Diodenbegrenzer (Clipper)

Ein Begrenzer schneidet alles ab, was über eine bestimmte Spannung hinausgeht, und lässt den Rest unverändert durch. Die einfachste Form besteht aus einem Widerstand in Reihe und zwei Dioden gegen Masse. Solange das Signal kleiner ist als die Flussspannung, sperren die Dioden und das Signal kommt fast ungeschwächt an. Wird es größer, leitet eine der Dioden und hält den Ausgang fest, den Überschuss verbraucht der Widerstand.

Begrenzer schützen empfindliche Eingänge vor zu großen Pegeln, etwa einen Verstärker hinter einem Mikrofon- oder Sensoreingang. In Gitarren-Verzerrern machen sie aus einem Sinus absichtlich ein fast rechteckiges Signal. In Funkempfängern halten sie den Eingang bei starken Sendern im Rahmen, und in Messschaltungen formen sie aus einem Sinus ein Signal mit steilen Flanken für einen Zähler.

Schaltplan

• R1, 1 kΩ: nimmt die Spannung auf, die die Dioden abschneiden, und begrenzt den Diodenstrom. Ohne ihn würden die Dioden die Signalquelle kurzschließen.
• D1, 1N4148: leitet, sobald der Ausgang etwa +0,6 V erreicht. Anode am Signal, Kathode an Masse.
• D2, 1N4148: dasselbe für negative Spannungen, umgekehrt eingebaut.
• R_L, 100 kΩ: der Eingangswiderstand der Folgestufe, etwa eines Operationsverstärkers.

So funktioniert die Schaltung

Kleine Signale. Unter etwa 0,4 V fließt durch die Dioden praktisch kein Strom. R1 und R_L bilden einen Spannungsteiler mit dem Verhältnis 100 kΩ / 101 kΩ; das Signal kommt zu 99 % am Ausgang an.

Große Signale. Steigt der Eingang weiter, öffnet D1 entsprechend ihrer exponentiellen Kennlinie. Der Strom durch R1 wächst, die Spannung über der Diode kaum noch. Bei 5 V Eingangsspitze fließen 4,3 mA, der Ausgang bleibt bei 0,65 V. In der negativen Halbwelle übernimmt D2. Der Sinus wird oben und unten abgeschnitten.

Weiches Knie. Weil die Diode nicht schlagartig leitet, geht die Kurve rund in die Begrenzung über. Das klingt bei Audiosignalen weicher als hartes Abschneiden und ist der Grund, warum Verzerrer gern Siliziumdioden oder LEDs benutzen. Die genaue Kennlinie zeigt das Diagramm. Warum der Diodenstrom exponentiell mit der Spannung wächst, erklärt der pn-Übergang.

Dimensionierung

Ziel: Ein Signal mit bis zu 5 V Spitze soll für einen Vorverstärker auf ±0,65 V begrenzt werden. Ein Fehler darf den Eingang auch einmal mit ±10 V belasten.

1. Begrenzungsspannung wählen. Sie ergibt sich aus der Diode:

Für mehr als zwei Flussspannungen schaltest du Dioden in Reihe, zwei 1N4148 je Richtung ergeben etwa ±1,3 V.

2. R1 nach dem Diodenstrom. Der größte Diodenstrom tritt beim Fehlerfall von 10 V auf:

Der 1N4148 verträgt dauerhaft 150 mA, das ist kein Thema. Größer als nötig sollte R1 trotzdem nicht sein, aber auch nicht zu groß: R1 bildet mit R_L einen Teiler und mit den Kapazitäten der Dioden (je etwa 4 pF) und der Folgestufe einen Tiefpass. Mit 1 kΩ und rund 20 pF liegt dessen Grenzfrequenz bei 8 MHz.

3. Last für die Signalquelle. Begrenzt der Begrenzer, sieht die Quelle praktisch nur noch R1 gegen 0,65 V. Bei 5 V Spitze muss sie 4,3 mA liefern. Für einen Operationsverstärkerausgang ist das in Ordnung; eine hochohmige Quelle würde dagegen schon selbst einbrechen.

4. Verlustleistung. Im Fehlerfall mit 10 V Scheitel liegen an R1 bis zu 9,3 V. Bei Sinus sind das im Mittel etwa (9,3 V)² / (2 · 1 kΩ) ≈ 43 mW. Jede Diode setzt im Mittel nur wenige Milliwatt um.

5. Temperatur. Die Flussspannung sinkt um etwa 2 mV pro Kelvin (Temperaturverhalten von Halbleitern). Zwischen 0 °C und 60 °C wandert die Begrenzung von 0,70 V auf 0,58 V. Für Schutz und Verzerrung ist das egal, für Messungen nicht.

Bauteilliste

Varianten

Einseitiger Begrenzer. Lässt du D2 weg, wird nur die positive Halbwelle begrenzt, die negative geht unverändert durch. So schützt du etwa einen Eingang, der nur positive Spannungen verarbeiten darf, gegen zu hohe Pegel.

Mit Vorspannung. Liegt die Kathode von D1 nicht an Masse, sondern an einer festen Spannung U_ref, begrenzt die Schaltung bei U_ref + U_F. Mit Schottky-Dioden an die Versorgungsschienen eines Mikrocontrollers wird daraus der klassische Eingangsschutz: Eingangsschutz gegen ESD und Überspannung.

Z-Dioden gegeneinander. Zwei Z-Dioden in Reihe mit entgegengesetzter Polung begrenzen symmetrisch auf U_Z + U_F. Das passt für Pegel von einigen Volt; das Knie ist bei kleinen Z-Spannungen allerdings sehr weich, wie das Diagramm zeigt.

Präzise Begrenzung. Mit einem Operationsverstärker, der die Diodenspannung ausregelt, begrenzt man auf Millivolt genau; das Prinzip steckt im Präzisionsgleichrichter.

Verzerrer. Liegen die beiden Dioden in der Gegenkopplung eines nichtinvertierenden Verstärkers, verstärkt die Stufe kleine Signale voll und große kaum noch. Das ergibt den typischen weichen Overdrive-Klang.

Gleichanteil verschieben statt abschneiden. Soll die Signalform erhalten bleiben und nur auf eine andere Gleichspannung rutschen, brauchst du die Klemmschaltung.

Typische Fehler

• R1 vergessen: Die Dioden schließen die Quelle kurz. Je nach Quelle bricht das Signal ein, die Quelle geht in die Strombegrenzung oder eine Diode brennt durch.
• Diode durchlegiert: Ein Kurzschluss nach Masse lässt am Ausgang fast nichts mehr ankommen. Messe im ausgebauten Zustand mit dem Multimeter in Diodenstellung: in einer Richtung 0,6 V, in der anderen offen.
• Begrenzung zu früh: Bei hochohmiger Folgestufe ist alles gut. Hängt dahinter aber ein Eingang mit 1 kΩ, teilt R1 das Signal schon vor der Begrenzung auf die Hälfte. Mit dem Oszilloskop am Ein- und Ausgang vergleichen.
• Unerwarteter Gleichanteil: Mit nur einer Diode und einem Koppelkondensator davor lädt sich der Kondensator auf, das Signal verschiebt sich. Das ist dann eine Klemmschaltung.
• Verzerrungen bei kleinen Pegeln: Schon ab etwa 0,4 V biegt die Kennlinie ab. Wer unverzerrte Signale bis 0,5 V braucht, nimmt zwei Dioden in Reihe je Richtung. Mehr zu den Folgen unter Verzerrungen.

Selbsttest