Klippstufe als Experimental­bausatz – Teil III

Aus­wertung der Mess­reihen und Zusammen­fassung

Im folgenden Kapitel wird damit begonnen, die Messergebnisse, Oszillogrammen und Lissajous-Figuren der verschiedenen passiven Begrenzer­schaltungen mit vorgespannten Dioden zusammenzufassen.  Die eigentlichen Messergebnisse findet der Leser dann in den Anhängen A, B, C und D. 

Kapitelinhalt:[  Überspringen ]

• Begrenzer­schaltungen mit Graetz­brücken – Messreihen A und C •
• Begrenzer­schaltungen mit diskreten Dioden – Messreihe B •
• Vorgespannte Dioden und Biaspoti – Messreihe D •
• Zusammenfassung

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Begrenzer­schaltungen mit Graetz­brücken – Messreihen A und C

Kapitelinhalt:[  Überspringen ]

• Zur Begrenzer­schaltung an sich • 
• Messreihe A • 
• Mess­schaltungen C1 bis C7 • 
• Mess­schaltung C8

Begonnen wird mit den Schaltungen A und C – Schaltungen unter Verwendung von zwei integrierten Graetz­brücken (Schaltung A wurde zunächst auf dem Breadboard vermessen, und anschließend auf Lochraster aufgebaut und als Schaltung C noch einmal vermessen.).  Die folgende Abbildung 3.1 zeigt den Schaltplan der Mess­schaltungen A… und C…: 

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Zur Begrenzer­schaltung an sich

Noch einmal zum Prinzip der Schaltung:  Durch die jeweils rechten äußeren Dioden der beiden Graetz­brücken (D₂ und D₈) fließt ein Vorspannstrom – sinnvollerweise größer als der maximal mögliche Signalstrom durch den Vorwiderstand R₁. 

Dadurch werden die jeweils linken Dioden der Graetz­brücken (D₁, D₃, D₅, D₇) soweit vorgespannt, dass sie schon bei kleinen Signalspannungen beginnen durchlässig zu werden und das Signal zu begrenzen.  Über die den jeweils inneren linken Dioden der Graetz­brücken (D₃ und D₅) parallel­geschalteten Widerstände kann die Verteilung dieser Vorspannung verändert werden. 

Zum einen lässt sich so (durch unterschiedlich große Parallel­widerstände) der Arbeits­punkt der Begrenzer­schaltung (die Ruhe­spannung an der rechten bzw. Ausgangs­seite des Vorwiderstandes) verschieben.  Das hat den Zweck, dass die Begrenzer­dioden bei je nach Halbwelle verschiedenen Spannungen leitend werden. 

Dass eine Verschiebung der Ruhe­spannung dazu führt, dass sich die Maximal­spannungen für beiden Halbwellen gegeneinander verschieben, wenn sich die Ruhespannung am Ausgang der Begrenzer­schaltung ändert, ist durch die Wirkung der beiden „inneren rechten“ Dioden D₄ und D₆ begründet.  Diese beiden Dioden arbeiten nach wie vor als „klassische“ Begrenzer­dioden gegen einen relativ fixen Spannungs­null­punkt bzw. Spannungs­mittel­punkt der Schaltung – die Verbindung zwischen den beiden Vorspanndioden (bzw. die Verbindung der beiden „rechten“ Wechsel­spannungs­anschlüsse der Graetz­brücken).  Dadurch gibt es für beide Halbwellen die gleichen maximalen Begrenzer­spannungen gegen den Spannungs­nullpunkt. 

Wie „fix“ bzw. stabil dieser Spannungs­null­punkt ist, hängt von der Speisung der Schaltung ab.  Wird die Schaltung symmetrisch gespeist (positive Versorgungs­spannung an die Anode von D₂, negative Versorgungs­spannung an die Kathode von D₈), ist der Spannungs­null­punkt mit Masse verbunden und stabil.  Bei einseitiger Speisung der Schaltung (positive Versorgungs­spannung an die Anode von D₂, und Masse an die Kathode von D₈, oder Masse an die Anode von D₂, und negative Versorgungs­spannung an die Kathode von D₈) liegt zwischen dem Spannungs­null­punkt und Masse eine mit mehreren Milliampere vorgespannte Diode – deren differentieller Widerstand liegt bei wenigen Ohm (r_D = η ⋅ 26 mV / I_D), so dass auch dieser Spannungs­null­punkt als stabil bezeichnet werden kann, solange der Vorspannstrom größer ist als der maximal mögliche Strom durch die Begrenzer­dioden. 

Zurück zu den Parallel­widerständen.  Durch die Beschränkung auf jeweils einen Parallel­widerstand (bzw. auf jeweils eine Diode mit Parallel­widerstand) pro Halbwelle kann die Vor­spannung bzw. Vorsättigung der Begrenzer­dioden für eine Halbwelle „gegen­einander versetzt“ werden.  Die Widerstände schließen die Dioden bei der Parallel­schaltung ja teilweise kurz, senken die Spannung über dieser Diode und erhöhen dabei die Vor­sättigung der anderen Diode.  Das heißt, für kleine Signalamplituden setzt die Begrenzung (über die „äußeren“ vorgespannten Dioden) schon recht früh ein, wird aber jeweils über einen Spannungs­teiler aus Vor­widerstand und Parallel­widerstand abgemildert, wodurch die Begrenzung bzw. Kennlinien­krümmung früher und sanfter einsetzt. 

Noch eine Anmerkung zur Beschaltung der Speisung der Schaltung.  Neben den genannten Möglichkeiten der Beschaltung (positive, negative und symmetrische Betriebs­spannung) ist noch eine dritte Möglichkeit der Beschaltung interessant, die aber hier nicht untersucht wurde – der Spannungsnullpunkt wird nicht direkt mit Masse verbunden, sondern lediglich über einen Elko gepuffert, was bedeutet, dass asymmetrische Begrenzungen bzw. für beide Halbwellen des begrenzten Signals unterschiedliche Begrenzungen zu einer Arbeits­punkt­ver­schiebung der Begrenzer­schaltung führen.  Ähnliche Tricks mit einer „normalen“ Begrenzer­schaltung finden sich auch in anderen Geräten, beispielsweise im Verzerrer BOSS DS1.  Aber diese Betrachtungen gehen schon über das hinaus, was untersucht werden konnte (die Ermittlung statischer Kennlinien). 

Last but not least eine weitere wirkungsvolle Möglichkeit zur Modifikation der Begrenzer­schaltung wurde durch Zufall beim Simulieren gefunden:  Jeweils einer den beiden „klassischen“ Begrenzer­dioden (D₄ und D₆).  kann eine Schottky­diode (mit wesentlich geringerer Begrenzer­spannung und mit wesentlich „früherem“ Einsatz der Begrenzung) parallel­geschaltet werden. 

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Messreihe A

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• Mess­schaltung A0 •
• Mess­schaltung A1 •
• Mess­schaltung A2 •
• Mess­schaltung A13 •
• Mess­schaltung A16

Soweit zunächst die schöne Theorie, es folgt die Betrachtung der Messergebnisse:  Für Messreihe A wurden in den folgenden Tabellen 3.1.1 bis 3.1.5 Oszillogramme und Lissajous-Figuren, aufgenommen bei maximaler Ansteuerung der Begrenzer­schaltung, ausgewählt. 

Mess­schaltung A0

Begonnen wird mit der Mess­schaltung A0, die Grundschaltung ohne Parallel­schaltung von zusätzlichen Widerständen und / oder Dioden: 

Bilder­tabelle 3.1.1:  Überb­licks­darstellung von begrenzten Signalen und Begrenzer­kennlinien der Mess­schaltungen A0 oder A10.  (Zum Öffnen und Schließen klicken)

Oszillogramme
u_eing. und u_ausg.

X-Y-Graphen
u_ausg. vs. u_eing.

Schaltungen A0 oder A10:
Grundschaltung: R₄ und R₆ nicht bestückt, Schaltung symmetrisch

u_eing. (grün): 500 mV / Div,
u_ausg. (rot): 200 mV / Div

u_eing. (hor.): 500 mV / Div,
u_ausg. (vert.): 100 mV / Div

Interessant bzw. auffällig im Oszillogramm ist die „halbrunde“ Begrenzung eines Sinussignals – während bei „normal harter“ Begrenzung rechteckförmige Signale entstehen, sieht das begrenzte Signal aus wie ein Rechteck mit aufgesetztem Halbkreis. 

Weniger poetisch ausgedrückt: Die Signalsteilheit im Nulldurchgang ist relativ hoch, fast „senkrecht“, d. h. kleine Signale werden kaum im Pegel gedämpft.  Nichtdestotrotz ist die Begrenzung weich.  Voraussichtlich wird diese Art der Begrenzung, ähnlich einer symmetrischen Begrenzung über CMOS-Inverters (allerdings eher über einen CD4007 oder einen CD4069 als über CD4049) ein weiches, dunkles und nichtdestotrotz stark komprimiertes Signal erzeugen. 

Mess­schaltung A1

Weiter geht es mit der Mess­schaltung A1 – hier wurden lediglich den „inneren“ vorgespannten Begrenzer­dioden Widerstände 10 kΩ parallel­geschaltet. 

Bilder­tabelle 3.1.2:  Überb­licks­darstellung von begrenzten Signalen und Begrenzer­kennlinien der Mess­schaltung A1 oder A11.  (Zum Öffnen und Schließen klicken)

Oszillogramme
u_eing. und u_ausg.

X-Y-Graphen
u_ausg. vs. u_eing.

Schaltungen A1 oder A11:
alle Schalter offen, Schaltung symmetrisch

u_eing. (grün): 500 mV / Div,
u_ausg. (rot): 200 mV / Div

u_eing. (hor.): 500 mV / Div,
u_ausg. (vert.): 100 mV / Div

Gegenüber der oben beschriebenen Grundschaltung hat sich wenig geändert, bei der Lissajous-Figur ist der Bereich um den Nulldurchgang ein wenig gerader / linearer, was bedeutet, dass durch die Parallel­schaltung der Widerstände 10kΩ die Begrenzer­spannungen der beiden Diodenpaare (mit und ohne parallel­geschalteten Widerstand) ein wenig auseinandergezogen wurden, d. h. die Diodenpaare bei unterschiedlich hohen Spannungen zu begrenzen beginnen. 

Mess­schaltung A2

Bei der nächsten Testschaltung A2 verringert sich die Größe der den inneren vorgespannten Begrenzer­dioden parallel­geschaltete Widerstand auf 3,3 kΩ. 

Bilder­tabelle 3.1.3:  Überb­licks­darstellung von begrenzten Signalen und Begrenzer­kennlinien der Mess­schaltung A2 und A12.  (Zum Öffnen und Schließen klicken)

Oszillogramme
u_eing. und u_ausg.

X-Y-Graphen
u_ausg. vs. u_eing.

Schaltungen A2 oder A12:
Schalter S1 und S4 geschlossen, Schaltung symmetrisch

u_eing. (grün): 500 mV / Div,
u_ausg. (rot): 200 mV / Div

u_eing. (hor.): 500 mV / Div,
u_ausg. (vert.): 100 mV / Div

Bei dieser Schaltung ist die Steilheit des Signalgraphen im Nulldurchgang geringer, die Lissajous-Figur enthält aber einen deutlich größeren linearen Bereich in der Mitte. 

Woran liegt das? Durch die Parallel­schaltung jeweils eines weiteren Widerstandes mit den inneren vorgespannten Begrenzer­dioden wird deren Vorspannung verringert, die Diode teilweise kurzgeschlossen und die Vorspannung der äußeren vorgespannten Begrenzer­dioden erhöht.  Da (für jede Halbwelle) jeweils eine innere vorgespannte Begrenzer­dioden (mit parallelem Widerstand) und eine äußere vorgespannte Begrenzer­dioden in Serie geschaltet sind, erfolgt die Begrenzung bei kleinen Spannungen an der Reihenschaltung aus dem Parallelwiderstand und der stärker vorgespannten äußeren Diode.  Aus diesem Grund ist der Signal im Nulldurchgang stärker gedämpft. 

Weiterhin wird ist eine relativ große Eingangsspannung nötig, bis die jeweilige innere vorgespannte Diode stärker leitend wird als der ihr parallel­geschaltete Widerstand. 

Ein großer Gewinn dieser Schaltung A2 gegenüber einer „klassischen“ Begrenzer­schaltung mit zwei antiparallelen Dioden ist hier aber nicht unbedingt zu erkennen – durch die Signaldämpfung bei kleinen Eingangs­spannungen verändert sich lediglich das Verhältnis zwischen der Kennliniensteilheit im Nulldurchgang und außerhalb der Begrenzung. 

Mess­schaltung A13

Bei der Testschaltung A13 sind den inneren vorgespannten Begrenzer­dioden unterschiedlich große Widerstände und einer der beiden nicht vorgespannten Dioden eine Schottky­diode parallelgeschaltet. 

Bilder­tabelle 3.1.4:  Überb­licks­darstellung von begrenzten Signalen und Begrenzer­kennlinien der Mess­schaltung A13.  (Zum Öffnen und Schließen klicken)

Oszillogramme
u_eing. und u_ausg.

X-Y-Graphen
u_ausg. vs. u_eing.

Schaltung A13:
Schalter S1 und S2 geschlossen, Schaltung kann invertiert werden

u_eing. (grün): 500 mV / Div,
u_ausg. (rot): 100 mV / Div

u_eing. (hor.): 500 mV / Div,
u_ausg. (vert.): 50 mV / Div

Hier wirken mehrere Einflüsse günstig zusammen.  Durch die gleichsinnige Parallel­schaltung einer Schottky­diode zur Begrenzer­diode der oberen Graetz­brücke wird die maximale Aus­gangs­spannungs­hub für die untere Halbwelle wesentlich kleiner  Gleichzeitig sorgt die asymmetrische Parallel­schaltung eines Widerstandes zu einer Begrenzer­diode der oberen Graetz­brücke dafür, dass der Arbeitspunkt um etwa 100 mV nach oben in Richtung der oberen Halbwelle verschoben wird. 

Insgesamt zeigt sich in der Lissajous-Figur also eine Begrenzer­kennlinie, die mit ähnlich großer maximalen Aussteuerung für beide Halbwelle auffällig unterschiedlich begrenzt  die untere Halbwelle klippt eher hart und „plötzlich“, während die obere Halbwelle „langsam“, weich und kontinuierlich in die Begrenzung kommt.

Der Bereich direkt um den Nulldurchgang ist trotzdem eher linear, wenn das stört, müssen u. U. die anderen parallel­geschalteten Widerstände entfernt werden (siehe dazu, im Vergleich zueinander, die Diagramme der Mess­schaltungen A3, A4 und A13)

Mess­schaltung A16

Last but not least für die „A-Serie“ der Test­schaltungen Schaltung A16.  Sie unterscheidet sich von obiger Schaltung A13 dadurch, welcher inneren vorgespannten Diode welche Widerstände parallelgeschaltet werden. 

Bilder­tabelle 3.1.5:  Überb­licks­darstellung von begrenzten Signalen und Begrenzer­kennlinien der Mess­schaltung A16.  (Zum Öffnen und Schließen klicken)

Oszillogramme
u_eing. und u_ausg.

X-Y-Graphen
u_ausg. vs. u_eing.

Schaltung A16:
Schalter S1 und S3 geschlossen, Schaltung kann invertiert werden

u_eing. (grün): 500 mV / Div,
u_ausg. (rot): 100 mV / Div

u_eing. (hor.): 500 mV / Div,
u_ausg. (vert.): 50 mV / Div

Hier wirken Arbeits­punkt­ver­schiebung und unterschiedlich hohe Begrenzer­spannungen in die gleiche Richtung – Ergebnis ist eine Begrenzer­schaltung, die eine Halbwelle fast komplett und eher hart abschneidet, während die andere erst bei wesentlich größeren Pegeln kontinuierlich stärker begrenzt wird. 

Die in der Lissajous-Figur erkennbare Kennlinie erinnert entfernt an die extrem asymmetrische Begrenzer­kennlinie der Cold-Clipping-Stufe (z. B. in einem Marshall JCM800 – eine Röhrenstufe mit einem sehr großen Kathodenwiderstand von 10 kΩ, der zum einen für einen stark asymmetrischen Arbeitspunkt sorgt und dazu die Kennlinie innerhalb der Begrenzungen stark linearisiert) – die entstehende Verzerrung wird als intensiv und sehr obertonreich beschrieben, aber auch als für kleine Pegel, Anzerren etc. wenig geeignet, da zu harsch.  Unter Umständen muss hier noch eine symmetrisch klippende Stufe nachgeschaltet werden. 

Unabhängig davon erzeugt die Stufe bei geringerer Aussteuerung mit einem Sinussignal verzerrte Signale mit stark verändertem Tastverhältnis, was für die Verzerrung von Gitarrensignalen als vorteilhaft angesehen wird. 

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Messreihe C – Mess­schaltungen C1 bis C7

Kapitelinhalt:[  Überspringen ]

• Mess­schaltung C1 •
• Mess­schaltung C2 •
• Mess­schaltung C3 •
• Mess­schaltung C4 •
• Mess­schaltung C5 •
• Mess­schaltung C6 •
• Mess­schaltung C7 •
• Pegel bei kleinen Signalen

Zur Messreihe C: Nachdem die eben beschriebene Schaltung mit zwei Graetz­brücken mitsamt der Schaltmöglichkeiten für verschiedene Parallelwiderstände und Schottky­diode auch einmal auf eine Streifen­leiter­platte aufgebaut worden war, wurde sie auch in ähnlichen Umfang durchgemessen – die folgenden Bilder­tabellen 3.2.1 ff. zeigt ausgewählte Ergebnisse, die sich kaum von den Ergebnissen der Messreihe A unterscheiden. 

Mess­schaltung C1

Bilder­tabelle 3.2.1:  Überb­licks­darstellung von begrenzten Signalen und Begrenzer­kennlinien der Mess­schaltung C1.  (Zum Öffnen und Schließen klicken)

Oszillogramme
u_eing. und u_ausg.

X-Y-Graphen
u_ausg. vs. u_eing.

Schaltung C1: symmetrisch
Ein­gangs­signal­spannung: u_eing.,eff 2,47 V

u_eing. (grün): 1 V / Div,
u_ausg. (rot): 250 mV / Div

u_eing. (hor.): 1 V / Div,
u_ausg. (vert.): 100 mV / Div

Auch hier finden im sich Oszillogramm fast halbkugelförmige abgekappte Signale und in der Lissajous-Figur eine weit auslaufende Begrenzung – eher wie bei einem Overdrive als einem Distortion. 

Mess­schaltung C2

Bilder­tabelle 3.2.2:  Überb­licks­darstellung von begrenzten Signalen und Begrenzer­kennlinien der Mess­schaltung C2.  (Zum Öffnen und Schließen klicken)

Oszillogramme
u_eing. und u_ausg.

X-Y-Graphen
u_ausg. vs. u_eing.

Schaltung C2: symmetrisch, symmetrische Parallelwiderstände
Ein­gangs­signal­spannung: u_eing.,eff 2,46 V

u_eing. (grün): 1 V / Div,
u_ausg. (rot): 250 mV / Div

u_eing. (hor.): 1 V / Div,
u_ausg. (vert.): 100 mV / Div

Die den inneren vorgespannten Dioden parallel­geschalteten Widerstände sorgen auch hier für eine weitgehende Linearisierung im mittleren Bereich der Kennlinie, d. h. für sehr kleine Signale. 

Mess­schaltung C3

Bilder­tabelle 3.2.3:  Überb­licks­darstellung von begrenzten Signalen und Begrenzer­kennlinien der Mess­schaltung C3.  (Zum Öffnen und Schließen klicken)

Oszillogramme
u_eing. und u_ausg.

X-Y-Graphen
u_ausg. vs. u_eing.

Schaltung C3: symmetrisch, asymmetrischer Parallelwiderstand
Ein­gangs­signal­spannung: u_eing.,eff 2,46 V

u_eing. (grün): 1 V / Div,
u_ausg. (rot): 250 mV / Div

u_eing. (hor.): 1 V / Div,
u_ausg. (vert.): 100 mV / Div

Durch die Asymmetrie der Parallel­schaltung von Widerständen zu den vorgespannten Dioden verschiebt sich der Nullpunkt bzw. Arbeitspunkt der Begrenzung geringfügig. 

Mess­schaltung C4

Bilder­tabelle 3.2.4:  Überb­licks­darstellung von begrenzten Signalen und Begrenzer­kennlinien der Mess­schaltung C4.  (Zum Öffnen und Schließen klicken)

Oszillogramme
u_eing. und u_ausg.

X-Y-Graphen
u_ausg. vs. u_eing.

Schaltung C4: Schottkydiode
Ein­gangs­signal­spannung: u_eing.,eff 2,42 V

u_eing. (grün): 1 V / Div,
u_ausg. (rot): 100 mV / Div

u_eing. (hor.): 1 V / Div,
u_ausg. (vert.): 50 mV / Div

Durch das Zuschalten der Schottkydiode D₁₀ wird die obere Halbwelle früh, d. h. bei geringer Signalspannung, und relativ hart gekappt.

Mess­schaltung C5

Bilder­tabelle 3.2.5:  Überb­licks­darstellung von begrenzten Signalen und Begrenzer­kennlinien der Mess­schaltung C5.  (Zum Öffnen und Schließen klicken)

Oszillogramme
u_eing. und u_ausg.

X-Y-Graphen
u_ausg. vs. u_eing.

Schaltung C5: Schottkydiode, gleichsinniger Parallelwiderstand
Ein­gangs­signal­spannung: u_eing.,eff 2,42 V

u_eing. (grün): 1 V / Div,
u_ausg. (rot): 100 mV / Div

u_eing. (hor.): 1 V / Div,
u_ausg. (vert.): 50 mV / Div

Durch das gleichzeitige Zuschalten der „unteren“ Schottkydiode D₁₀ und die Parallel­schaltung eines Widerstand zur „unteren“ vorgespannten Diode D₅ wird nicht nur die obere Halbwelle hart gekappt, sondern auch die Ruhe­spannung bzw. der Arbeitspunkt der Schaltung zu negativeren Spannungen gezogen, so dass die Begrenzung war in der Form stark asymmetrisch, aber in der maximalen Aussteuerung ausgeglichener ist. 

Mess­schaltung C6

Bilder­tabelle 3.2.6:  Überb­licks­darstellung von begrenzten Signalen und Begrenzer­kennlinien der Mess­schaltung C6.  (Zum Öffnen und Schließen klicken)

Oszillogramme
u_eing. und u_ausg.

X-Y-Graphen
u_ausg. vs. u_eing.

Schaltung C6: Schottkydiode, gegensinniger Parallelwiderstand
Ein­gangs­signal­spannung: u_eing.,eff 212 mV

u_eing. (grün): 100 mV / Div,
u_ausg. (rot): 25 mV / Div

u_eing. (hor.): 100 mV / Div,
u_ausg. (vert.): 10 mV / Div

dto., Ein­gangs­signal­spannung: u_eing.,eff 2,42 V

u_eing. (grün): 1 V / Div,
u_ausg. (rot): 100 mV / Div

u_eing. (hor.): 1 V / Div,
u_ausg. (vert.): 50 mV / Div

Hier ist, durch das gleichzeitige Zuschalten der „unteren“ Schottkydiode D₁₀ und die Parallel­schaltung eines Widerstand zur „oberen“ vorgespannten Diode D₃, eine Begrenzer­schaltung entstanden, die in der Form der Begrenzung wie in der maximalen Aussteuerung stark asymmetrisch ist.  Bei kleinen Aussteuerungen liegt der Arbeitspunkt genau im „Kennlinienknick“ der Begrenzer­schaltung, Bei kleinen Aussteuerungen die Asymmetrie der Kennlinie wie auch die asymmetrische Verformung des Sinussignals auch am deutlichsten zu erkennen. 

Mess­schaltung C7

Bilder­tabelle 3.2.7:  Überb­licks­darstellung von begrenzten Signalen und Begrenzer­kennlinien der Mess­schaltung C7.  (Zum Öffnen und Schließen klicken)

Oszillogramme
u_eing. und u_ausg.

X-Y-Graphen
u_ausg. vs. u_eing.

Schaltung C7: Schottkydiode, symmetrische Parallelwiderstände
Ein­gangs­signal­spannung: u_eing.,eff 2,42 V

u_eing. (grün): 1 V / Div,
u_ausg. (rot): 100 mV / Div

u_eing. (hor.): 1 V / Div,
u_ausg. (vert.): 50 mV / Div

Neben der Zuschaltung der „unteren“ Schottkydiode D₁₀ wurden beiden inneren vorgespannten Dioden (D₅ und D₁₀) Widerstände parallel­geschaltet.  Ergebnis ist eine stark asymmetrische Kennlinie, die aber bei kleinen Aussteuerungen linearer ist als die der vorherige Schaltung – in Messreihe C erinnert die Kennlinie dieser Schaltung noch am ehesten an die einer Cold-Clipping-Stufe. 

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Pegel bei kleinen Signalen

Noch ein Wort zu den Pegeln des Ausgangssignals bei kleiner Aussteuerung.  Eine Eigenschaft der Schaltungen C1 bis C7 und auch C8 besteht darin, dass die Begrenzer­dioden immer, auch im Ruhezustand der Schaltung, so stark vorgespannt sind, dass sie einen differentiellen Widerstand in Größenordnung des Vorwiderstandes haben.  Das führt zu dem u. U. angenehmen Nebeneffekt, dass die statische Kennlinie dieser Begrenzer­schaltungen niemals wirklich linear sind, weil sich die Vorspannung / Sättigung der Begrenzer­dioden mit dem Signal ändern.  Diese Dimensionierung einer hohen Vorspannung / Vorsättigung führt aber zu zwei Nachteilen. 

Zum einen zeigen sich in der Schaltung recht starke Pegel­verluste durch die Begrenzer­schaltung schon bei kleinen Signalen.  Die folgende Tabelle 3.1 listet die einzelnen Schaltungen C1 bis C7 und die Dämpfung des unverzerrten Signals auf. 

Tabelle 3.1: Signalpegel und -dämpfungen bei kleinen Pegeln (ohne sichtbare Verzerrungen), gemessen an den Mess­schaltungen C1 bis C8; Signal­spannungen als Effektiv­werte. 

Schema	Dioden	R8 | R9	uE [mV]	uA [mV]	Dcl. [dB]
C1	symm.	—	230	150	−3,7
C2	symm.	symm.	410	170	−7,6
C3	symm.	asymm.	210	100	−6,4
C4	m. Schottky	—	140	90	−3,8
C5	m. Schottky	asymm., gleichs.	210	100	−6,4
C6	m. Schottky	asymm., gegens.	85	42	−6,1
C7	m. Schottky	symm.	205	77	−8,5
C8	symm.	asymm.	81	21	−9,2

Mit den Pegel­verlusten korrespondiert die starke Bindung der Schaltung an einen Vorwiderstand von 2,2 kΩ.  Während bei „normalen“ Klippschaltungen der Vor­widerstand relativ frei wählbar ist, würde hier ein größerer Vor­widerstand zu wesentlich größeren Pegel­verlusten bei kleinen Signalen führen.  Ein Pegel­verlust von etwa 6 dB (Signalteiler 1 / 2) läßt darauf schließen, dass der differentielle Widerstand aller Begrenzer­dioden, vom Vor­widerstand aus gesehen, genauso groß ist wie der Vor­widerstand selbst – bei einem Vor­widerstand von 10 kΩ würde der Pegel­verlust etwa 15 dB betragen. 

Bei Betrachtung der obigen Tabelle fällt weiterhin auf, dass die Dämpfung mit der Zuschaltung von Parallelwiderständen zunimmt; d. h. die Dämpfung ist (bei wesentlich kleineren Signalen) bei den Schaltungen geringer, deren statische Kennlinie einen kleinen fast linearen Bereich im Nulldurchgang haben und dann sofort zu verzerren beginnen. 

Die Schaltung C8 fällt hier ein wenig aus dem Rahmen bzw. ist nicht direkt vergleichbar, weil andere Graetz­brücken verwendet wurden. 

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Messreihe C – Mess­schaltung C8

Als Schaltung C8 mit in die Messreihe C hineingenommen wurde die Untersuchung der ersten bzw. zuerst eingebauten Klippschaltung für den VOX Pathfinder – beschrieben hier.  Es zeigt sich, dass bei dieser einfachere Schaltung – bei den beiden Graetz­brücken wurde lediglich einer vorgespannten Diode ein Widerstand parallel zugeschaltet – nur der Arbeitspunkt der Begrenzung verschoben wurde, die für beide Halbwellen unterschiedliche Härte der Begrenzungen und unterschiedliche Dynamik findet sich hier kaum. 

Bilder­tabelle 3.4:  Überb­licks­darstellung von begrenzten Signalen und Begrenzer­kennlinien der Mess­schaltungen C1 bis C7.  (Zum Öffnen und Schließen klicken)

Schaltung C8: Ältere Klippschaltung mit Graetz­brücken B40R
Ein­gangs­signal­spannung: u_eing.,eff 2,45 V

u_eing. (grün): 1 V / Div,
u_ausg. (rot): 250 mV / Div

u_eing. (hor.): 1 V / Div,
u_ausg. (vert.): 100 mV / Div

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Begrenzer­schaltungen mit diskreten Dioden – Messreihe B

Kapitelinhalt:[  Überspringen ]

• Vorüberlegungen zur Schaltung • 
• Begrenzer­schaltungen mit mehreren SAL41 • 
• Begrenzer­schaltungen mit mehreren 1N4148 • 
• Zu den Unterschieden der Dioden
• Zusammenfassung

Vorüberlegungen zur Schaltung

Bei der in dieser Messreihe B untersuchten Schaltung wurde noch einmal auf eine Überlegung aus dem ersten Kapitel dieses Artikels zurück­gegriffen – die Schaltung stellt eine Weiterentwicklung der dort in Abbildung 1.8 dargestellten Idee dar – die Darstellung hier noch einmal als Abbildung 3.15

Mit der Sättigungs­spannung der Dioden D₁ und D₂ werden die vier Begrenzer­dioden D₃ bis D₆ vorgespannt.  Der Vor­widerstand ist so angeschlossen, dass die Begrenzung der negativen Halbwelle an drei, der positiven Halbwelle an einer der vorgespannten Dioden erfolgt.  Wenn also das zu begrenzende Signal gleichspannungsfrei eingekoppelt wird (Arbeitspunkt AP1; z. B, wie allgemein üblich, über einen Koppel­kondensator), wird die positive Halbwelle bei einer dreimal so kleinen Spannung begrenzt wie die negative. 

Wenn es allerdings keine gleich­spannungs­freie Einkopplung gibt und die Ruhe­spannung vor dem Vorwiderstand der Begrenzer­schaltung auf Masse gehalten wird (Arbeitspunkt AP2; z. B. am Ausgang eines OPV in einem Gerät mit symmetrischer Betriebs­spannung und einer Ruhe­spannung von null gegenüber Masse) entsteht eine tendenziell pegelsymmetrische, form-asymmetrische Begrenzung mit einer (leicht asymmetrisch) gekrümmten Kennlinie bei kleinen Pegeln. 

Dazu im Vergleich die Mess­schaltung B in Abbildung 3.16:

Zunächst werden auch hier zweimal zwei oder drei in Reihe geschaltete Dioden (D₁ bis D₆) durch die Spannung über zwei (gesättigten) Dioden (D₉ und D₁₀) vorgespannt.  Die Schaltung ist dabei weitestgehend symmetrisch – am Verbindungs- bzw. Ansatzpunkt mit dem Vorwiderstand liegt die halbe Vorspannung an, das Signal wird in Form wie im Pegel symmetrisch begrenzt, und zwar jeweils durch die zwei oder drei vorgespannten Begrenzer­dioden. 

Wird jetzt eine weitere Begrenzer­diode (D₇ oder D₈) zwischen dem Ansatzpunkt des Vorwiderstands und der halben Vorspannung eingefügt, so ist diese Begrenzer­diode nicht vorgespannt, da sie zwei Punkte mit gleicher Ruhe­spannung verbindet. 

Das bedeutet, dass bei Zuschalten einer der mittleren Begrenzer­dioden (z. B. D₇) die obere / positive Halbwelle des Signals von drei (unteren) vorgespannten Dioden (D₄ … D₆) weich begrenzt wird, die untere / negative Halbwelle hingegen entweder von der zugeschalteten Diode D₇ oder von den (oberen) vorgespannten Dioden (D₁ … D₃) . 

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Begrenzer­schaltungen mit mehreren SAL41

Bilder­tabelle 3.5.1:  Überb­licks­darstellung von begrenzten Signalen und Begrenzer­kennlinien der Mess­schaltung B01 mit Doppel­dioden SAL41.  (Zum Öffnen und Schließen klicken)

Oszillogramme
u_eing. und u_ausg.

X-Y-Graphen
u_ausg. vs. u_eing.

Schaltung B01: Zwei vorgespannte Doppel­dioden SAL41 mit Vorwiderstand 10 kΩ;
Ein­gangs­signal­spannung: u_eing.,eff 3,11 V

u_eing. (grün): 1 V / Div,
u_ausg. (rot): 250 mV / Div

u_eing. (hor.): 1 V / Div,
u_ausg. (vert.): 100 mV / Div

Bei dieser Schaltung fällt der eher lineare Nulldurchgang wie auch die Härte der Begrenzung auf.  Auch wenn die Dioden vorgespannt werden, erinnert die Kennlinie bzw. Lissajous-Figur der Schaltung eher an eine „normale“ Begrenzer­schaltung mit zwei Dioden. 

Bilder­tabelle 3.5.2:  Überb­licks­darstellung von begrenzten Signalen und Begrenzer­kennlinien der Mess­schaltung B02 mit Doppel­dioden SAL41.  (Zum Öffnen und Schließen klicken)

Oszillogramme
u_eing. und u_ausg.

X-Y-Graphen
u_ausg. vs. u_eing.

Schaltung B02: Zwei vorgespannte Doppel­dioden SAL41 mit Vorwiderstand 2,2 kΩ;
Ein­gangs­signal­spannung: u_eing.,eff 2,5 V

u_eing. (grün): 1 V / Div,
u_ausg. (rot): 250 mV / Div

u_eing. (hor.): 1 V / Div,
u_ausg. (vert.): 100 mV / Div

Gegenüber der obigen Schaltung mit einem Begrenzer- bzw. Vorwiderstand von 10 kΩ steigt durch den kleineren Vorwiderstand von 2,2 kΩ die maximale Ausgangsspannung und die Begrenzung ist auch geringfügig weicher. 

Bilder­tabelle 3.5.3:  Überb­licks­darstellung von begrenzten Signalen und Begrenzer­kennlinien der Mess­schaltung B03 mit Doppel­dioden SAL41.  (Zum Öffnen und Schließen klicken)

Oszillogramme
u_eing. und u_ausg.

X-Y-Graphen
u_ausg. vs. u_eing.

Schaltung B03: Drei vorgespannte Doppel­dioden SAL41 mit Vorwiderstand 10 kΩ;
Ein­gangs­signal­spannung: u_eing.,eff 3,16 V

u_eing. (grün): 1 V / Div,
u_ausg. (rot): 500 mV / Div

u_eing. (hor.): 1 V / Div,
u_ausg. (vert.): 200 mV / Div

Hier werden pro Halbwelle nicht zwei, sondern drei vorgespannte Begrenzer­dioden verwendet – die Vorspannung wird also nicht auf jeweils zwei, sondern jeweils drei Dioden aufgeteilt.  Das heißt, die Vorspannung pro Diode ist geringer, der Anteil des linearen Bereiches der Kennlinie gegenüber dem gekrümmten ist größer und die Begrenzung ist noch einmal „härter“. 

Bilder­tabelle 3.5.4:  Überb­licks­darstellung von begrenzten Signalen und Begrenzer­kennlinien der Mess­schaltung B04 mit Doppel­dioden SAL41.  (Zum Öffnen und Schließen klicken)

Oszillogramme
u_eing. und u_ausg.

X-Y-Graphen
u_ausg. vs. u_eing.

Schaltung B04: Drei vorgespannte Doppel­dioden SAL41 mit Vorwiderstand 2,2 kΩ;
Ein­gangs­signal­spannung: u_eing.,eff 2,7 V

u_eing. (grün): 1 V / Div,
u_ausg. (rot): 500 mV / Div

u_eing. (hor.): 1 V / Div,
u_ausg. (vert.): 200 mV / Div

Die Verringerung des Vorwiderstandes gegenüber der vorher diskutierten Schaltung B03 führt auch hier zu einer größeren möglichen Ausgangsspannung, die Begrenzung scheint aber dadurch nicht weniger hart zu sein. 

Bilder­tabelle 3.5.5:  Überb­licks­darstellung von begrenzten Signalen und Begrenzer­kennlinien der Mess­schaltung B05 mit Doppel­dioden SAL41.  (Zum Öffnen und Schließen klicken)

Oszillogramme
u_eing. und u_ausg.

X-Y-Graphen
u_ausg. vs. u_eing.

Schaltung B05: Drei vorgespannte Doppel­dioden SAL41 und eine weitere Begrenzer­diode, größerer Vorspannstrom; mit Vorwiderstand 10 kΩ;
Ein­gangs­signal­spannung: u_eing.,eff 3,14 V

u_eing. (grün): 1 V / Div,
u_ausg. (rot): 250 mV / Div

u_eing. (hor.): 1 V / Div,
u_ausg. (vert.): 100 mV / Div

Hier wurde ein wenig experimentiert.  Zum einen wurde der Vorspannstrom (der Ruhestrom durch die Dioden, die die Vorspannung für die Begrenzer­dioden bereitstellen) und damit die Vorspannung der Begrenzer­dioden erhöht, was durchaus zu einer weicheren Begrenzung (hier: der unteren Halbwelle) geführt hat.  Weiterhin wurde eine weitere, nicht vorgespannte Begrenzer­diode zugeschaltet, wodurch die obere Halbwelle härter abgekappt wird. 

Interessant ist hier, dass die Schaltung das Signal in Bezug auf die maximalen Aus­gangs­spannungs­werte zwar nicht symmetrisch, aber doch recht ausgewogene begrenzt.  Zumindest symmetrischer als die ursprüngliche angedachte Schaltung mit dem Arbeitspunkt AP1 (siehe Abbildung 3.15).  Das liegt daran, dass in der ursprünglich angedachten Schaltung alle Begrenzer­dioden vorgespannt sind. Bei dieser Schaltung B05 aber ist die zugeschaltete Begrenzer­diode nicht vorgespannt und im Ruhezustand der Schaltung spannungsfrei. 

Bilder­tabelle 3.5.6:  Überb­licks­darstellung von begrenzten Signalen und Begrenzer­kennlinien der Mess­schaltung B08 mit Doppel­dioden SAL41.  (Zum Öffnen und Schließen klicken)

Oszillogramme
u_eing. und u_ausg.

X-Y-Graphen
u_ausg. vs. u_eing.

Schaltung B08: Drei vorgespannte Doppel­dioden SAL41, eine weitere Begrenzer­diode, größerer Vorspannstrom; mit Vorwiderstand 2,2 kΩ;
Ein­gangs­signal­spannung: u_eing.,eff 2,6 V

u_eing. (grün): 1 V / Div,
u_ausg. (rot): 500 mV / Div

u_eing. (hor.): 1 V / Div,
u_ausg. (vert.): 200 mV / Div

Auch hier sorgt der verringerte Vorwiderstand vor allem für eine größeren maximalen Ausgangsspannung – die Härte der Begrenzungen scheint bei den Schaltungen B05 und B08 ähnlich zu sein. 

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Begrenzer­schaltungen mit mehreren 1N4148

Soweit zu Mess­schaltung B unter Verwendung von Doppel­dioden SAL41.  Die folgende Tabelle 3.6 fasst noch einem die Ergebnisse der gleichen oder vergleichbaren Schaltung, jedoch mit der Diode 1N4148 anstelle der SAL41 zusammen.

Es wird allerdings darauf verzichtet, diese Schaltungen einzeln zu kommentieren – weil sie ihren Pendants mit der SAL41 mit Ausnahme einer Eigenschaft weitgehend gleichen oder sich ähnlich verhalten: die 1N4148 begrenzt erkennbar „weicher“ als die SAL41. 

Nach der Darstellung der Messergebnisse in Tabelle 3.6 soll es also darum gehen, worin diese Unterschiede begründet sind. 

Bilder­tabelle 3.6:  Überb­licks­darstellung von begrenzten Signalen und Begrenzer­kennlinien der Mess­schaltung B.  (Zum Öffnen und Schließen klicken)

Oszillogramme
u_eing. und u_ausg.

X-Y-Graphen
u_ausg. vs. u_eing.

Schaltung B07: Sechs vorgespannte 1N4148;
Ein­gangs­signal­spannung: u_eing.,eff 3,15 V

u_eing. (grün): 1 V / Div,
u_ausg. (rot): 500 mV / Div

u_eing. (hor.): 1 V / Div,
u_ausg. (vert.): 200 mV / Div

Schaltung B08: Sechs vorgespannte 1N4148 mit Vorwiderstand 2,2 kΩ;
Ein­gangs­signal­spannung: u_eing.,eff 2,67 V

u_eing. (grün): 1 V / Div,
u_ausg. (rot): 500 mV / Div

u_eing. (hor.): 1 V / Div,
u_ausg. (vert.): 200 mV / Div

Schaltung B09: Sechs vorgespannte 1N4148, größerer Vorspannstrom;
Ein­gangs­signal­spannung: u_eing.,eff 2,65 V

u_eing. (grün): 1 V / Div,
u_ausg. (rot): 500 mV / Div

u_eing. (hor.): 1 V / Div,
u_ausg. (vert.): 200 mV / Div

Schaltung B10: Sechs vorgespannte 1N4148 mit Vorwiderstand 10 kΩ;
Ein­gangs­signal­spannung: u_eing.,eff 3,14 V

u_eing. (grün): 1 V / Div,
u_ausg. (rot): 500 mV / Div

u_eing. (hor.): 1 V / Div,
u_ausg. (vert.): 200 mV / Div

Schaltung B11: Sechs vorgespannte 1N4148, weitere Begrenzer­diode;
Ein­gangs­signal­spannung: u_eing.,eff 3,13 V

u_eing. (grün): 1 V / Div,
u_ausg. (rot): 250 mV / Div

u_eing. (hor.): 1 V / Div,
u_ausg. (vert.): 100 mV / Div

Schaltung B12: Sechs vorgespannte 1N4148, weitere Begrenzer­diode, mit Vorwiderstand 2,2 kΩ;
Ein­gangs­signal­spannung: u_eing.,eff 2,59 V

u_eing. (grün): 1 V / Div,
u_ausg. (rot): 250 mV / Div

u_eing. (hor.): 1 V / Div,
u_ausg. (vert.): 100 mV / Div

Schaltung B13: Sechs vorgespannte 1N4148, weitere Begrenzer­diode, größerer Vorspannstrom;
Ein­gangs­signal­spannung: u_eing.,eff 2,56 V

u_eing. (grün): 1 V / Div,
u_ausg. (rot): 500 mV / Div

u_eing. (hor.): 1 V / Div,
u_ausg. (vert.): 200 mV / Div

Schaltung B14: Sechs vorgespannte 1N4148, weitere Begrenzer­diode, größerer Vorspannstrom; mit Vorwiderstand 10 kΩ;
Ein­gangs­signal­spannung: u_eing.,eff 3,13 V

u_eing. (grün): 1 V / Div,
u_ausg. (rot): 250 mV / Div

u_eing. (hor.): 1 V / Div,
u_ausg. (vert.): 100 mV / Div

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Zu den Unterschieden der Dioden

Um die in Bezug auf den Typ der Diode so unterschiedlichen Begrenzer­kennlinien und ihre Entstehung nachvollziehen zu können, ist es sinnvoll, sich mit den mathematisch / technischen Hintergründen von Begrenzer­schaltung mit Vorwiderständen und Dioden zu befassen.  Das soll im Folgenden – anhand grafischer Darstellungen von Kennlinien – geschehen. 

Die folgende Abbildung 3.17 zeigt dazu die statischen Kennlinien eines Spannungs­teilers aus einem Widerstand 2,2 kΩ und einer Diode – einer 1N4148 oder einer Diode der Doppel­diode SAL41.  Eingangs­spannung des Spannungs­teilers ist die Gesamtspannung über Widerstand und Diode, Ausgangsspannung des die Spannung über der Diode. 

Im Diagramm dargestellt werden – in Abhängigkeit von der Eingangs­spannung – die Spannung über der Diode (volle Linie), die Änderung der Spannung über der Diode (gepunktete Linien) sowie der differentielle Widerstand der Diode (gestrichelte Linien). 

Dazu kommt eine Hilfslinie U_A = U_E (wenn der Graph der Ausgangsspannung auf dieser Hilfslinie liegt, findet keine Begrenzung statt) sowie Hilfslinien für den zehnfachen Vorwiderstand und ein Zehntel des Vorwiderstandes. 

Zur Erläuterung des Diagramms:  Zunächst sollen die Kennlinien einer Begrenzer­schaltung mit der Diode 1N4148 betrachtet werden, beginnend mit kleinen Spannungen.  Bei Ein- wie Ausgangsspannungen bis zu 300 mV tritt fast keine Begrenzung des Signals auf und das Wachstum des Graphen liegt bei 1 (d. h, Ausgangs- und Eingangs­spannung sind gleich).  Bei Eingangs­spannungen von etwa 350 mV verlässt der Kennliniengraph die Hilfslinie U_A = U_E und das Wachstum wird kleiner 1; die Schaltung beginnt zu begrenzen.  Der differentielle Widerstand der Diode erreicht bei dieser Eingangs­spannung den zehnfachen Wert des Vorwiderstandes (r_D = 10 · R_V = 22 kΩ)

Mit steigender Eingangs­spannung werden das Wachstum des Graphen wie auch der differentielle Widerstand der Diode immer kleiner.  Im Bereich von Eingangs­spannungen u_E ≥ 1 V ist die Begrenzer­kennlinie fast eine Gerade, das Wachstum des Graphen liegt bei etwa 0,1 und der differentielle Widerstand ist kleiner als ein Zehntel des Vorspann­wider­standes der Begrenzer­schaltung. 

Es scheint also sinnvoll, bei der Betrachtung von Begrenzer­kennlinien auf eben den Bereich der Kennlinie zu achten, in dem der differentielle Widerstand der Begrenzer­dioden mit einem Faktor von (beispielsweise) zehn ober- und unterhalb des Begrenzer­widerstandes liegt.  Dieser interessante Bereich ist für die Diode 1N4148 bei einem Vorwiderstand von 2,2 kΩ relativ breit.  Die Schaltung hat einen maximalen Ausgangs­spannungs­bereich von etwa ± 600 mV; davon ist ein Bereich ± 350 mV linear, d. h. ohne Signal­begrenzung, und die Verformung findet in den oberen 40 % des Aus­gangs­spannungs­bereiches (von ± 350 mV bis ± 600 mV) statt. 

Bei Verwendung einer SAL41 liegen die Verhältnisse etwas anders – der „interessante Bereich“ beginnt bei Spannungen von etwa 450 mV; die maximale Ausgangsspannung liegt bei etwa 650 mV.  Vom Aus­gangs­spannungs­bereich (± 650 mV) ist ein wesentlich größerer Bereich (± 450 mV) linear – man könnte auch sagen, die SAL41 klippen voraussichtlich etwas härter.

Mit diesen Erkenntnissen im Hinterkopf ein paar Überlegungen zu den Schaltungen mit vorgespannten Dioden anhand von deren Kennlinien. 

Das Kennliniendiagramm in der folgenden Abbildung 3.18 zeigt für eine Diode 1N4148 (schwarz bzw. grau), für eine Diode aus der Doppel­diode SAL41 (rot und Punkt- bzw. Strichpunkt) und für eine Diode aus der Graetz­brücke B500D (blau; doppelte Linien) den Diodenstrom (Linie) und den differentiellen Widerstand der Diode (gestrichelte Linie) in Abhängigkeit von der Diodenspannung: 

Es soll mit der Betrachtung der Schaltung B04 begonnen werden: 

Es ergeben sich folgende Überlegungen: 

Vorspannung:

Drei Doppel­dioden SAL41 (Begrenzer­dioden) werden mit der Spannung, die über je einer gesättigter Einzeldiode (Vorspanndiode) gleichen Typs abfällt, vorgespannt.  Dabei sind die Vorspanndioden jeweils über einen Widerstand von 3,3 kΩ mit + 9 V bzw. − 9 V verbunden – durch diese (Vorspann)dioden fließt also jeweils ein Strom von etwa 2,5 mA.  Laut Kennlinie in Abbildung 3.18 führt dieser Strom zu einem Spannungsabfall von etwa 700 mV über den Vorspanndioden; die Begrenzer­dioden werden also jeweils auf etwa 230 mV vorgespannt. 

Beginn der Begrenzung

Wenn man wieder davon ausgeht, dass die Begrenzungen einsetzen, wenn der differentielle Widerstand von drei Begrenzer­dioden in Serie zehnmal so groß ist wie der Vorwiderstand, bedeutet das für die B04, dass zum Einsetzen der Begrenzungen jede der Begrenzer­dioden einen differentiellen Widerstand von etwa 7 kΩ haben muss.  Den erreichen sie laut Kennlinie bei einer Diodenspannung von etwa 490 mV, d. h, die Begrenzung setzt bei einer Eingangs­spannung von etwa 770 mV (3 ⋅ 490 mV abzüglich der Vorspannung von 700 mV) ein. 

Kennlinienknick

Hier ist der Punkt in der statischen Kennlinie gemeint, an dem der differentielle Widerstand der Begrenzer­diode(n) gleich dem Vorwiderstand ist  Der „Kennlinienknick“ in Schaltung B03 (3 ⋅ r_D = R_vor) erreicht die SAL41 bei einer Diodenspannung von 565 mV, d. h. bei einer Ausgangsspannung von etwa 1 V (3 ⋅ 565 mV  abzüglich 700 mV Vorspannung). 

Oberes Ende der Begrenzung

Das obere Ende der Begrenzung (3 ⋅ r_D = R_vor / 10) liegt bei einer Diodenspannung von etwa 640 mV, d. h. bei einer Ausgangsspannung von etwa 1,2 V (3 ⋅ 640 mV  abzüglich 700 mV Vorspannung). 

Im Vergleich dazu die gleiche Schaltung B08 mit der Diode 1N4148:

Die Berechnungen sind ähnlich, führen aber zu leicht unterschiedlichen Ergebnissen: 

Vorspannung:

Die Spannung, die auf eine von einem Vorspannstrom durchflossen Diode 1N4148 abfällt, beträgt 760 mV; d. h. jede Begrenzer­diode wird mit 250 mV vorgespannt.

Beginn der Begrenzung

Einen differentiellen Widerstand von etwa 7 kΩ erreicht die 1N4148 bei einer Diodenspannung von etwa 390 mV; d. h. die Begrenzungen beginnen bei einer Ausgangsspannung von etwa 410 mV (3 ⋅ 390 mV  abzüglich 760 mV Vorspannung). 

Kennlinienknick

Bei einer Diodenspannung von etwa 490 mV erreicht die 1N4148 einen differentiellen Widerstand von 1,1 kΩ; d. h. der Kennlinienknick liegt bei einer Ausgangsspannung von etwa 710 mV (3 ⋅ 490 mV  abzüglich 760 mV Vorspannung). 

Oberes Ende der Begrenzung

Das obere Ende der Begrenzung (3 ⋅ r_D = R_vor / 10), d. h. ein differentieller Widerstand von 110 Ω je Diode, liegt bei einer Diodenspannung von etwa 600 mV, d. h. bei einer Ausgangsspannung von 1 V. (3 ⋅ 600 mV  abzüglich 760 mV Vorspannung). 

Um es zusammenzufassen: Geht man davon aus, dass bei einem differentiellen Widerstand der Begrenzer­schaltung (so, wie der Vorwiderstand in die Schaltung „hineinsieht“) im Bereich 0,1 ⋅ R_vor bis 10 ⋅ R_vor die Kennlinie nicht gerade ist, so reicht dieser Bereich bei der Mess­schaltung B04 (SAL41) von etwa 770 mV bis etwa 1,2 V und bei der Mess­schaltung B08 (1N4148) von etwa 410 mV bis etwa 1 V. 

Das bedeutet, dass dieser Bereich bei Verwendung der Dioden 1N4148 absolut und relativ wesentlich größer ist als bei der Verwendung von SAL41 – das unterschiedliche Verhalten der ansonsten gleichen Schaltungen ist also weniger der „Magie“ bestimmter Bauelemente geschuldet, sondern Mathematik und Physik. 

Im weiteren Vorgehen kann es interessant sein, hier zu stärker systematisierbaren Kenntnissen und einem besseren Verständnisse der Zusammenhänge zu kommen, um ein bestimmtes Verhalten (Symmetrie der Kennlinie und der Kennlinienform, Linearität bei kleinen Spannungen) mit gegebenen Bauelementen nicht nur messen, sondern auch bestimmen zu und Bauelemente gezielt einsetzen zu können. 

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Zusammenfassung

Die Untersuchungen mit dieser Schaltung (bzw. die Schaltungen B01 bis B14) waren begonnen worden, weil die vorher entworfene Experimentier­schaltung mit zwei Graetz­brücken (Schaltungen A… und C…) – zum einen an relativ kleinen Vorwiderstand von 2,2 kΩ gebunden war und auch damit zu starken Pegelverlusten des unverzerrten Signals führte. 

Insgesamt ist es gelungen, diese Probleme in den Begrenzer­schaltungen der Serie B… zu lösen  – der Preis dafür ist allerdings der relativ große lineare Bereich in der Mitte der Begrenzer­kennlinie (also keine wie auch immer geartete „röhrenähnliche“ oder „hoch-drei-halbe“-Kennlinie) und eine geringere Flexibilität bei der Festlegung des Arbeitspunktes der Begrenzer­schaltung. 

Dafür scheint die Dimensionierung dieser Schaltung bei verschiedenen Dioden wesentlich unkritischer zu sein als die der Graetz­brücken­schaltung: 

• Diese Schaltung begrenzt, wenn eine asymmetrische Begrenzung ausgewählt wurde, im Pegel etwa symmetrisch und in der Form stark asymmetrisch.  Die Lage von harter und weicher Begrenzung (welche Halbwelle hart und welche weich verzerrt werden soll) kann über Schalter ausgewählt werden. 

• Die „Härte“ der Verzerrungen insgesamt lässt sich zu einem gewissen Grad über die Auswahl der Dioden steuern – das wurde für zwei verschiedene Typen von Dioden ausprobiert. 

Die Schaltung bietet aber die Möglichkeit, eine gewünschte statische Kennlinie genauer zu treffen, indem man für die drei verschiedenen Funktionen (Softclip durch die Dioden D₁ bis D₆, Erzeugung der Vor­spannung durch gesättigte Dioden D₇ und D₈ sowie ein wahlweiser Hardclip durch D₉ oder D₉) Dioden verschiedenen Typs einsetzt.  Das verlangt – neben etwas mathematischem Knowhow – präzise Informationen zur Kennlinie dieser Dioden und vor allem eine sehr genaue Vorstellung, wie die zu „kreierende“ Kennlinie der Begrenzer­schaltung aussehen soll. 

Sollten es hier gelungen sein, die grundlegenden mathematischen Zusammenhänge darzulegen oder zumindest anzudeuten, hätte dieser Artikel für den Autor durchaus einen Sinn, der über Nachbauvorschläge hinausgeht. 

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Vorgespannte Dioden und Biaspoti – Messreihe D

Ein Nachteil der bis hier beschriebenen Begrenzer­schaltung(en) B1 bis B14 war deren eher fixer Arbeitspunkt.  Es entstand die Idee, diesen durch eine eingeblendete Vorspannung zu verschieben – die folgende Abbildung 3.21 zeigt das Prinzip: 

Aus der Spannung über den gesättigten Dioden soll über ein Potentiometer eine Bias­spannung abgegriffen, mit einem Elko gepuffert und über einen großen Widerstand an das Ende des Vorwiderstands geführt werden. 

Ohne allzu viel vorgreifen zu wollen – dieser Ansatz hat nicht funktioniert – die Veränderungen in der Bias­spannung hatten – mit einer Ausnahme – auf die Symmetrie der Begrenzungen bestenfalls bei kleinen Aussteuerungen einen wahrnehmbaren Einfluss. 

Die Betrachtung wird mit an den symmetrischen Begrenzer­schaltungen (nur vorgespannte Begrenzer­dioden) begonnen – die Schaltungen D1 und D2 sind in dieser Hinsicht gleich und unterscheiden sich nur in der Einstellung der Bias­spannung.  Bei Schaltung D1 ist die Spannung am Bias-Potentiometer maximal, während bei Schaltung D2 die Bias­spanung der Spannung zwischen den beiden gesättigten Dioden entspricht (d. h. es gibt keine gesonderte Bias­spannung bei Schaltung D2). 

Die folgende Bilder­tabelle 3.7 zeigt die wesentlichen Ergebnisse.  Bei sehr kleiner Aussteuerung und sehr geringer Begrenzung entsteht am Ausgang der asymmetrisch gebiasten Begrenzer­schaltung D1 ein einseitig begrenztes Signal mit ungeradem Tast­verhältnis.  Bei höherem Pegel und stärkerer Begrenzung hingegen hat die Bias­spannung kaum einen Einfluss auf die Ausgangsform und die Begrenzer­kennlinie. 

Bilder­tabelle 3.7:  Signale und Kennlinien der formsymmetrischen Begrenzer­schaltungen  D1 und D2 bei starker Aus­steuerung.  (Zum Öffnen und Schließen klicken)

Oszillogramme
u_eing. und u_ausg.

X-Y-Graphen
u_ausg. vs. u_eing.

Schaltung D1: Begrenzung formsymmetrisch, Bias = 0
Ein­gangs­signal­spannung: u_eing.,eff = 920 mV

u_eing. (grün): 500 mV / Div,
u_ausg. (rot): 250 mV / Div

u_eing. (hor.): 500 mV / Div,
u_ausg. (vert.): 100 mV / Div

dto.
Ein­gangs­signal­spannung: u_eing.,eff = 2,64 V

u_eing. (grün): 1 V / Div,
u_ausg. (rot): 500 mV / Div

u_eing. (hor.): 1 V / Div,
u_ausg. (vert.): 200 mV / Div

Schaltung D2: Begrenzung formsymmetrisch, Bias ≈ 0,5
Ein­gangs­signal­spannung: u_eing.,eff = 2,65 V

u_eing. (grün): 1 V / Div,
u_ausg. (rot): 500 mV / Div

u_eing. (hor.): 1 V / Div,
u_ausg. (vert.): 200 mV / Div

Bei den Schaltungen mit asymmetrischer Kennlinie (und zusätzlicher Diode) sind die Ergebnisse bei großem Pegel stark ähnlich, wie die folgende Bilder­tabelle 3.8 zeigt. 

Bilder­tabelle 3.8:  Signale und Kennlinien der formasymmetrischen Begrenzer­schaltungen  D3 bis D2 bei starker Aus­steuerung.  (Zum Öffnen und Schließen klicken)

Oszillogramme
u_eing. und u_ausg.

X-Y-Graphen
u_ausg. vs. u_eing.

Schaltung D3: Begrenzung formasymmetrisch mit weiterer Diode, Bias = 0
Ein­gangs­signal­spannung: u_eing.,eff = 2,58 V

u_eing. (grün): 1 V / Div,
u_ausg. (rot): 250 mV / Div

u_eing. (hor.): 1 V / Div,
u_ausg. (vert.): 100 mV / Div

Schaltung D4: Begrenzung formasymmetrisch mit weiterer Diode, Bias ≈ 0,5
Ein­gangs­signal­spannung: u_eing.,eff = 2,58 V

u_eing. (grün): 1 V / Div,
u_ausg. (rot): 250 mV / Div

u_eing. (hor.): 1 V / Div,
u_ausg. (vert.): 100 mV / Div

Schaltung D5: Begrenzung formasymmetrisch mit weiterer Diode, Bias = 1
Ein­gangs­signal­spannung: u_eing.,eff = 2,58 V

u_eing. (grün): 1 V / Div,
u_ausg. (rot): 250 mV / Div

u_eing. (hor.): 1 V / Div,
u_ausg. (vert.): 100 mV / Div

Lediglich das Ergebnis von Mess­schaltung D3, bei dem der Bias die Ruhespannung in den Kennlinienbereich der harten Begrenzung geschoben hat, wurde ein interessantes Verhalten beobachtet (siehe die folgende Bilder­tabelle 3.9) – das Signal wird bei kleinen Pegeln an einer gekrümmten Kennlinie lediglich weich und sehr asymmetrisch verformt, während mit steigender Aussteuerung zunächst das Tastverhältnis des übersteuerten Signal „gerader“ wird und dann die Begrenzungen symmetrischer werden.  Dieses Verhalten lohnt eine eingehendere, auch klangtechnische Unter­suchung. 

Bilder­tabelle 3.9:  Signalverläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet am Vorwiderstand von Mess­schaltung D3.  (Zum Öffnen und Schließen klicken)

Oszillogramme
u_eing. und u_ausg.

X-Y-Graphen
u_ausg. vs. u_eing.

Ein­gangs­signal­spannung: 42 mV

u_eing. (grün): 25 mV / Div,
u_ausg. (rot): 25 mV / Div

u_eing. (hor.): 25 mV / Div,
u_ausg. (vert.): 10 mV / Div

Ein­gangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 220 mV

u_eing. (grün): 100 mV / Div,
u_ausg. (rot): 50 mV / Div

u_eing. (hor.): 100 mV / Div,
u_ausg. (vert.): 20 mV / Div

Ein­gangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 440 mV

u_eing. (grün): 250 mV / Div,
u_ausg. (rot): 100 mV / Div

u_eing. (hor.): 250 mV / Div,
u_ausg. (vert.): 50 mV / Div

Ein­gangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 890 mV

u_eing. (grün): 500 mV / Div,
u_ausg. (rot): 250 mV / Div

u_eing. (hor.): 500 mV / Div,
u_ausg. (vert.): 100 mV / Div

Ein­gangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 2,58 V

u_eing. (grün): 1 V / Div,
u_ausg. (rot): 250 mV / Div

u_eing. (hor.): 1 V / Div,
u_ausg. (vert.): 100 mV / Div

Nach den Oszillogrammen und Lissajous-Figuren noch einmal Mess­schaltung D3: 

Für die angegebene Nullstellung des Potis könnte die Schaltung vereinfacht werden – das Poti (R₇) wie auch C₃ könnten entfallen.  Im Grunde genommen wird der Ausgang der Schaltung über R₆ mit der positiven Vorspannung verbunden; d. h. D₁₀ wird über R₆ auf etwa 0,3 V bis 0,4 V vorgespannt und sorgt bei kleinen Pegeln für eine stark asymmetrische Begrenzung.  Bei größeren Pegeln des Eingangs­signals ändert sich das, weil das zu begrenzende Signal über einen Kondensator eingekoppelt wird. 

In diesem Falle, bei der Begrenzung größerer Eingangs­signale, fließen, wenn die Dioden stärker leitend werden, natürlich größere Ströme in die Schaltung.  Dabei muss des Kondensators wegen die Summe dieser Ströme bei der Begrenzung beider Halbwellen auf Dauer null sein, sonst verschiebt sich der Arbeits­punkt durch den Kondensator wieder in eine Position, bei der beide Halbwellen gleichermaßen begrenzt werden, was eingestellten den „optimal-asymmetrischen“ Arbeitspunkt zunichtemacht.  Genau dieses Verhalten wurde bei den Mess­schaltungen der Serie D beobachtet. 

Die Idee, man könnte die Symmetrie eine Begrenzer­stufe über eine hochohmig eingespeiste zusätzliche Bias­spannung verändern, hat, wie die Untersuchung der Mess­schaltungen D1 bis D5 zeigt, nicht funktioniert.

Nichtdestotrotz könnte auch die Untersuchung des dynamischen Verhaltens von Mess­schaltung D1 oder D3, beispielsweise mit einem dem Gitarren­ton ähnlichen dynamischen Signal mit sich verändernder Amplitude, durchaus interessant sein.  Dem Autor steht allerdings weder das notwendige Equipment noch die nötige „klanglich-technische“ Erfahrung zur Verfügung, um hier – spätestens bei der Interpretation der Ergebnisse – nicht nur zu mutmaßen. 

Zusammenfassung

Kapitelinhalt:[  Überspringen ]

• Ursprüngliche Schaltung mit vorgespannten Dioden •
• „Experimental­bausatz“ mit Graetz­brücken •
• Weitere Begrenzer­schaltungen

Ursprüngliche Schaltung mit vorgespannten Dioden

Zunächst wäre die ursprüngliche Schaltungs­idee zu nennen – ein relativ großer Strom durch eine oder mehrere Dioden sorgt für eine relativ stabile Vor- bzw. Bias­spannung, mit der eine wesentlich größere Zahl Dioden, in Serien geschaltet, vorgespannt werden.  Die folgende Abbildung 3.23 zeigt noch einmal das Prinzip der Schaltung (bei einer asymmetrischen Begrenzung) und eine statische Kennlinie als mögliches Simulations­ergebnis: 

So einfach die Idee auch ist (und so einfach sie sich auch zu sinnvollen Ergebnissen „hinsimulieren“ lässt), so leicht kann sie an den Daten realer Halbleiter scheitern.  Deswegen muss hier erst einmal „gemessen, gedacht und geplant“ werden – vor allem in Hinblick auf den gewünschten Vor­widerstand und die zu erwartenden Eingangs­spannungen gilt es zu berücksichtigen: 

• Der Vor­widerstand R₁ muss größer sein als der Speise­widerstand R₂ bzw. der Speise­strom R₂ durch die gesättigten Dioden D₁ und D₂ muss größer sein als der maximale Strom durch den Vor­widerstand R₁, damit die Vor­spannung der Dioden D₁ und D₂ stabil bleibt. 

• Die Vorspannung der Begrenzer­dioden (in diesem Falle D₃ bis D₆) muss relativ genau so bemessen werden, dass sich der differentielle Widerstand der Schaltung, vom Eingang aus gesehen, etwa im Bereich um die Größe des Vorwiderstandes bewegt.  Ist der differentielle Widerstand zu klein, so ist die Dämpfung für sehr kleine Signale zu groß.  Ist die Vorspannung zu klein und der differentielle Widerstand bei kleinen Signalen zu groß, so kann eine Begrenzer­kennlinie entstehen, bei der die Begrenzung bei kleinen Pegeln relativ abrupt einsetzt und mit wachsendem Signalpegel vor allem zu stärkerer Kompression führt und kaum zu mehr „Verzerrung“. 

• Eine genaue Dimensionierung dieser Schaltung setzt hier eine genaue Kenntnis der Strom- / Spannungs-Kennlinie der verwendeten Dioden voraus, auch, um ggfs. Dioden unterschiedlichen Typs für die Begrenzer­dioden und die gesättigten Dioden zur Vor­spannungs­erzeugung einsetzen zu können.  Die üblichen PSPICE-Modelle reichen da teilweise nicht, weil hier Modelle mit lediglich einem Wert für die Material­konstante η zu Einsatz kommen, mit denen die Strom-Spannungs-Kennlinie u. U. nicht ausreichend genau „getroffen“ wird. 

• Weiterhin verlangen insbesondere Begrenzer­schaltungen mit asymmetrischer Begrenzung (zur Begrenzung der oberen und der unteren Halbwelle wird eine unterschiedliche Anzahl der Dioden eingesetzt) eine Vor­verstärker- / Treiber­schaltung mit symmetrischer Betriebs­spannung. 

  Eine solche Begrenzer­schaltung hat einen „verschobenen“ Arbeitspunkt; d. h. einen Arbeitspunkt neben der Ruhe­spannung der vorgespannten Dioden (siehe AP2 in Abbildung 3.23), damit im Wesentlichen nur die Härte der Begrenzung asymmetrische ist und nicht gleicher­maßen der Pegel.  Die vorherige Stufe hat dabei eine Ruhespannung von null Volt und wird direkt (ohne Koppel­kondensator) angekoppelt.  Dazu muss diese vorherige Stufe mit symmetrischer Betriebs­spannung arbeiten. 

Diese zum Teil schwierig oder aufwendig zu erfüllenden Bedingungen verlangten also nach einer Weiter­entwicklung der ursprünglichen Schaltungs­idee.  Das führte zuerst zum Ansatz, zwei Graetz­brücken zu verwenden und Parallel­widerständen und / oder Schottky­dioden zuzuschalten. 

„Experimental­bausatz“ mit Graetz­brücken

Die genannten Ansätze (Graetz­brücken, Parallel­widerstände, Schottky­dioden) wurden in einer Art Experimental­bausatz zusammen­gefasst – die folgende Abbildung 3.24 zeigt deren Prinzip: 

In dieser neuen Schaltung wurden, folgend aus den Schwächen der ursprünglichen Idee, mehrere Ansätze zusammengefasst: 

Graetz­brücke

Zunächst ging es bei der Idee, eine oder mehrere Graetz­brücken zu verwenden, um Temperaturstabilität – alle die Begrenzer­kennlinie bestimmende Dioden sollten auf dem selben Chip liegen und die gleiche Temperatur haben, um temperatur­bedingte Parameter­änderungen auszugleichen.  (Eine Temperatur­erhöhung bspw. führt zu einer größeren „Durch­lässigkeit“ der Dioden zur Vorspannungs­erzeugung, d. h. zu einer geringeren Vor­spannung, womit die größere Durch­lässigkeit der vorgespannten Dioden ausgeglichen wird.)

Es wurde aber festgestellt, dass mit den drei verschiedenen Gruppen von Dioden in der Verschaltung der beiden Graetz­brücken (Dioden D₁, D₃, D₅ und D₇ links als vorgespannte Begrenzer­dioden, Dioden D₂ und D₈ außen rechts für die Erzeugung der Vor­spannung und Dioden D₄ und D₆ innen rechts als zusätzliche, nicht vorgespannte Begrenzer­dioden) eine interessante und minimale Struktur gefunden worden war. 

Das spezielle Problem der ursprünglichen Schaltung, dass die Eigenschaften eines bestimmten Halbleiter­typs u. U. drastische Auswirkungen auf die Kennlinie und den Klang (insbesondere die Kompression) der Begrenzer­stufe haben bestand jedoch weiter und führte zunächst zum Einsatz eines Parallel­widerstands. 

Parallelwiderstände

Die beschriebene „reine“ Graetz­brückenschaltung (siehe Abbildung 3.24; ohne Widerstände 3,3 kΩ und 10 kΩ und ohne Schottky­dioden) wurde zunächst um einen „Desymmetrier­widerstand“, d. h. um einen Widerstand parallel zu einer der Dioden D₁…D₇, ergänzt.  Diese Lösung wurde als erste Begrenzer­schaltung in der ersten in einen kleinen VOX Pathfinder eingebaut (siehe im Kapitel II des Artikels über den Umbau des Pathfinder). 

Hier ließ sich die Kennlinie ein wenig verformen, wobei die „Kompression“ (in diesem Fall Verhältnis zwischen der Dämpfung kleiner Signale und dem Headroom zum Einsatz von Verzerrungen) und die Asymmetrie der Begrenzung in einem zwingenden vorteilhaften Zusammenhang standen (siehe dazu auch Abbildung 2.2 im erwähnen Artikel über den Pathfinder). 

In den weiteren Untersuchungen wurde je einer vorgespannten Begrenzer­diode jeder der beiden Halbwellen (konkret: D₃ und D₃) jeweils ein Parallel­widerstand zugeschaltet, wobei diese Widerstände zwei verschiedene Funktionen ausüben: 

• Mit den Parallel­widerständen wird die statische Kennlinie stärker homogenisiert, die Signaldämpfung bei kleinen Signalen ist größer, so das ein etwas kontinuierlicherer Übergang in die Begrenzung möglich ist. 

• Mit der unterschiedlichen Größe der Parallel­widerstände kann die Ruhespannung am Ausgang, d. h. der Arbeitspunkt der Begrenzer­schaltung und die Symmetrie der Begrenzungs­pegel verändert werden. 

Schottky­dioden

Den nicht vorgespannten Begrenzer­dioden, die ja auch die maximale Ausgangs­spannung der Begrenzer­schaltung bestimmen, kann eine Schottky­diode mit wesentlich geringerer Sättigungs­spannung parallelgeschaltet werden. 

Insgesamt ist mit dem „Experimental­bausatz mit Graetz­brücken“ eine recht flexible Begrenzer­schaltung gefunden worden – einige Nachteile oder ungünstige Eigenschaften sind allerdings geblieben. 

Pegel­dämpfung

Die Pegeldämpfung bei kleinen Signalen ist noch relativ groß. 

Dimensionierung

Es gibt keine Theorie, Handlungs­anweisung etc. zur Dimensionierung der Schaltung – die Schaltung ist bis dato an einen Typ einer Graetz­brücke (B500D) und an einen Vorwiderstand von 2,2 kΩ gebunden. 

Tast­ver­hältnis

Um das Tast­ver­hältnis des begrenzten Signals zu verändern (und ein „röhrentypisches“ Signal mit ungeradem Tast­ver­hältnis zu erhalten), muss eine Einstellung mit stark asymmetrischer Begrenzung gewählt werden.  In diesem Fall hat ein begrenztes Sinus­signal bei geringem Pegel ein entsprechend verändertes Tastverhältnis – bei großem Pegel ist dem nicht so, was u. U. durch Arbeits­punkt­verschiebungen am Koppelkondensator begründet ist.  Hier wäre zu noch untersuchen, ob das ganze klanglich funktioniert, d. h. zum einen, ob die Veränderung des Tastverhältnisses wirklich klangliche Vorteile bietet und ob diese Einstellung – eine stark asymmetrischer Begrenzung – nicht evtl. zu einem hässlichen „Bröckeln"“ im Ausklang führt. 

Weitere Begrenzer­schaltungen

Unabhängig von der Graetz­brücken­schaltung wurde die oben skizzierte ursprüngliche Idee einer Begrenzer­schaltung mit vorgespannten Dioden um zwei weitere Dioden (antiparallel, nicht vorgespannt, einzeln zuschaltbar) erweitert und in zwei Serien von Testschaltungen untersucht.  Die verschiedenen Varianten sind in der folgenden Abbildung 3.25 zusammengefasst. 

In der symmetrischen Schaltung wurden zweimal zwei oder drei Begrenzer­dioden mit der Sättigungs­spannung über jeweils einer Diode gleichen Typs vorgespannt.  Die Variationen dieses Prinzips bestanden in der

Typ der Begrenzerdioden

Die Schaltung wurde mit Dioden vom Typ 1N4148 und Dioden aus der Doppel­diode SAL41 getestet. 

Anzahl der Begrenzerdioden

Zweimal zwei oder zweimal drei vorgespannte Begrenzer­dioden

Höhe der Vor­spannung / Größe des Sättigungs­stromes

Die Höhe der Vor­spannung wurde über die Größe der Widerstände, durch die der Sättigungs­strom fließt (1 kΩ und 3,3 kΩ), variiert. 

Größe des Vor­widerstandes

Es wurden zwei verschiedene Vorwiderstände (2,2 kΩ und 10 kΩ) getestet. 

Zuschalten zusätzlicher Begrenzer­dioden

Für jede Halbwelle konnte den vorhandenen vorgespannten Begrenzer­dioden eine weitere, nicht vorgespannte Begrenzer­diode parallel zugeschaltet werden. 

Bias­spannung vor der Begrenzer­schaltung

Es wurde versucht, den Arbeitspunkt der Begrenzer­schaltung zu verschieben.  Letztendlich wurde am Ende des Vor­widerstands ein Gleich­strom hochohmig eingespeist. 

Die Ergebnisse waren durchaus ermutigend, die Schaltungsvarianten mit zweimal drei Begrenzer­dioden ohne eingespeisten Bias­strom führten zu sinnvollen Ergebnissen.  Dabei führte der Einsatz der beiden unterschiedlichen Diodentypen auch zu unterschiedlichen Ergebnissen – die Test­schaltungen mit 1N4148 begrenzten das Signal in der Regel weicher als die mit der SAL41. 

Mit dem Zuschalten einer weiteren, nicht vorgespannten Begrenzerdiode konnte eine in den maximalen Ausgangs­spannungen eher symmetrische und in der Begrenzung asymmetrische Kennlinie realisiert werden. 

Das Einspeisen eines zusätzlichen einstellbaren Bias­stroms (Poti über den gesättigten Dioden, großer Widerstand zwischen dem Schleifer des Potis und dem Ende des Vor­widerstands der Begrenzer­schaltung) führte nur in einer Maximal­einstellung des Potis zu unterscheidbaren Ergebnissen – letztendlich wurde dabei über einen Widerstand parallel zu den vorgespannten Begrenzer­dioden einer Halbwelle ein zusätzlicher Strom in die Schaltung gepumpt (in Abbildung 3.25 ist das mit dem Widerstand R₇ angedeutet). 

Durch das „voll aufgedrehte Bias­poti“ R₇ wird die eigentlich gleich­spannungs­freie Diode D₁₀ vorgespannt, so dass hier bei kleinen Signalen eine interessante Signalverformung (gekrümmte Kennlinie und starke k₂) beobachtet werden konnte.  Bei stärkeren Pegeln verhielt sich diese Schaltung auch wie der Experimental­bausatz mit Graetz­brücken bei stark asymmetrischen Einstellungen – die Umladungen des Koppel­kondensators erzwingen eine symmetrische Begrenzung.