Klippstufe als Experimental­bausatz – Anhang A

A Messungen an der Experimental­klipp­schaltung

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Nun also die Mess- oder Untersuchungs­ergebnisse – zunächst für die Mess­schaltungen mit symmetrischen Betriebsspannungen.  Zu jeder untersuchten Schaltungsvariante wird der Schaltplan, eine Liste der gemessenen Spannungen sowie X-Y-Graphen und Oszillogramme für drei verschiedene Eingangsspannungen angegeben.  Eine Anmerkung zu den Schaltplänen:  Die Klemmen F, G, I, K und L sind keine Außenverbindungen der Schaltung, sondern Messpunkte für die Gleichspannungen, die dann jeweils in der darauffolgenden Tabelle aufgelistet werden. 

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Mess­schaltungen – Speisung symmetrisch

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Mess­schaltung A0 – Speisung symmetrisch, Grundschaltung

Schaltplan

Abb. A0: Schaltplan von Mess­schaltung A0.

Die beiden Graetzbrücken ohne weitere Beschaltung.  In der Tabelle ist zu erkennen, dass sich die Vorspannung gleichmäßig auf alle vier Begrenzer­dioden aufteilt und Ein- und Ausgang nur einen minimalen Offset von 2 mV gegenüber Masse haben.  Die X-Y-Graphen zeigen, dass die Begrenzung sehr früh einsetzt, bei einer Eingangsspannung kleiner 200 mV.  Die Oszillogramme zeigen, dass bei größeren Eingangsspannungen kein Rechteck, sondern ein „Rechteck mit Halbkreis“ entsteht, was einen komprimierten, dunklen, warmen Ton erwarten lässt. 

Tab. A0.1: Spannungen, gemessen in Schaltung A0
UF UG UA UI UK
−697 mV −357 mV −4 mV 340 mV 695 mV
Tab. A0.2: Signal­verläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet in Mess­schaltung A0
Oszillogramme
Mess­schaltung A0 –
ueing. und uausg.
X-Y-Graphen
Mess­schaltung A0 –
uausg. vs. ueing.
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 450 mV
Oszillogrammueing. (grün): 200 mV / Div,
uausg. (rot): 200 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 200 mV / Div,
uausg. (vert.): 100 mV / Div
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 900 mV
Oszillogrammueing. (grün): 500 mV / Div,
uausg. (rot): 200 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 500 mV / Div,
uausg. (vert.): 100 mV / Div
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 1,6 V
Oszillogrammueing. (grün): 500 mV / Div,
uausg. (rot): 200 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 500 mV / Div,
uausg. (vert.): 100 mV / Div

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Mess­schaltung A1 – Speisung symmetrisch, leicht symmetrisch geminderte Vorspannung, Klippingdioden symmetrisch

Die beiden Graetzbrücken mit zwei Widerständen 10 kΩ parallel zu je einer Begrenzerdiode pro Zweig.  In der Tabelle ist zu erkennen, dass in jedem Zweig beide Dioden sehr unterschiedlich vorgespannt sind. Der Offset ist weiterhin sehr klein (6 mV).  Die X-Y-Graphen zeigen einen späteren Einsatz der Begrenzung, bei einer Eingangsspannung zwischen 300 mV und 400 mV.  Die Oszillogramme zeigen eine ähnliche Signalform wie in der vorherigen Schaltung A0.

Schaltplan

Abb. A1: Schaltplan von Mess­schaltung A1.

Tab. A1.1: Spannungen, gemessen in Schaltung A1
UF UG UA UI UK
−696 mV −258 mV −7 mV 240 mV 695 mV
Tab. A1.2: Signal­verläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet in Mess­schaltung A1
Oszillogramme
Mess­schaltung A1 –
ueing. und uausg.
X-Y-Graphen
Mess­schaltung A1 –
uausg. vs. ueing.
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 500 mV
Oszillogrammueing. (grün): 200 mV / Div,
uausg. (rot): 100 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 200 mV / Div,
uausg. (vert.): 50 mV / Div
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 850 mV
Oszillogrammueing. (grün): 250 mV / Div,
uausg. (rot): 100 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 250 mV / Div,
uausg. (vert.): 50 mV / Div
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 1,6 V
Oszillogrammueing. (grün): 500 mV / Div,
uausg. (rot): 200 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 500 mV / Div,
uausg. (vert.): 100 mV / Div

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Mess­schaltung A2 – Speisung symmetrisch, symmetrisch geminderte Vorspannung, Klippingdioden symmetrisch

Schaltplan

Abb. A2: Schaltplan von Mess­schaltung A2.

Jetzt wurde je einer Begrenzerdiode pro Zweig ein Widerstand von 3,3 kΩ parallel­geschaltet – mit recht deutlichen Auswirkungen.  Die unterschiedlichen Vorspannungen der Begrenzer­dioden sind noch deutlicher ausgeprägt, der Offset ist auch hier sehr klein (2 mV).  Die Begrenzung setzt hier erst bei Eingangsspannungen über 500 mV ein, Die Oszillogramme zeigen eine symmetrische, aber wesentlich geringere Verzerrung im Vergleich zu den in der vorherigen Schaltungen Schaltung A0 und Schaltung A1

Tab. A2.1: Spannungen, gemessen in Schaltung A2
UF UG UA UI UK
−696 mV −220 mV 0 mV 203 mV 694 mV
Tab. A2.2: Signal­verläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet in Mess­schaltung A2
Oszillogramme
Mess­schaltung A2 –
ueing. und uausg.
X-Y-Graphen
Mess­schaltung A2 –
uausg. vs. ueing.
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 460 mV
Oszillogrammueing. (grün): 250 mV / Div,
uausg. (rot): 100 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 250 mV / Div,
uausg. (vert.): 50 mV / Div
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 850 mV
Oszillogrammueing. (grün): 500 mV / Div,
uausg. (rot): 200 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 500 mV / Div,
uausg. (vert.): 100 mV / Div
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 1,6 V
Oszillogrammueing. (grün): 500 mV / Div,
uausg. (rot): 200 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 500 mV / Div,
uausg. (vert.): 100 mV / Div

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Mess­schaltung A3 – Speisung symmetrisch, asymmetrisch geminderte Vorspannung, Klippingdioden asymmetrisch

Schaltplan

Abb. A3: Schaltplan von Mess­schaltung A3.  Diode D3 ist eine Schottky-Diode. 

Hier wird im oberen Zweig einer der vorgespannten Begrenzer­dioden ein Widerstand 3,3 kΩ und der oberen nicht vorgespannten Diode D2a eine Schottky-Diode parallel­geschaltet.  Der Widerstand sorgt zuerst für eine deutliche Verschiebung des Arbeitspunktes (149 mV). Zum anderen schließt der Widerstand die Diode D2c quasi kurz und sorgt dafür, dass die anderen drei vorgespannten Dioden D1c, D1d und D2c mit jeweils mehr als 400 mV mit einem differentiellen Widerstand etwas größer 1 kΩ an der Signalformung teilnehmen. 

Die Schottky-Diode wiederum sorgt für ein „härteres“ Klippen der unteren Halbwelle, wobei der hohe positive Offset der Ruhespannung dazu führt, dass der Begrenzereinsatz der Schottky-Diode um diesen Offset auf etwa 400 mV nach oben verschoben wird. 

Auf den X-Y-Graphen ist zu sehen, dass es keinen geraden Kennlinienabschnitt gibt, und dass die Begrenzung beider Halbwellen zwar bei ähnlich großen Eingangspannungen, aber ansonsten stark asymmetrisch erfolgt. 

Die Oszillogramme zeigen ein unterschiedlich begrenztes Signal, allerdings mit geradem Tastverhältnis – die Nulldurchgänge von Eingangs- und Ausgangssignal liegen übereinander. 

Tab. A3.1: Spannungen, gemessen in Schaltung A3
UF UG UA UI UK
−696 mV −281 mV 147 mV 236 mV 694 mV
Tab. A3.2: Signal­verläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet in Mess­schaltung A3
Oszillogramme
Mess­schaltung A3 –
ueing. und uausg.
X-Y-Graphen
Mess­schaltung A3 –
uausg. vs. ueing.
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 450 mV
Oszillogrammueing. (grün): 200 mV / Div,
uausg. (rot): 100 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 200 mV / Div,
uausg. (vert.): 50 mV / Div
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 850 mV
Oszillogrammueing. (grün): 250 mV / Div,
uausg. (rot): 100 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 250 mV / Div,
uausg. (vert.): 50 mV / Div
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 1,6 V
Oszillogrammueing. (grün): 500 mV / Div,
uausg. (rot): 100 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 500 mV / Div,
uausg. (vert.): 50 mV / Div

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Mess­schaltung A4 – Speisung symmetrisch, beidseitig asymmetrisch geminderte Vorspannung, Klippingdioden asymmetrisch

Schaltplan

Abb. A4: Schaltplan von Mess­schaltung A4.  Diode D3 ist eine Schottky-Diode. 

Im Unterschied zur vorherigen Mess­schaltung A3 wurde hier auch einer Diode im unteren Zweig, der Diode D1c ein Widerstand 10 kΩ parallel­geschaltet, weil ja vorgesehen war, dass in der zu realisierenden Experimentier­schaltung den beiden inneren vorgespannten Dioden immer mindestens ein Widerstand 10 kΩ parallel­geschaltet werden soll.  Dieser Widerstand führt aber allem Anschein nach zu keinen grundsätzlichen Änderungen im Verhalten der Klippstufe, lediglich der Offset der Ruhespannung bzw. des Arbeitspunktes verringert sich um etwa 60 mV, was bedeutet, dass sich der Arbeitspunkt etwas in die Richtung des „harten“ Klippen durch die Schottky-Diode bewegt. 

Weiterhin zeigt sich, im Unterschied zu Mess­schaltung A3, in den X-Y-Graphen dann doch ein kleiner fast linearer Bereich um den Arbeitspunkt herum. 

Tab. A4.1: Spannungen, gemessen in Schaltung A4
UF UG UA UI UK
−696 mV −247 mV 83 mV 220 mV 694 mV
Tab. A4.2: Signal­verläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet in Mess­schaltung A4
Oszillogramme
Mess­schaltung A4 –
ueing. und uausg.
X-Y-Graphen
Mess­schaltung A4 –
uausg. vs. ueing.
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 450 mV
Oszillogrammueing. (grün): 200 mV / Div,
uausg. (rot): 100 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 200 mV / Div,
uausg. (vert.): 50 mV / Div
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 830 mV
Oszillogrammueing. (grün): 250 mV / Div,
uausg. (rot): 100 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 250 mV / Div,
uausg. (vert.): 50 mV / Div
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 1,6 V
Oszillogrammueing. (grün): 500 mV / Div,
uausg. (rot): 100 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 500 mV / Div,
uausg. (vert.): 50 mV / Div

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Mess­schaltungen – Speisung einseitig

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Nun zu den Schaltungen mit einseitiger Betriebsspannung – hier wurden umfangreichere Versuche betrieben.  Es wurde untersucht, wie sich zwei den inneren vorgespannten Dioden pro forma parallel­geschaltete Widerstände auswirken (z. B. Mess­schaltung A13), es wurde probiert, ob komplementäre Begrenzer­einstellungen möglich sind (Mess­schaltung A14 ff.) und es wurde die zugeschaltete Schottky-Diode gedreht (Mess­schaltung A15 ff.). 

Dass diese Einstellungen nur für die Anwendung in einseitiger Betriebsspannung untersucht worden sind, heißt jedoch nicht, dass sie nicht auch bei symmetrischen Betriebsspannungen funktionieren können. 

In den Tabellen der gemessenen Spannungen ist ein Wert Offset UA hinzugekommen, er ermittelt sich als Differenz zwischen der Spannung am Eingang der Begrenzer­schaltung und der am Punkt L und beschreibt, inwieweit die Dioden zwischen beiden Punkten (D1b und D2b sowie eventuell auch eine Schottky-Diode) ebenfalls positiv oder negativ vorgespannt sind. 

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Mess­schaltung A10 – Speisung einseitig, Grundschaltung

Schaltplan

Abb. A10: Schaltplan von Mess­schaltung A10.

Diese Schaltung ist das Pendant zu Mess­schaltung A0, allerdings mit einseitiger Speisung.  Im Gegensatz zu jener Schaltung ist hier und in den folgenden Mess­schaltungen die Verbindung der beiden Graetzbrücken, über die der Strom zu Erzeugung der Vorspannung fließt (im Schaltplan Punkt L) nicht geerdet, was den relativ großen Offset der Ruhespannung erklärt.  Grund sind unterschiedliche Spannungen über den Vorspannungsdioden D1a und D2a infolge von Parameterstreuungen.  Ansonsten sind die Ergebnisse der Messung ähnlich. 

Tab. A10.1: Spannungen, gemessen in Schaltung A10
UF UG UA UI UL Offset UA
−1390 mV −1037 mV −667 mV −339 mV −694 mV 28 mV
Tab. A10.2: Signal­verläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet in Mess­schaltung A10
Oszillogramme
Mess­schaltung A10 –
ueing. und uausg.
X-Y-Graphen
Mess­schaltung A10 –
uausg. vs. ueing.
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 460 mV
Oszillogrammueing. (grün): 200 mV / Div,
uausg. (rot): 200 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 200 mV / Div,
uausg. (vert.): 100 mV / Div
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 880 mV
Oszillogrammueing. (grün): 500 mV / Div,
uausg. (rot): 200 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 500 mV / Div,
uausg. (vert.): 100 mV / Div
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 1,6 V
Oszillogrammueing. (grün): 500 mV / Div,
uausg. (rot): 200 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 500 mV / Div,
uausg. (vert.): 100 mV / Div

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Mess­schaltung A11 – Speisung einseitig, leicht symmetrisch geminderte Vorspannung, Klippingdioden symmetrisch

Schaltplan

Abb. A11: Schaltplan von Mess­schaltung A11.

Auch diese Schaltung ist ein Pendant, hier zu Mess­schaltung A1.  Die Ergebnisse sind auch hier ähnlich.  Dazu lassen die sehr ähnlichen Signalformen in den Oszillogramme ähnliche X-Y-Graphen vermuten. 

Tab. A11.1: Spannungen, gemessen in Schaltung A11
UF UG UA UI UL Offset UA
−1392 mV −946 mV −697 mV −460 mV −694 mV −1 mV
Tab. A11.2: Signal­verläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet in Mess­schaltung A11
Oszillogramme
Mess­schaltung A11 –
ueing. und uausg.
X-Y-Graphen
Mess­schaltung A11 –
uausg. vs. ueing.
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 450 mV
Oszillogrammueing. (grün): 200 mV / Div,
uausg. (rot): 100 mV / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.): 250 mV / Div,
uausg. (vert.): 50 mV / Div 
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 850 mV
Oszillogrammueing. (grün): 250 mV / Div,
uausg. (rot): 100 mV / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.): 250 mV / Div,
uausg. (vert.): 50 mV / Div 
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 1,6 V
Oszillogrammueing. (grün): 500 mV / Div,
uausg. (rot): 200 mV / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.): 500 mV / Div,
uausg. (vert.): 100 mV / Div 

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Mess­schaltung A12 – Speisung einseitig, symmetrisch geminderte Vorspannung, Klippingdioden symmetrisch

Schaltplan

Abb. A12: Schaltplan von Mess­schaltung A12.

Auch hier sind die Ergebnisse ähnlich dem Pendant mit symmetrischen Betriebsspannungen in Mess­schaltung A2 – die Begrenzung setzt auch hier erst mit einer recht hohen Spannung ein und verläuft eher weich, zumal auch hier keine harte Grenze erkennbar ist. 

Tab. A12.1: Spannungen, gemessen in Schaltung A12
UF UG UA UI UL Offset UA
−1392 mV −899 mV −702 mV −509 mV −694 mV −6 mV
Tab. A12.2: Signal­verläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet in Mess­schaltung A12
Oszillogramme
Mess­schaltung A12 –
ueing. und uausg.
X-Y-Graphen
Mess­schaltung A12 –
uausg. vs. ueing.
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 420 mV
Oszillogrammueing. (grün): 250 mV / Div,
uausg. (rot): 100 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 250 mV / Div,
uausg. (vert.): 50 mV / Div
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 830 mV
Oszillogrammueing. (grün): 250 mV / Div,
uausg. (rot): 100 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 250 mV / Div,
uausg. (vert.): 50 mV / Div
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 1,6 V
Oszillogrammueing. (grün): 500 mV / Div,
uausg. (rot): 200 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 500 mV / Div,
uausg. (vert.): 100 mV / Div

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Mess­schaltung A13 – Speisung einseitig, beidseitig asymmetrisch geminderte Vorspannung, Klippingdioden asymmetrisch

Schaltplan

Abb. A13: Schaltplan von Mess­schaltung A13.  Diode D3 ist eine Schottky-Diode. 

Diese Schaltung ist nicht mehr hundertprozentig vergleichbar mit beispielsweise Mess­schaltung A4.  In der Schaltung hier wurden beiden inneren vorgespannten Dioden Widerstände parallel­geschaltet – 10 kΩ (R4) zu D1c und 2,5 kΩ (R6 parallel R7) zu D2c.  Dadurch haben die beiden äußeren vorgespannten Dioden D1c und D2c eine noch größere Vorspannung (460 mV und 480 mV) währende beide inneren vorgespannten Dioden mehr oder weniger durch den parallel­geschalteten Widerstand ersetzt werden. 

Das Tastverhältnis des asymmetrisch begrenzten Signals ist immer noch unverändert, die Nulldurchgänge von Ein- und Ausgangssignal liegen übereinander. 

Tab. A13.1: Spannungen, gemessen in Schaltung A13
UF UG UA UI UL Offset UA
−1394 mV −931 mV −570 mV −479 mV −695 mV 127 mV
Tab. A13.2: Signal­verläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet in Mess­schaltung A13
Oszillogramme
Mess­schaltung A13 –
ueing. und uausg.
X-Y-Graphen
Mess­schaltung A13 –
uausg. vs. ueing.
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 450 mV
Oszillogrammueing. (grün): 250 mV / Div,
uausg. (rot): 100 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 250 mV / Div,
uausg. (vert.): 50 mV / Div
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 850 mV
Oszillogrammueing. (grün): 500 mV / Div,
uausg. (rot): 100 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 500 mV / Div,
uausg. (vert.): 50 mV / Div
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 1,6 V
Oszillogrammueing. (grün): 500 mV / Div,
uausg. (rot): 100 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 500 mV / Div,
uausg. (vert.): 50 mV / Div

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Mess­schaltung A14 – Speisung einseitig, komplementär zu vorheriger Schaltung A13

Schaltplan

Abb. A14: Schaltplan von Mess­schaltung A14.  Diode D4 ist eine Schottky-Diode. 

Mess­schaltung A14 stellt das komplementäre Pendant zur vorherig beschriebenen Mess­schaltung A13 dar – in der Schaltung wurden Schottky-Diode und Widerstände der entsprechenden Diode im jeweils anderen Zweig parallel­geschaltet und in den X-Y-Graphen wie auch in den Oszillogrammen sind obere und untere Halbwelle vertauscht.  Die Ergebnisse sind im Wesentlichen (komplementär) gleich. 

Nun stellt sich natürlich die Frage, welchen Sinn solche komplementären Einstellungen haben.  Allein auf diese eine Begrenzerstufe bezogen ist der Sinn vielleicht fragwürdig, im Zusammenhang mit vor oder hinter dieser Stufe liegenden Treiberstufen oder anderen Klippstufen mit asymmetrischer Begrenzung kann es allerdings sinnvoll sein, bei dieser Stufe die Polarität der Begrenzung umzudrehen. 

Tab. A14.1: Spannungen, gemessen in Schaltung A14
UF UG UA UI UL Offset UA
−1391 mV −929 mV −832 mV −478 mV −694 mV −137 mV
Tab. A14.2: Signal­verläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet in Mess­schaltung A14
Oszillogramme
Mess­schaltung A14 –
ueing. und uausg.
X-Y-Graphen
Mess­schaltung A14 –
uausg. vs. ueing.
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 440 mV
Oszillogrammueing. (grün): 250 mV / Div,
uausg. (rot): 100 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 250 mV / Div,
uausg. (vert.): 50 mV / Div
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 820 mV
Oszillogrammueing. (grün): 500 mV / Div,
uausg. (rot): 100 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 500 mV / Div,
uausg. (vert.): 50 mV / Div
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 1,6 V
Oszillogrammueing. (grün): 500 mV / Div,
uausg. (rot): 100 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 500 mV / Div,
uausg. (vert.): 50 mV / Div

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Mess­schaltung A15 – Speisung einseitig, wie Schaltung A13, dritte Klippingdiode gegenpolig

Schaltplan

Abb. A15: Schaltplan von Mess­schaltung A15.  Diode D4 ist eine Schottky-Diode. 

Auch in dieser Schaltung wurden den Dioden der Graetzbrücke Widerstände und Dioden parallel­geschaltet, allerdings, im Unterschied beispielsweise zu Mess­schaltung A13 in verschiedenen Zweigen.  Die Widerstände R6 und R7 werden der vorgespannten Diode D2c im oberen Zweig parallel­geschaltet und sorgen für einen positiven Offset der Ruhespannung und für eine Arbeits­punkt­ver­schiebung etwa 90 mV nach oben (R4 parallel zu D1c ändert daran auch nicht mehr viel), die Schottky-Diode D4 wird aber D1b im unteren Zweig gleichsinnig parallel­geschaltet und begrenzt die obere Halbwelle.  Das bedeutet, dass sich der Arbeitspunkt in Richtung der „härteren“ Begrenzung durch die Schottky-Diode bewegt. 

Im Ergebnis sieht man in den X-Y-Graphen eine stark asymmetrische Kennlinie der Begrenzerstufe, der Arbeitspunkt befindet sich am Rand eines mehr oder weniger linearen Bereiches und am Rand einer eher harten Begrenzung der oberen Halbwelle durch die Schottky-Diode, während die untere Halbwelle erst sehr viel später und weicher begrenzt wird – eine Kennlinie einer ähnlich einer sehr „asymmetrisch gebiasten“ Triode.  In den Oszillogrammen zeigt sich ein asymmetrisch begrenztes oder besser verformtes Signal mit einem leicht veränderten Tastverhältnis. 

Tab. A15.1: Spannungen, gemessen in Schaltung A15
UF UG UA UI UL Offset UA
−1389 mV −934 mV −606 mV −487 mV −692 mV 89 mV
Tab. A15.2: Signal­verläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet in Mess­schaltung A15
Oszillogramme
Mess­schaltung A15 –
ueing. und uausg.
X-Y-Graphen
Mess­schaltung A15 –
uausg. vs. ueing.
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 410 mV
Oszillogrammueing. (grün): 250 mV / Div,
uausg. (rot): 100 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 250 mV / Div,
uausg. (vert.): 50 mV / Div
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 810 mV
Oszillogrammueing. (grün): 500 mV / Div,
uausg. (rot): 100 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 500 mV / Div,
uausg. (vert.): 50 mV / Div
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 1,6 V
Oszillogrammueing. (grün): 500 mV / Div,
uausg. (rot): 100 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 500 mV / Div,
uausg. (vert.): 50 mV / Div

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Mess­schaltung A16 – Speisung einseitig, komplementär zu vorheriger Schaltung A15

Schaltplan

Abb. A16: Schaltplan von Mess­schaltung A16.  Diode D3 ist eine Schottky-Diode. 

Diese Mess­schaltung A16 ist wieder das komplementäre Pendant zur vorherigen Mess­schaltung A15

Tab. A16.1: Spannungen, gemessen in Schaltung A16
UF UG UA UI UL Offset UA
−1389 mV −915 mV −786 mV −471 mV −692 mV −92 mV
Tab. A16.2: Signal­verläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet in Mess­schaltung A16
Oszillogramme
Mess­schaltung A16 –
ueing. und uausg.
X-Y-Graphen
Mess­schaltung A16 –
uausg. vs. ueing.
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 420 mV
Oszillogrammueing. (grün): 250 mV / Div,
uausg. (rot): 100 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 250 mV / Div,
uausg. (vert.): 50 mV / Div
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 860 mV
Oszillogrammueing. (grün): 500 mV / Div,
uausg. (rot): 100 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 500 mV / Div,
uausg. (vert.): 50 mV / Div
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 1,6 V
Oszillogrammueing. (grün): 500 mV / Div,
uausg. (rot): 100 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 500 mV / Div,
uausg. (vert.): 50 mV / Div

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Auswertung

Kapitelinhalt:[  Überspringen ]

Das Ziel, eine Begrenzerschaltung zu finden, die in der Form der Begrenzung (Symmetrie und Härte) über das Verändern von Widerständen und über das Zuschalten von weiteren Dioden verändert werden kann und die auch der Symmetrie der Speisung flexibel ist, wurden grundsätzlich erreicht. 

Symmetrische Begrenzungen

Zum einen ist es möglich, das Signal mit unterschiedlicher Kompression symmetrisch zu begrenzen – die beidseitig zu jeweils einer Begrenzer­diode parallel­geschalteten Widerstände „weiten“ die Begrenzer­kennlinie kontinuierlich mit kleiner werdenden Widerstands­werten. 

Die Oszillogramme in folgender Tabelle A20 zeigen das recht anschaulich: 

Tab. A20: Signal­verläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet in den Mess­schaltungen A0, A1, A2 und A12
Oszillogramme
symmetrische Begrenzung –
ueing. und uausg.
X-Y-Graphen
symmetrische Begrenzung –
uausg. vs. ueing.
Mess­schaltung A0 
keine Parallel­widerstände 
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 1,6 V
Oszillogrammueing. (grün): 500 mV / Div,
uausg. (rot): 200 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 500 mV / Div,
uausg. (vert.): 100 mV / Div
Mess­schaltung A1 
Parallel­widerstände 2 × 10 kΩ 
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 1,6 V
Oszillogrammueing. (grün): 500 mV / Div,
uausg. (rot): 200 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 500 mV / Div,
uausg. (vert.): 100 mV / Div
Mess­schaltung A2 
Parallel­widerstände  2 × 3,3 kΩ
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 1,6 V
Oszillogrammueing. (grün): 500 mV / Div,
uausg. (rot): 200 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 500 mV / Div,
uausg. (vert.): 100 mV / Div
Mess­schaltung A12 
Parallel­widerstände  2 × 2,5 kΩ
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 1,6 V
Oszillogrammueing. (grün): 500 mV / Div,
uausg. (rot): 200 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 500 mV / Div,
uausg. (vert.): 100 mV / Div

In der konkreten Schaltung reduzieren sich diese Möglichkeiten allerdings auf drei Einstellungen, die über die Mini­schalter realisiert werden können – zum einen kann den „inneren“ beiden Begrenzer­dioden jeweils zusätzlich zum vorhandenen Widerstand 10 kΩ noch ein Widerstand 3,3 kΩ parallel zugeschaltet werden.  Diese beiden Optionen finden sich in obiger Tabelle in der zweiten und vierten Tabellen­zeile. 

Abgesehen davon gibt es noch eine dritte (hier nicht untersuchte ) Möglichkeit, beide Schottky­dioden zuzuschalten – dabei ist mit einer stärkeren Begrenzung  ⁄ Verzerrung und geringerem Ausgangs­pegel zu rechnen – das Ergebnis geht dann wohl in Richtung (!) Germanium-clipper.  Allerdings würde so der gesamte Rest der Begrenzer­schaltung gegenstandslos werden. 

Asymmetrische Begrenzungen

Nun zu den asymmetrischen Begrenzungen:  Hier konnten in der untersuchten Test­schaltung jeweils zwei „Features“ über die Mini­schalter ausgewählt werden: 

  • eine asymmetrische Verzerrung, bestehend aus der eher weichen Begrenzung einer Halbwelle (über zwei vorgespannte Siliziumdioden; in der Schaltung die jeweils die linken beiden Dioden „c“ und „d“) und der eher harte Begrenzung der anderen Halbwelle (an der Schottky­diode)

  • und dazu zwei verschiedene Arbeitspunkte – einmal etwa mittig im eher linearen Bereich zwischen den Begrenzungen und einmal in der Nähe der harten Begrenzung. 

Bei letzterer Einstellung (asymmetrischer Arbeits­punkt und asymmetrische Begrenzung) fiel auf, dass das das begrenzte Signal bei kleineren Pegeln ein stärker ungerades Tastverhältnis hatte. 

Unabhängig von der Art der Begrenzung und deren Asymmetrie kann die Schaltung bei positiver, negativer und symmetrischer Betriebs­spannung eingesetzt werden.  Weiterhin kann auch die Polarität der Begrenzungen (obere Halbwelle hart und untere Halbwelle weich oder gegen untere Halbwelle hart und obere Halbwelle weich begrenzt) getauscht werden. 

Die Oszillogramme in folgender Tabelle A21 zeigen das noch einmal zusammengefasst: 

Tab. A21: Signal­verläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet in den Mess­schaltungen A13, Mess­schaltungen A14 und Mess­schaltungen A15
Oszillogramme
un­symmetrische Begrenzung –
ueing. und uausg.
X-Y-Graphen
un­symmetrische Begrenzung –
uausg. vs. ueing.
Mess­schaltung A13 
Arbeitspunkt­verschiebung und Schottky­diode gleich­seitig 
Hard­clipp untere Halbwelle 
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 1,6 V
Oszillogrammueing. (grün): 500 mV / Div,
uausg. (rot): 100 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 500 mV / Div,
uausg. (vert.): 50 mV / Div
Mess­schaltung A14 
Arbeitspunkt­verschiebung und Schottky­diode gleich­seitig 
Hard­clipp obere Halbwelle 
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 1,6 V
Oszillogrammueing. (grün): 500 mV / Div,
uausg. (rot): 100 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 500 mV / Div,
uausg. (vert.): 50 mV / Div
Mess­schaltung A15 
Arbeitspunkt­verschiebung und Schottky­diode gegen­polig 
Hard­clipp obere Halbwelle 
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 810 mV
Oszillogrammueing. (grün): 500 mV / Div,
uausg. (rot): 100 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 500 mV / Div,
uausg. (vert.): 50 mV / Div
Ein­gangs­signal­spannung: ueing.,eff  ≈ 1,6 V
Oszillogrammueing. (grün): 500 mV / Div,
uausg. (rot): 100 mV / Div
X-Y-Graphueing. (hor.): 500 mV / Div,
uausg. (vert.): 50 mV / Div
Nachbemerkungen

Zu den Problemen  ⁄ offenen Fragen:  Nicht flexibel ist die Schaltung in ihrer Bestückung durch verschiedene Dioden und auch in der Größe des Begrenzer­vor­widerstandes – lediglich eine Anpassung an die vorhandene Betriebsspannung ist möglich, indem der Widerstand, über den die Dioden vorgespannt werden, so geändert wird, dass durch die Vorspanndioden der gleiche Strom fließt.  Allerdings steckt auch hier eine Beschränkung im Detail – der Vorspann­strom muss bei jeder Aussteuerung relevant größer sein als der maximal mögliche Strom durch den Begrenzer­vor­widerstand (weil ansonsten die Vor­spannung und damit die Begrenzung des Signals wegbricht).  In der gegebenen Dimensionierung erzwingen ein Vorspann­strom von etwa 8 mA und ein Begrenzer­vor­widerstand von 2,2 kΩ die Beschränkung es Eingangs­signal auf etwa ±15 V. 

Was die Veränderung anderer Parameter (die Wahl der Dioden, des Begrenzer­vor­widerstands und der Parallel­widerstände betrifft) – hier muss noch einiges durchdacht und ausprobiert werden. 

Ein notwendiger Nachtrag zu den Untersuchungen:  Während der Untersuchungen der Schaltungen mit einseitiger, asymmetrischer Betriebsspannung sind zwei Fehler passiert; zum einen wurden die Messungen mit einer Schaltung mit negativer statt positiver Betriebsspannung erstellt (positive statt negative Masse) – Anwender, die die Schaltung in einem „normalen“ Gerät mit positiver Betriebsspannung einsetzen wollen, müssen die Ergebnisse in Bezug auf positive und negative Halbwelle umkehren. 

Zweitens sind für die Mess­schaltung A11 keine X-Y-Graphen aufgezeichnet worden, allerdings ähneln die Oszillogramme auch dieser Schaltung stark dem Pendant mit symmetrischer Betriebsspannung Mess­schaltung A1.