Dioden-Begrenzerschaltungen: Umfassender Leitfaden zu Typen und Anwendungen

Ein Dioden-Spannungsbegrenzer

Quelle: Wikimedia Commons

Arbeiten Sie an Elektronikprojekten, die vor hohen Spannungsspitzen geschützt werden müssen?

Dann benötigen Sie eine Dioden-Begrenzerschaltung (Diode Clipping Circuit). Sie ermöglicht die Formung und Begrenzung von Signalverläufen.

Wie bei den meisten Schaltungen ist das Verständnis des Funktionsprinzips entscheidend für den sicheren Betrieb. Zudem gibt es verschiedene Kategorien von Begrenzerschaltungen.

Die gute Nachricht: In diesem Artikel behandeln wir all diese Aspekte und mehr. Lesen Sie weiter.

Was ist eine Dioden-Begrenzerschaltung?

Ein Dioden-Wellenformbegrenzer

Quelle: Wikimedia Commons

Der Dioden-Begrenzer ist eine wellenformende Schaltung. Er nimmt ein Eingangssignal auf und schneidet – je nach Diodencharakteristik – die obere, untere oder beide Halbwellen ab. Man nennt diese Schaltung auch Dioden-Limiter.

Wenn der Begrenzer ein Eingangssignal abschneidet, entsteht ein Ausgangssignal, das wie eine abgeflachte Version des Eingangs aussieht. So lässt sich die Schaltung nutzen, um Eingangssignale mit Schottky- oder Signaldioden umzuformen. Oder sie verwendet Zener-Dioden zum Überspannungsschutz: Der Begrenzer verhindert, dass die Ausgangsspannung einen bestimmten Pegel überschreitet.

Die Grundbausteine sind ein Widerstand und eine ideale Diode. Ergänzt man eine DC-Spannungsquelle, lässt sich der Begrenzungspegel (Clipping Level) beliebig festlegen.

Funktionsweise einer Dioden-Begrenzerschaltung

Das Prinzip ähnelt dem einer Diode: Im Durchlass (Vorwärtsrichtung) lässt sie Strom fließen und klemmt die Spannung. In Sperrrichtung fließt kein Strom, die Spannung an den Anschlüssen bleibt unverändert.

Kategorien von Begrenzern

Man unterscheidet zwei grundlegende Aufbauarten: Parallel- und Reihenschaltung. Beim Parallelbegrenzer liegt die Diode parallel zur Last, beim Reihenbegrenzer sind Diode und Last in Reihe geschaltet.

Positiver Dioden-Begrenzer

Positiver Dioden-Begrenzer

Quelle: Tutorialspoint

Bei einem positiven Begrenzer fehlen die positiven Halbwellen der Eingangsspannung am Ausgang.

Liegt die Diode in Reihe mit der Last, sperrt sie während der positiven Halbwelle (Gegentakt), der Ausgang liegt bei 0 V. In der negativen Halbwelle leitet die Diode (Durchlass), die negative Halbwelle erscheint am Ausgang.

Liegt die Diode parallel zur Last, verhält es sich umgekehrt: In der positiven Halbwelle leitet die Diode (Kurzschluss), die Spannung an der Last fällt auf 0 V. In der negativen Halbwelle sperrt die Diode (Öffner), die volle Eingangsspannung liegt an der Last an (vorausgesetzt R_L > R). Die Schaltung wirkt dann als Spannungsteiler mit dem Ausgang U_out = [R_L/(R + R_L)] · U_MAX = -U_MAX (für R < R_L).

Negativer Dioden-Begrenzer

Negativer Dioden-Begrenzer

Quelle: Wikimedia Commons

Der negative Begrenzer ist das Spiegelbild des positiven. Wenn die Diode in Durchlassrichtung ist und die Sinusschwingung eine negative Halbwelle hat, begrenzt sie diese auf -0,7 V.

In Sperrrichtung lässt sie die positive Halbwelle ungehindert passieren. Damit begrenzt die Schaltung die negative Halbwelle der Eingangsspannung.

Kann eine Diode beide Halbwellen begrenzen? Ja, durch gegenparallel geschaltete Dioden: D1 schneidet die positive, D2 die negative Halbwelle ab.

Bei idealen Dioden wären die Clipping-Punkte bei 0 V. Real tritt die Vorwärtsspannung von ca. 0,7 V auf, die Begrenzung erfolgt also bei +0,7 V und -0,7 V.

Höhere Schwellenwerte lassen sich durch Vorspannung (Bias) der Diode oder Reihenschaltung mehrerer Dioden (Vielfache von 0,7 V) erreichen.

Kombinationsbegrenzer (Combination Clipper)

Kombinations-Dioden-Begrenzer

Quelle: Researchgate

Ein Kombinationsbegrenzer schneidet Teile sowohl der positiven als auch der negativen Halbwelle ab. Liegt die Eingangsspannung über der Spannung +V1 der Batterie an D1, leitet D1 stark, D2 sperrt. Der Ausgang folgt +V1.

Bei negativer Eingangsspannung sperrt D1, +V1 bleibt zunächst erhalten. Sobald die Eingangsspannung den Betrag der zweiten Batteriespannung -V2 überschreitet, leitet D2 stark. Der Ausgang bleibt während der negativen Halbwelle bei -V2, solange -V2 kleiner als die Eingangsspannung ist.

Vorgespannte Dioden-Begrenzerschaltungen (Biased Diode Clipping)

Vorgespannte Dioden-Begrenzerschaltung

Quelle: Tutorialspoint

Eine Vorspannung ermöglicht präzise Begrenzungsspannungen. Damit die Diode leitet, muss die Spannung an der Reihenschaltung größer sein als V_BIAS + 0,7 V.

Beispiel: Bei V_BIAS = 5,5 V leitet die Diode erst ab 6,2 V. Alle Spannungen darüber werden begrenzt.

Negativ vorgespannter Dioden-Begrenzer

Durch Variation der Vorspannung lassen sich unterschiedliche Begrenzungspegel für positive und negative Halbwellen realisieren. Die Vorspannungen müssen nicht symmetrisch sein (z. B. +8 V für positiv, -10 V für negativ).

Positiv vorgespannter Dioden-Begrenzer

Durch Umkehrung von Batterie und Diode leitet die Diode in der negativen Halbwelle, der Ausgang wird auf V_BIAS geklemmt.

Dioden-Begrenzer mit verschiedenen Bias-Pegeln

D1 leitet bei +4,7 V und begrenzt auf diesen Wert. D2 leitet bei -6,7 V und begrenzt alle darunterliegenden Spannungen.

Warnung: Werden die Begrenzungswerte zu niedrig oder das Eingangssignal zu hoch gewählt, entsteht ein rechteckförmiges Signal, da beide Spitzen entfernt werden.

Zener-Dioden-Begrenzerschaltungen

Zener-Dioden arbeiten im Sperr-Rückwärtsbereich und eignen sich ideal für Begrenzung und Spannungsstabilisierung, ohne dass eine zusätzliche Batterie nötig ist.

Im Durchlass verhält sich die Zener-Diode wie eine normale Siliziumdiode (ca. 0,7 V). In Sperrrichtung blockiert sie, bis die Zener-Spannung erreicht ist. Dann begrenzt sie die Spannung auf den Zener-Wert. In der negativen Halbwelle wirkt sie wieder als normale Diode mit 0,7 V.

Anwendungen der Dioden-Begrenzerschaltung

• Netzteile (Power Supplies)
• Beseitigung überschüssiger Rippel in FM-Sendern
• Wellenformung und Erzeugung neuer Signale
• Freilaufdiode zum Schutz von Transistoren vor transitorischen Effekten
• Begrenzung der Eingangsspannung in Geräten

Abschließende Worte

Eine Dioden-Begrenzerschaltung begrenzt, verhindert oder schneidet Eingangssignale effektiv oberhalb oder unterhalb eines definierten Pegels ab. Je nach Ziel gibt es verschiedene Typen.

Was halten Sie vom Thema? Benötigen Sie Hilfe bei der Auswahl der passenden Begrenzerschaltung für Ihr Projekt? Kontaktieren Sie uns gerne.