22k_33k_2k2_detail_invers_grosz.gif)
Abb. 39: Gemessene Kennlinie einer Schaltung entsprechend Abbildung 27 (Detaildarstellung). Im Hintergrund in Grau zum Vergleich die berechneten Kennlinien (Ausgangsspannung und Wachstum), d. h die in Abbildung 29 dargestellten Daten.
Im Gegensatz zu den Messkurven von Messschaltung H (siehe Abbildung 37) scheinen hier berechnete und gemessene Kennlinien fast übereinanderzuliegen, wenn auch gemessene Kurve insbesondere bei größerer Aussteuerung etwas „nach unten verschoben“, d. h. deutlicher asymmetrisch ist.
Messschaltung D – zwei B500D und eine 1N60P
Zu guter Letzt die Messergebnisse von Schaltung D (zwei Graetzbrücken B500D, eine 1N60P als Hardclip-Diode, Rvor = 2,2 kΩ, Rsymm = 3,3 kΩ und Rbias = 1 kΩ):
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_messung_kennlinie_2B500D_1N60P_2k2_3k3_1k_breit_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_messung_kennlinie_2B500D_1N60P_2k2_3k3_1k_breit_invers_grosz.gif)
Abb. 40: Gemessene Kennlinie einer Schaltung entsprechend Abbildung 15. Im Hintergrund in Grau zum Vergleich die berechneten Kennlinien (Ausgangsspannung und Wachstum), d. h die in Abbildung 20 dargestellten Daten.
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_messung_kennlinie_2B500D_1N60P_2k2_3k3_1k_detail_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_messung_kennlinie_2B500D_1N60P_2k2_3k3_1k_detail_invers_grosz.gif)
Abb. 41: Gemessene Kennlinie einer Schaltung entsprechend Abbildung 15 (Detaildarstellung). Im Hintergrund in Grau zum Vergleich die berechneten Kennlinien (Ausgangsspannung und Wachstum), d. h die in Abbildung 21 dargestellten Daten.
Die Unterschiede zwischen berechneter und gemessener Kennlinie sind auch hier gering; die Abweichungen ähneln denen der Schaltung mit 1N4148 – siehe die Kennlinien in Abbildung 37.
Zusammenfassung und Obertonspektren
Die Zusammenfassung beginnt mit einem Vergleich der drei gemessenen Kennlinien – erst in der Grobdarstellung (siehe die folgende Abbildung 42):
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_messung_kennlinie_zusammen_2B500D_4SAL41_7N4148_breit_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_messung_kennlinie_zusammen_2B500D_4SAL41_7N4148_breit_invers_grosz.gif)
Abb. 42: Gemessene Kennlinien der Schaltungen entsprechend Abbildung 15, Abbildung 27 und Abbildung 33.
Es zeigt sich auch hier, dass bei der hochohmigeren Messschaltung F (mit sieben SAL41) die Maximalspannungen am Ausgang geringer sind. Zum Vergleich der Kennlinienformen ist allerdings die Detailansicht geeigneter – die Kennlinienformen unterscheiden bei großen Signalen kaum. Deswegen hier auch die Detailansichten der drei Kennlinien (siehe Abbildung 43):
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_messung_kennlinie_zusammen_2B500D_4SAL41_7N4148_detail_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_messung_kennlinie_zusammen_2B500D_4SAL41_7N4148_detail_invers_grosz.gif)
Abb. 43: Gemessene Kennlinien der Schaltungen entsprechend Abbildung 15, Abbildung 27 und Abbildung 33 (Detaildarstellung).
Zu den Unterschieden:
- Messschaltung F – SAL41 / 1N60P – blau; Strichlinie:
-
Diese Schaltung bzw. ihre Kennlinien fallen sofort auf – die Begrenzung ist stärker, die Ausgangsspannungen in beiden Richtungen kleiner und die Krümmung in der Mittel der Kennlinie (Wachstumskurve in der Detailansicht) erkennbar stärker.
- Messschaltung H – 1N4148 / 1N60P – schwarz; Doppellinie:
-
Bei der Messschaltung H mit sieben 1N4148 ist der Übergang in die Begrenzung durch die Schottky-Diode ein wenig härter,
- Messschaltung D – B500D / 1N60P – rote:
-
während Messschaltung D an diesem Punkt dem Verhalten von Messschaltung F ähnelt.
Andere und grundlegende Unterschiede lassen sich beim Vergleich der gemessenen Kennlinien dann doch nicht erkennen oder finden. Um aber insbesondere klangliche Unterschiede wie auch die Gemeinsamkeiten der Schaltungen besser abschätzen zu können, wurden für fünf Begrenzerschaltungen bzw. aus deren Kennlinien (die drei oben diskutierten Messschaltungen sowie zwei Standardklippstufen 2,2 kΩ bzw. 22 kΩ auf antiparallele 1N4148) Obertonspektren berechnet – die folgende Bildertabelle 5 zeigt Kennlinien und Spektren. (Die Berechnung der Spektren aus der Kennlinie über ein Python-Script wird in einem Artikel des Kolophons beschrieben.)
Die Bildertabelle schließt mit einem Ausschnitt aus einem Lehrvideo von Manfred Zollner (aus den Tutorials „Physik der Elektrogitarre“ das Video T67: ECC83: Systemvergleich; die Bilddatei freundlicherweise zur Verfügung gestellt vom Autor des Tutorials). Der Ausschnitt zeigt im linken Diagramm die gemessenen Kennlinien einer Kathodenfolgerstufe in einem „britischen“ Verstärker (d. h. eine Verstärkerstufe mit einem kapazitiv überbrückten Kathodenwiderstand 820 Ω und einem Anodenwiderstand 100 kΩ; galvanisch gekoppelt an einen Kathodenfolger mit Kathodenwiderstand 100 kΩ), die mit verschiedenen Exemplaren einer ECC83 bestückt wurde. Im rechten Diagramm sieht man die zugehörigen Spektren bzw. die aussteuerungsabhängige Verteilung der zweiten und dritten Harmonischen im Ausgangssignal dieser Stufe, ebenfalls für verschiedene Exemplare einer ECC83.
(Die vom Autor erstellten Spektren sind schon der besseren Vergleichbarkeit wegen dieser Darstellung nachempfunden.)
Bildertabelle 8: Obertonspektren an den berechneten und gemessenen Kennlinien der Begrenzerschaltungen.
Obige Bildertabelle verlangt möglicherweise einige Erläuterungen:
- Schaltungen mit antiparallelen 1N4148:
-
Der geringe Anteil geradzahliger Harmonischer war zu erwarten, auch, dass ihre Stärke mit größeren Abweichungen zwischen beiden antiparallelen Dioden zunimmt.
- Theoretische Begrenzung an einer Tangens-Hyperbolicus-Kennlinie:
-
Die symmetrische Tangens-Hyperbolicus-Kennlinien entspricht in etwa der Schaltung ohne zusätzliche Symmetrierwiderstände (wie z. B. in Abbildung 2.1). Die Begrenzung an dieser Kennlinie ist weicher als beider Standardbegrenzerschaltung – die Obertöne setzen weniger abrupt ein. Allerdings führt die streng symmetrische Schaltung auch zu ausschließlich ungeradzahligen Harmonischen, während ein Verschiebung des Ruhepunktes (wie z. B. in Abbildung 2.3), zumindest bei geringerer Aussteuerung auch geradzahlige Harmonischen entstehen lässt. (Die Angabe eines Offsets von 20 % steht für eine Verschiebung des Arbeitspunktes / der Ruhespannung von 0,2 bei einem ausgangsseitigen Aussteuerungsbereich von ± 1.)
Soviel zu (theoretischen) Begrenzungen; bei der Betrachtung der anderen Spektren ist noch zu beachten:
- Fehler in den Spektren der gemessenen Kennlinien:
-
Das „Geraffel links unten“ (Eingangspegel kleiner −20 dB) in den Spektren der gemessenen Kennlinien, d. h. die geringen Anteile verschiedener Obertöne bei relativ kleinen Signalen in den Spektren der gemessenen Kennlinien sollte nicht überraschen – möglicherweise werden hier bei kleinen Pegeln aus Messfehlern im Bereich um den Arbeitspunkt bzw. die Ruhespannung der Begrenzerschaltung herum Obertöne berechnet, die es gar nicht gibt.
- Kerbe ak2:
-
Das deutliche Minimum der zweiten Harmonischen bei etwa 5 dBV (d. h. etwa 1,8 V Effektivwert bzw. etwa 5 V Spitze-Spitze) fällt auf. Zum einen nimmt der Anteil der zweiten Harmonischen natürlich mit größerer Aussteuerung ab (das Ausgangssignal wird fast zu einem abgerundeten Rechteck), die Zunahme der ak2 bei größerer Aussteuerung (hinter der Kerbe) ist bestenfalls mit den leicht asymmetrischen minimalen / maximalen Ausgangsspannungen (siehe Tabelle 6 und Tabelle 7) zu erklären.
Hier gibt es aber einen Unterschied zu den Spektren der Triodenschaltung – das deutliche Minimum betrifft dort vor allem die dritte Harmonische ak3 – das Minimum der zweiten Harmonischen ak2 ist dort erkennbar weniger tief.
- Gesamtverhalten asymmetrische Diodenbegrenzerschaltungen:
-
Insgesamt ein positives Ergebnis – die Obertöne nehmen nicht allzu abrupt zu, bei größeren Eingangssignalen überwiegt zunehmend der Anteil der ungeradzahligen Obertöne (wie im „wahren Leben“ auch) und die Verteilung der geradzahligen Harmonischen über den Aussteuerungsbereich ist nicht nur kontinuierlich, was die Möglichkeit eröffnet, dass bei der Begrenzung ein durchaus lebendiges Klangbild entsteht.
- Anteil der ak2 bei kleinen Signalen:
-
Der hohe Klirrfaktor bei kleinen Signalen fällt natürlich auf, zumal die Gefahr besteht (wenn sich der Gesamtklirrfaktor über die Aussteuerung wenig ändert), dass das Ganze zu „analytisch“ bzw. nach beigemischten Verzerrungen klingen könnte (wenn sich die Intensität der „Verzerrungen“ kaum mit der Aussteuerung ändert). Jedoch bestehen die Verzerrungen bei kleinen Signalen zu weiten Teilen aus der zweiten Harmonischen – und hier fiel dem Autor ein überlieferte Spruch aus Zeiten der Röhrenradios wieder ein: „Klirrfaktoren unter 10 % (bzw. −20 dB, wobei hier die niedrigzahligen Harmonischen gemeint sein dürften) könne man gar nicht hören“.
Es ist also zu hoffen, dass diese Begrenzerschaltung das Signal bei kleinen Aussteuerungen zunächst ein wenig fetter / „sämiger“ macht (die zweite Harmonische hinzufügt), um dann in asymmetrische Verzerrungen überzugehen.
- Kennlinienunterschiede:
-
Die in der Kennlinienschar der verschiedenen ECC83 erkennbaren Unterschiede lassen sich in der Begrenzerschaltung teilweise mit verschieden großen Desymmetrierwiderständen nachbilden. Dazu könnte der Desymmetrierwiderstand Rsymm durch die Serienschaltung eines Widerstandes mit einem Trimmer 10 kΩ ersetzt werden (z. B. 1 kΩ mit Trimmer 10 kΩ) – siehe den Schaltungsvorschlag in der folgenden Abbildung 44:
Abb. 44: Schaltungsentwurf zur Imitation verschiedener Röhrenexemplare in einer Begrenzerschaltung entsprechend Abbildung 33 – mit den beiden Jumpern (bitte gleichsinnig betätigen) kann noch die Polarität von Arbeitspunktverschiebung und weicher / harter Begrenzung „gedreht“ werden.
Wie im Diagramm in der nachfolgenden Abbildung 45 gezeigt, entstehen hier leicht unterschiedliche Kennlinien und deutlich unterschiedliche Empfindlichkeiten und Ausgangslautstärken.
Abb. 45: Berechnete Kennlinien der verwendeten Begrenzerschaltung nach Abbildung 33 – mit unterschiedlichen Desymmetrierwiderständen. Kennlinien auf Arbeitspunkt / Ruhespannung normiert.
Die Veränderung der Arbeitspunkte nimmt sich dagegen eher gering aus (siehe die folgende Abbildung 46):
Abb. 46: Berechnete Kennlinien der verwendeten Begrenzerschaltung nach Abbildung 33 – normiert auf gleiche Ausgangsspannungen bei UE = −2,5 V zur Darstellung der unterschiedlichen Arbeitspunkte.
Zum Abschluss dieser Überlegungen zu einem veränderlichen Desymmetrierwiderstand eine kleine Fleißarbeit – in der folgenden Bildertabelle 9 die berechneten Spektren zu den in der obigen Abbildung 45 dargestellten Kennlinien sowie – in der Zusammenfassung – links eine Kennlinienschar für alle Werte von Rsymm und rechts die Kurven für den aussteuerungsabhängigen Anteil der zweiten und dritten Harmonischen, ebenfalls für alle Werte von Rsymm:
Bildertabelle 9: (Berechnete) Obertonspektren der Testschaltung in Abbildung 44 für verschiedene Werte von Rsymm.
Schaltungsentwurf Abbildung 44
Kennlinien wie Spektren ähneln sich deutlich, wobei die Kennlinie mit größerem Desymmetrierwiderstand steiler wird und das Wachstum zunimmt. In den Spektren äußert sich das dadurch, dass auch das Spektrum „leicht nach links wandert“ und sich „horizontal zusammenzieht“ (insbesondere wandert die Lage des ak2-Minimums mit steigendem Rsymm nach links). Das ist nachvollziehbar – mit größerem Rsymm wird die Stufe „heißer“ bzw. leichter zu übersteuern; das ak2-Minimum und die Sättigung werden schon mit geringerem Eingangspegel erreicht.
Ansonsten bleibt das aussteuerungsabhängige Verhältnis von zweiter und dritter Harmonischer ak2 zu ak3 erhalten – der Charakter der Stufe in Hinblick auf die Verteilung der Harmonischen scheint sich so mit dem Wert von Rsymm nicht zu ändern – lediglich ändert sich die „Übersteuerungsfestigkeit“ (d h. der Eingangssignalpegel, bei dem stärker Verzerrungen beginnen), die Signaldämpfung bei kleinen Signalen und – in geringem Maße – die Symmetrie bei großer Aussteuerung.
Fazit
Es ist also gelungen, neben der Verbesserung oder zumindest Vereinfachung der bereits vorhandenen Schaltung A (mit zwei Graetzbrücken B500D, einer 1N5817 und zwei (De)symmetrierwiderständen) drei weitere Begrenzerschaltungen mit vorgespannten Dioden zu finden. Neben der leichten Modifikation von Schaltung A zu Schaltung D (nur ein Desymmetrierwiderstand und eine 1N60P als Hardclip-Diode) sind das die mit Standarddioden bestückte Schaltung H (sieben 1N4148 und eine 1N60P) für den Einsatz an einem Vorwiderstand 2,2 kΩ sowie die hochohmigere Schaltung F (vier Doppeldioden SAL41 und eine 1N60P) für den Einsatz an einem Vorwiderstand 22 kΩ.
Die statische Kennlinien und die Obertonspektren der drei Schaltungen sind ähnlich zueinander und deutlich verschieden zu einer „normalen Diodenklippschaltung mit zwei antiparallelen Dioden. Sinnvoll scheint ein Einsatz vor allem zur Erzeugung kaum oder schwach verzerrter Signale.
Man kann natürlich sagen, dass es für den gewünschten Einsatzzweck – eine mehr oder weniger asymmetrische und mehr oder weniger weiche statische Signalbegrenzung – auch einfachere Lösungen (z. B. Stufen mit JFET, µ-Amps etc.) gibt. Das ist richtig. Diese Schaltungen hier jedoch sind dafür gedacht, eine „normale“ und bereits vorhandene Standard-Diodenklippschaltung (Vorwiderstand, zwei antiparallele Dioden), beispielsweise in einem Übungsverstärker wie dem VOX Pathfinder 10, durch etwas bei kleiner Aussteuerung besser klingendes zu ersetzen.
Das zumindest sollte mit den gefunden Schaltungen möglich sein.
Postskriptum – Praktischer Aufbau und Messung
Kapitelinhalt: [ Überspringen ]Nachgereicht wird noch der praktische Aufbau der Schaltung H, allerdings mit Trimmer ((De-)symmetrierwiderstand von 2,2 kΩ bis 7,2 kΩ – siehe auch Abbildung 44) und – für den praktischen Einbau in den Übungsverstärker VOX Pathfinder 10 – mit symmetrischer Speisung. Nachgereicht wird weiterhin – zur Kontrolle – die Messung der statischen Kennlinie und das daraus berechnete Spektrum.
Dazu zuerst die auf symmetrische Speisung umgestrickte Schaltung – die Verbindung zwischen den beiden Bias-Dioden und der Endpunkt der nicht vorgespannten Begrenzerdioden liegt dabei an Masse. Beim Anschluss der Schottky-Dioden wurde ein wenig getrickst – die Dioden liegen antiseriell an einem Jumper, mit dem jeweils eine der beiden Dioden kurzgeschlossen werden kann (siehe dazu die folgende Abbildung 47).
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. Platinenlayout](../bilder/pathfinder_III_realisierung_platine_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. Platinenlayout](../bilder/pathfinder_III_realisierung_platine_invers_grosz.gif)
Abb. 47: Begrenzerschaltung für symmetrische Speisung zum Einbau in einen Übungsverstärker VOX Pathfinder 10.
Realisierte Platine
Die Schaltung wurde, wie auch die vorige Begrenzerschaltung im VOX Pathfinder 10 (siehe hier) auf einer kleinen Streifenleiterplatine gebaut. Das verwendete Platinenlayout musste natürlich zu bereits vorhandenen Steckverbindern (einmal Signal, Signal-Masse und Masse sowie einmal −18 V und +18 V) und zu den vorhandenen Pfostenträgern passen. Die folgende Abbildung 48 zeigt das genutzte Layout:
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. Platinenlayout](../bilder/pathfinder_III_gebaut_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. Platinenlayout](../bilder/pathfinder_III_gebaut_invers_grosz.gif)
Abb. 48: Realisiertes Layout einer Platine für die Begrenzerschaltung. Die „Achtersterne“ symbolisieren die Bohrungen 4 mm für die Pfostenträger.
und Abbildung 49 die realisierte Platine:
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. Fotografie](../bilder/pathfinder_III_platinenfoto_grosz.jpg)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. Fotografie](../bilder/pathfinder_III_platinenfoto_invers_grosz.jpg)
Abb. 49: Realisierte Schaltung – Platine für die Begrenzerschaltung.
Es ist vielleicht zu erkennen, dass die Dioden „mit Steg“ (d. h. einige Millimeter über der Platine schwebend) eingelötet wurden – im Wesentlichen, um Kurzschlüsse mit den unter den Dioden liegenden Brücken zu vermeiden.
Messung der Kennlinie
Zur Kontrollmessung der Kennlinie: Die erstellte Platine soll nach dem Durchmessen in einen VOX Pathfinder 10 eingebaut und dort über die symmetrische Betriebsspannung (etwa ±18 V) versorgt werden. Da außerhalb des Verstärkers keine solche Spannungsquelle zur Verfügung stand, wurde bei der Messung getrickst und ±9 V an den Hauptelkos der Schaltung (hinter den ersten Vorwiderständen) eingespeist.
Da es sich weiterhin um eine statische Kennlinienmessung handelte, lag der Messpunkt für den Vorwiderstand bei der Messung notwendigerweise hinter den Trennkondensatoren – d. h. auch hier musste ein kleines Kabel auf die Platine gelötet werden.
Die folgende Abbildung 50 zeigt den Schaltplan des Messaufbaus.
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. Schaltplan](../bilder/pathfinder_III_messschaltung_aufbau_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. Schaltplan](../bilder/pathfinder_III_messschaltung_aufbau_invers_grosz.gif)
Abb. 50: Schalplan des Messaufbaus zur Untersuchung der aufgebauten Begrenzerschaltung.
Im Ergebnis der Fleißarbeit (etwa 80 Mess-Wertepaare) hier die statische Kennlinie – zunächst in der Großansicht in Abbildung 50:
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_klippst_aufgebaut_halbsymm_breit_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_klippst_aufgebaut_halbsymm_breit_invers_grosz.gif)
Abb. 51: Gemessenen Kennlinie des Testaufbaus – Messung entsprechend Abbildung 50 – Vollansicht. Der Graph wurde in den Koordinatenursprung verschoben (entspricht Kennlinie nach Trennkondensator).
Die leichte Asymmetrie in den maximalen Werten und die stärkere Asymmetrie in der Härte der Begrenzung sind zu erkennen. In der Detailansicht in Abbildung 52 zeigt sich noch deutlicher die Kennlinienkrümmung für kleine Signalpegel (und natürlich eine leichte Abweichung zur berechneten Kennlinie – alles andere müsste misstrauisch machen):
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_klippst_aufgebaut_halbsymm_detail_grosz.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. EXCEL-Diagramm](../bilder/pathfinder_III_klippst_aufgebaut_halbsymm_detail_invers_grosz.gif)
Abb. 52: Gemessenen Kennlinie des Testaufbaus – Messung entsprechend Abbildung 50 – Detailansicht. Der Graph wurde in den Koordinatenursprung verschoben (entspricht Kennlinie nach Trennkondensator).
(Die Graphen beider Diagramme sind um den Betrag der Ruhespannung vor und hinter dem Vorwiderstand nach links unten bzw. nach links versetzt, wie weiter oben im Kapitel Ableitung der Kennlinien beschrieben.)
Bei händischen Kennlinienmessungen kommt es natürlich zu Messfehlern, die insbesondere beim Graphen für das Wachstum / die aussteuerungsabhängige Verstärkung auffallen. Für den Bereich um die Ruhespannung (Ein- und Ausgangsspannung sind gleich, in Diagramm ist das dann infolge des Offsets der Bereich um den Nulldurchgang) wurden deswegen keine Wachstumswerte berechnet. Außerdem springt im Wachstumsgraphen auch noch ein Messfehler ins Auge (im Diagramm bei einer Eingangsspannung von etwa 70 mV) – er wurde grün eingefärbt.
Der Vollständigkeit halber noch das aus in Abbildung 51 und Abbildung 52 dargestellten Daten berechnete Übersteuerungsspektrum:
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. Pythonspektrum](../bilder/pathfinder_III_messung_kennlinie_aufgebaut_8N4148_2N5817_3k4_halbsymm_fft_mitte.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. Pythonspektrum](../bilder/pathfinder_III_messung_kennlinie_aufgebaut_8N4148_2N5817_3k4_halbsymm_fft_invers_mitte.gif)
Abb. 53: (Berechnetes) Spektrum der aufgebauten Begrenzerschaltung – Berechnung auf Basis von Abbildung 51 und Abbildung 52 dargestellter Daten.
Auf wenn die offensichtlich fehlerhaften Messwerte um den Arbeitspunkt herum ignoriert wurden, scheint es sich bei den berechneten Klirrfaktoren im Aussteuerungsbereich kleiner −20 dB um hereingerechnete Artefakte aufgrund von Messfehlern und -ungenauigkeiten zu handeln. Darüber hinaus entspricht das berechnete Spektrum den Erwartungen.
Ansonsten scheint der Schaltungsaufbau wie gewünscht zu funktionieren – lediglich ein Lapsus im Platinenlayout ist aufgetaucht (wodurch der Autor zunächst die falsche Kennlinie gemessen hat): In diesem Layout wurden die beiden Schottky-Dioden beiden „falsch herum“ platziert – der entsprechende Jumper muss deswegen auf der realisierten Platine gegenläufig zum anderen Jumpern gesetzt werden (z. B. der obere unten und der untere oben), ansonsten entsteht eine extrem asymmetrische Begrenzung.
Ansonsten können natürlich auch beide Jumper getauscht werden – damit wird die Begrenzerkennlinie lediglich gespiegelt (obere und untere Halbwelle vertauscht), was interessant sein kann, wenn man diese Begrenzerschaltung an eine andere, ebenfalls asymmetrische Begrenzung anpassen will.
Weiterer Layoutvorschlag
Zum Abschluss deswegen ein weiterer Realisierungsvorschlag – mit korrigierten Schottky-Dioden, sinnvoll platzierten kleineren Bohrungen für kleinere Pfostenträger und sinnvolleren Anschlüssen – links Signal und Signal-Masse (für einen eingangsseitigen Pulldown), rechts −18 V, Netzteil-Masse und +18 V:
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. Platinenlayout](../bilder/pathfinder_III_vorschlag_riesig.gif)
![Für größeres Bild linksklicken, für Bild in neuem Tab rechtsklicken. Platinenlayout](../bilder/pathfinder_III_vorschlag_invers_riesig.gif)
Abb. 54: Vorläufiger Entwurfsvorschlag einer Platine für die Begrenzerschaltung.
Benutzung des Layouts auf eigene Gefahr etc.; dieses Layout ist nicht durch praktischen Aufbau verifiziert.