Diode Clipping Circuit Eine einfache Lösung für Signal probleme

Eine Dioden klipp schaltung ist ein einfaches elektronisches Werkzeug, das die Spannung eines Signals begrenzt. Dioden klipp schaltungen sind für Signal verarbeitung schaltungen von entscheidender Bedeutung. Sie bieten entscheidenden Überspannung schutz. Diese Schaltungen verwendenDiodenUm einen Spannungs schutz bereit zustellen oder ein Signal kreativ zu formen.

💡Eine Analogie:Stellen Sie sich diesen Ausschnitt wie eine Parkhaus schranke vor. Die Schranke stoppt zu hohe Fahrzeuge. In ähnlicher Weise verhindern Dioden in diesen Schaltungen, dass ein Signal eine eingestellte Spannung übers ch reitet.

Wichtige Imbiss buden

• Dioden-Clipping-Schaltungen begrenzen die Spannung eines Signals. SieSchützen elektronikUnd Forms ignale.
• Dioden wirken wie Einweg schalter. Sie lassen den Strom nur in eine Richtung fließen.
• Clipping-Schaltungen können positive oder negative Teile eines Signals entfernen. Sie können auch beide entfernen.
• Diese Schaltungen schützenEmpfindliche TeileVon Stromstöße. Sie schaffen auch coole Soundeffekte für Musik.
• Sie können eine einfache Clipping-Schaltung zu Hause bauen. Dies hilft Ihnen zu sehen, wie Dioden elektrische Signale ändern.

Den Diodenclipping-Schaltkreis verstehen

Dioden ausschnitt schaltungen funktionieren aufgrund der einzigartigen Eigenschaften von Dioden. Diese Komponenten sind der Kern der Schaltung. Das Verständnis, wie sich Dioden verhalten, ist der Schlüssel zum Verständnis der Funktions weise des gesamten Begrenzers.

Die Rolle der Diode als Schalter

Dioden verhalten sich wieElektronische Einweg schalter. Sie lassen den Strom in eine Richtung fließen, blockieren ihn jedoch in die entgegen gesetzte Richtung.

• Wenn der Schalter "eingesc haltet" ist, leitet die Diode Strom.
• Wenn der Schalter "aus" ist, blockiert die Diode den Strom.

Diese einfache Ein-Aus-Aktion ermöglicht es einer Dioden-Clipping-Schaltung, ein Signal zu steuern. Dioden sind jedoch keine perfekten Schalter. Bei hohen Frequenzen,Die interne Kapazität einer Diode kann die Schalt geschwindigkeit verlangsamen. Dies kann zu kleinen Stroms pitzen führen und die Leistung der Schaltung mit einem sich schnell ändernden Eingangs signal beeinflussen.

Vorwärts gegen Reverse Bias

Der Zustand "Ein" oder "Aus" einer Diode hängt von der an sie angelegten Spannung ab. Dies wird als Vorspannung bezeichnet.

Vorwärts verzerrung (On-State):Eine Diode schaltet sich ein, wenn die über sie angelegte Eingangs spannung positiv ist und einen bestimmten Schwellen wert übers ch reitet. Diese Schwelle ist der Vorwärts spannungs abfall. Nach der Leitung lässt die Diode das Signal durch. Verschiedene Dioden haben unterschied liche Vorwärts spannungen.

Anmerkung:Die Temperatur beeinflusst dieses Verhalten.Wenn eine Diode wärmer wird, nimmt ihr Vorwärts spannungs abfall abLeicht.

Umgekehrte Bias (Off-State):Eine Diode schaltet sich aus, wenn die Eingangs spannung negativ ist oder unter der Durchlass spannungs schwelle liegt. In diesem Zustand blockiert es den Stromfluss. Wenn jedoch die umgekehrte Eingangs spannung zu hoch wird, kann sie dieKehrende Spannung (PIV). Dadurch können die Dioden dauerhaft beschädigt werden. Für einen Standard1 N4148 Diode, diese Durchbruchs pannung ist um 100V.

Clipping Signal Peaks

Das Clipping erfolgt, wenn eine Diode zwischen ihrem Ein-und Ausschalten umschaltet. Stellen Sie sich ein AC-Eingangs signal vor. Wenn die Spannung des Signals über die Durchlass spannung der Diode steigt, schaltet sich die Diode ein. Es entsteht ein Pfad, der die Ausgangs spannung begrenzt. Der Teil des Signals über dieser Schwelle wird "abgeschnitten". Das resultierende Ausgangs signal wird oben abgeflacht. Dies ist die grundlegende Aktion aller Dioden-Clipping-Schaltungen. Durch Ändern der Dioden oder ihrer Anordnung können Sie genau steuern, wie die Schaltung das Ausgangs signal formt. Dies macht den Dioden begrenzer zu einem leistungs starken Werkzeug für die Signal verarbeitung.

Arten von Dioden-Clipping-Schaltungen

Dioden ausschnitt schaltungen gibt es in verschiedenen Konfigurationen. Jedes Design verwendet Dioden auf bestimmte Weise, um ein Eingangs signal zu formen. Die Anordnung der Dioden bestimmt, welcher Teil des Signals entfernt wird und bei welchem Spannungs pegel das Clipping erfolgt. Wenn Sie diese Typen verstehen, können Sie die richtige Schaltung für Ihren spezifischen Bedarf auswählen.

Serie und Shunt Clippers

Die beiden grundlegend sten Kategorien von Dioden ausschnitt schaltungen sind Serien und Shunt. Der Haupt unterschied ist die Platzierung der Diode relativ zur Last und zum Ausgang.

• Serie Clippers:In diesem Setup wird die Diode in Reihe (in Linie) mit der Last platziert. Es wirkt wie ein Schalter, der entweder offen oder geschlossen ist. Wenn die Diode vorwärts vorgespannt ist, kann das Signal zum Ausgang gelangen. Wenn es umgekehrt vorgespannt ist, blockiert es das Signal.

  (Input) --- |>| --- R --- (Output)
  Dioden widerstand
  

• Shunt Clippers:Hier wird die Diode parallel (oder Shunt) mit der Last platziert. Die Diode liefert einen alternativen Pfad für den Strom. Wenn die Eingangs spannung die Diode vorwärts gespannt, wird der Strom vom Ausgang weg geleitet, wodurch das Signal effektiv abgeschnitten wird. Shunt Clipper sind häufiger in der Signal verarbeitung.

  (Input) --- R --- --- (Ausgabe)
  Widerstand |
  ---
  | | Diode
  |>|
  |
  ---
  |
  (Sc)
  

Positive und negative Clipping

Clipping-Schaltungen können so ausgelegt werden, dass sie entweder den positiven oder den negativen Teil eines AC-Signals begrenzen. Dies wird erreicht, indem einfach die Richtung der Diode geändert wird.

Positive Clipper:Ein positiver Clipper entfernt den positiven Halb zyklus des Eingangs signals. Die Diode ist so positioniert, dass sie leitet, wenn die Spannung positiv wird, und das Signal über einem bestimmten Schwellen wert (typischer weise 0,7 V) zur Erde verkürzt.

Negative Clipper:Ein negativer Clipper entfernt den negativen Halb zyklus. Wenn Sie die Richtung der Diode umdrehen, leitet sie nur während des negativen Teils des Eingangs und schneidet das Signal unter-0,7 V.

In der folgenden Tabelle wird zusammen gefasst, wie sich ein einfacher Shunt-Clipper auf einen Sinus wellen eingang auswirkt.

💡Praktisch vs. Ideal:In einer realen Schaltung ist der Ausgang bei 0V nicht perfekt abgeschnitten.Ein kleiner Teil des Signals bleibt aufgrund des Durchlass spannungs abfalls der Diode bestehen. Bei einer Silizium diode wird der Ausgang für einen positiven Clipper mit ungefähr 0,7 V und für einen negativen Clipper mit-0,7 V abgeschnitten.

Vor eingenommene und Zener-Dioden-Clipping

Standard-Clipper begrenzen das Signal in der Nähe von Null Volt. Vor eingenommene Dioden klipp schaltungen und Zenerdioden-Clipping-Schaltungen bieten eine Möglichkeit, benutzer definierte Spannungs grenzen festzulegen.

Vor eingenommene Dioden-Clipping-Schaltungen Diese Clipping-Schaltungen fügen eine Gleich spannungs quelle (VBIAS) in Reihe mit der Diode hinzu. Diese Vorspannung verschiebt den Clipping-Pegel. Die Diode leitet nur, wenn die Eingangs spannung sowohl die Vorspannung als auch die Vorwärts spannung der Diode überwindet. Zum Beispiel,Wenn eine 4,0-V-Vorspannung mit einer Silizium diode verwendet wird, wird die Diode nur dann vorwärts vorgespannt, wenn das Eingangs signal 4,0 V 0,7 V = 4,7 V übers ch reitet. Jede Spannung über diesem 4,7 V Punkt wird abgeschnitten. Dies macht voreingenommene Dioden-Clipping-Schaltungen sehr flexibel, da Sie den Clipping-Pegel durch Anpassen der Vorspannung programmieren können. Sie können positive oder negative voreingenommene Dioden-Clipping-Schaltungen erstellen.

Zener-Dioden-Clipping Ein einfacherer Weg, um eine benutzer definierte Spannungs ausklickung zu erreichen, ist das Ausschneiden von Zenerdioden. Zenerdioden sind spezielle Dioden, die umgekehrt leiten, wenn eine bestimmte Spannung (die Zenerspannung Vz) erreicht ist.

• Stabile Spannung: Zener-Dioden sorgen für eine sehr stabile Spannungs regelung. Sie klemmen die Spannung auf ein genaues Niveau.
• Umgekehrte Aufschlüsse lung: Sie sind so gebaut, dass sie im Gegensatz zu Standard dioden, die beschädigt würden, sicher im Rückwärts durchbruch arbeiten können.
• Einfachheit:Eine Zenerdioden-Clipping-Schaltung erfordert keine externe Gleichstrom versorgung zum Vorspannung, was das Design einfacher macht.

Beispiels weise schneidet eine 5,1-V-Zener-Diode ein positives Signal bei 5,1 V (wenn umgekehrt vorgespannt) und ein negatives Signal bei-0,7 V (wenn vorwärts vorgespannt). Dies macht das Clipping der Zenerdiode zu einer aus gezeichneten Wahl für den Überspannung schutz. Für zuverlässige Komponenten, Beschaffung von einem designierten Partner wieNova Technology Company (HK) Limited, Ein von HiSilicon ausgewiesener Lösungs partner, sorgt für eine konsistente Leistung. Um ein Clipping beider Halb zyklen bei bestimmten Spannungen zu erreichen, können zwei Zener-Dioden hintere in Tage gesetzt werden. Diese Technik ist als Vollwellen-Zenerdioden-Clipping bekannt. Eine Vollwellen-Zenerdioden-Clipping-Konfiguration bietet einen symmetrischen Schutz.

Symmetrische vs Asymmetrische Clipping

In Audio anwendungen wirkt sich die Wahl zwischen symmetrischem und asymmetrischem Clipping dramatisch auf den Klang aus.

• Symmetrische Clipping:Dies tritt auf, wenn die positiven und negativen Spitzen des Signals auf dem gleichen Spannungs pegel (z. B. 0,7 V und-0,7 V) abgeschnitten werden. Dies geschieht häufig unter Verwendung von zwei identischen Dioden, die in entgegen gesetzte Richtungen weisen.Symmetrisches Clipping fügt gleichmäßige Harmonische hinzu, was zu einem Klang führt, der oft als warm, glatt und komprimiert beschrieben wird. Es ist ein klassischer Sound, der in vielen Verzerrung pedalen zu finden ist.

• Asymmetrische Clipping:Dies geschieht, wenn die positiven und negativen Spitzen bei verschiedenen Spannungs pegeln abgeschnitten werden. Zum Beispiel könnte man eine Silizium diode (0,7 V Tropfen) für einen Halb zyklus und eine Germanium diode (0,3 V Tropfen) für den anderen verwenden.Dies führt zu einem gröberen, strukturiert eren Gefühl mit komplexeren Harmonischen. Der resultierende Klang wird oft als dynamischer angesehen und kann dazu beitragen, dass sich ein Instrument in einer Mischung abhebt und den Charakter eines übersteuerten Röhren verstärkers nachahmt.

Anwendungen in Signal verarbeitung schaltungen

Das einfache Design von Dioden-Clipping-Schaltungen verbirgt ihre unglaubliche Vielseitigkeit. Ingenieure verwenden diese Schaltungen in einer Vielzahl von Anwendungen. Sie bieten einen wesentlichen Schutz, formen Audio für kreative Effekte und reinigen ver rauschte Signale. Diese vielfältigen Anwendungen zeigen, wie grundlegend Dioden-Clipping-Schaltungen in der modernen Elektronik sind undSignal verarbeitung schaltungen.

Überspannung und Spike-Schutz

Eine der kritischsten Anwendungen für Dioden ausschnitt schaltungen ist die Sicherung empfindlicher elektronischer Komponenten.Mikro controller, Analog-Digital-Wandler (ADCs) und andereDigitale Logik schaltungenKann durch Spannungs spitzen oder elektro statische Entladung (ESD) leicht beschädigt werden. Eine einfache Clipper-Schaltung bietet einen robusten Überspannung schutz.

Die Schaltung arbeitet, indem die Eingangs spannung auf ein sicheres Niveau geklemmt wird. Wenn ein eingehendes Signal den Schwellen wert der Diode übers ch reitet, leitet und leitet die Diode die übers chüssige Energie vom empfindlichen Eingangs stift weg. Diese spannungs begrenzende Anwendung ist entscheidend für die Zuverlässigkeit des Geräts. Zum Schutz eines Mikro controller eingangs wählen Ingenieure häufig bestimmte Arten von Dioden.

• TVS-Dioden:Transiente Spannungs unterdrückung dioden sind eine beliebte Wahl. Sie werden häufig mit einem Serien widerstand zwischen der Diode und dem Mikro controller eingang verwendet.
• Klemmen dioden:Diese sind sehr effektiv, insbesondere bei den in der modernen Elektronik üblichen niedrigeren Versorgungs spannungen.
• Snapback-Dioden:Diese Dioden arbeiten bei niedrigen Spannungen außer gewöhnlich gut.
• Quad-Klemmen-Arrays:Diese integrierten Pakete, die häufig eine TVS-Diode enthalten, bieten eine kosten günstige und reichliche Lösung zum Schutz mehrerer Eingangs leitungen.

💡Anmerkung:Schottky-Dioden werden im Allgemeinen nicht für Überspannung schutz anwendungen empfohlen. Ihr Innen widerstand ist höher als bei Standard-PN-Dioden. Während eines Anstiegs trägt ein PN-Übergang den größten Teil des Stroms, wodurch die Schottky-Diode weniger effektiv ist.

Die Implementierung eines robusten Spannungs schutzes ist ein Eckpfeiler des zuverlässigen Produkt designs. Für komplexe Systeme ist die Beschaffung von Komponenten und Lösungen von einem Experten partner der Schlüssel. Zum Beispiel,NovaTechnologie unternehmen (HK) LimitedEin von HiSilicon ausgewiesener (autorisierter) Lösungs partner bietet fortschritt liche Lösungen, die häufig solche geschützten Komponenten enthalten, um die System integrität sicher zustellen.

Audio verzerrung und Wellenform form

In der Welt der Audiosignal verarbeitung sind Dioden ausschnitt schaltungen dafür bekannt, Verzerrung effekte zu erzeugen. Gitarristen verwenden seit Jahrzehnten Pedale, die um diese Schaltkreise herum gebaut sind, um klassische Rock-und Metal-Töne zu erzielen. Die Dioden schneiden absichtlich das Audiosignal von der Gitarre ab und fügen neuen harmonischen Inhalt hinzu, den das menschliche Ohr als Verzerrung oder Overdrive wahrnimmt.

Die Art und Weise, wie die Dioden angeordnet sind, bestimmt den Charakter des Klangs. Dies führt zu zwei Haupttypen von Clipping in Audio anwendungen.

DieVorwärts spannungDer Dioden bestimmt, wann das Clipping beginnt. Ein Clipper mit einer niedrigeren Vorwärts spannung wird zuerst eingreifen. Auf diese Weise können Designer Clipping-Stile mischen. Viele ikonische Gitarren pedale verwenden diese Techniken.

• MXR-Verzerrung
• ProCo RAT
• Chef DS-1
• DOD Overdrive 250

Diese Pedale verwenden unterschied liche Dioden konfigurationen, um ihre Signatur sounds zu erzeugen, was die kreative Kraft von Dioden ausschnitt schaltungen demonstriert.

Amplituden geräusche minderung

Rauschen ist ein häufiges Problem in Signal verarbeitung schaltungen. Unerwünschte Niederspannung schwankungen können ein nützliches Signal von a korrumpierenSensorOder andere Eingangs quelle. Ein Dioden schneider bietet eine einfache Möglichkeit, dies zu entfernenAmplituden rauschen.

Ingenieure können eine Schaltung einrichten, um jeden Teil des Eingangs signals abzuschneiden, der unter eine bestimmte positive Spannung fällt oder über eine bestimmte negative Spannung steigt. Dies erzeugt eine "tote Zone", in der Geräusche auf niedrigem Niveau einfach von der Ausgabe abgeschnitten werden. Dies ist eine gängige Technik inSignal konditionierung anwendungen. Es ermöglicht einem Ingenieur, ein Signal zu bereinigen, bevor es die nächste Stufe einer Schaltung erreicht.

Diese Methode ist effektiv, beinhaltet jedoch einen Kompromiss. Die Schaltung entfernt das Rauschen, entfernt aber auch jeden Teil des gewünschten Signals, der in denselben Spannungs bereich fällt. Die endgültige Ausgabe ist sauberer, aber leicht verändert.

AM Funksignal Demodulation

Eine klassische Anwendung von Dioden clipping ist in AM-Funke mp fängern. Ein AM-Funksignal besteht aus einer Hochfrequenz trägerwelle, deren Amplitude durch ein nieder frequentes Audiosignal moduliert wird. Um das Audio zu hören, muss ein Empfänger es aus der Trägerwelle extrahieren.

Eine einfache Dioden schaltung, bekannt als Hüllkurve detektor, erreicht dies. Die Diode fungiert als Halbwellen gleich richter, eine Art Clipper, der die gesamte negative Hälfte des eingehenden AM-Signals entfernt. AKondensatorGlättet dann die verbleibende Ausgabe und verfolgt effektiv die "Hüllkurve" der Trägerwelle. Dieser wieder hergestellte Umschlag ist das ursprüngliche Audiosignal. Diese historische Verwendung zeigt, wie eine einzelne Diode eine wichtige Aufgabe in ausführen kannSignal verarbeitung schaltungen.

DIY Eine einfache Clipping-Schaltung

EinElektronik-EnthusiastKann eine einfache Dioden-Clipping-Schaltung bauen. Dieses Projekt ist eine großartige Möglichkeit zu sehen, wie Dioden funktionieren. Es zeigt, wie sie ein elektrisches Signal ändern können.

Liste der wesentlichen Komponenten

Ein Experimentator braucht ein paar grundlegende Teile, um zu beginnen. Die meisten dieser Komponenten sind in Elektronik-Kits für Anfänger üblich. Eine Person kannFinden Sie sie leicht onlineOder in Elektronik geschäften.

• Dioden:Das sind die Schlüssel komponenten.
  • Standard dioden (wie die 1 N4148) sind perfekt für dieses Projekt.
  • Schottky-Dioden und Zener-Dioden sind weitere Optionen für unterschied liche Clipping-Ebenen.
• Widerstand:Ein Widerstand begrenzt den Strom in der Schaltung. A330 Ohm Widerstand, wie Spark Fun Teilen ummer 11507, Funktioniert gut.
• Kondensatoren:Diese werden für den Basis-Clipper nicht benötigt, sind jedoch für verwandte Schaltkreise nützlich.
  • Keramik kondensatoren
  • Elektrolyt kondensatoren
  • Tantal kondensatoren
• Werkzeuge und Ausrüstung:Ein sicherer und organisierter Arbeitsplatz ist wichtig.
  • Ein Steck brett für den Aufbau der Schaltung ohne Löten.
  • Jumper Drähte, um die Komponenten zu verbinden.
  • Eine Strom versorgung oder ein Signal generator, um das Eingangs signal zu erzeugen.
  • Ein Oszilloskop, um die Eingangs-und Ausgangs wellenformen zu sehen.

Einen Shunt Clipper zusammenbauen

Der Bau eines Shunt-Clippers ist unkompliziert. Der Bauherr soll nach einemSchematisches DiagrammUm die Komponenten korrekt auf dem Steck brett zu platzieren.

1. Platzieren Sie den Widerstand:Verbinden Sie den Widerstand zwischen der Eingangs signalquelle und der Ausgangs leitung.
2. Verbinden Sie die Diode:Platzieren Sie eine der Dioden parallel zum Ausgang. Ein Ende verbindet sich mit der Ausgangs leitung und das andere mit dem Boden. Die Richtung der Diode bestimmt, ob sie den positiven oder negativen Teil des Signals klemmt.
3. Stellen Sie Energie zur Verfügung:Verwenden Sie Jumper-Drähte, um die Strom versorgung oder den Signal generator an den Eingang der Schaltung anzuschließen.
4. Verbinden Sie den Ausgang:Verbinden Sie den Ausgang der Schaltung mit einem Oszilloskop, um das Ergebnis zu messen.

Testen des Output Ihres Schaltkreises

Ein Oszilloskop ist das beste Werkzeug zum Testen der Schaltung. EsZeigt Spannung auf der vertikalen (Y) Achse und Zeit auf der horizontalen (X) Achse.

Ein Builder kann das Eingangs signal mit dem abgeschnittenen Ausgang vergleichen. Der Eingang sollte eine saubere Sinus welle sein. Das Oszilloskop zeigt das abgeschnittene Ausgangs signal mit abgeflachten Spitzen an. Die flache Oberseite zeigt, wo die Diode eingesc haltet und die Spannung begrenzt ist. Diese visuelle Bestätigung beweist, dass die Schaltung funktioniert. DieAusgangs signal wird eher wie eine Rechteck welle aussehenWenn der Ausschnitt stark ist. Dieser Test zeigt deutlich, wie Dioden ein Signal formen können.

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Diode Clipping Schaltungen sind ein leistungs fähiges und einfaches Werkzeug für jeden Elektronik-Enthusiasten. Diese einfachen Signal verarbeitung schaltungen bieten wichtige Vorteile. Dioden-Clipping-Schaltungen schützen Komponenten vor Beschädigungen. Sie bereinigen auch ein lautes Signal. Schließlich erzeugen Dioden ausschnitt schaltungen einzigartige Audio effekte. Die einfache Dioden-Clipping-Schaltung ist sehr vielseitig.

Ein Experimentator kann untersuchen, wie verschiedene Dioden ein Signal formen.

• Testen Sie verschiedene Dioden wie Silizium, Zener (z. B. 20v 1 N4747A) oder Schalt dioden (z. B. 1 N914)..
• Vergleichen Sie symmetrische und asymmetrische Clipping-Anordnungen.
• Verwenden Sie Schalter zu A/B-Test verschiedene Konfigurationen.

FAQ

Was ist der Haupt unterschied zwischen Serien-und Shunt-Clippers?

Ein Serien clipper stellt die Diode in Einklang mit dem Ausgang. Es passiert oder blockiert das gesamte Signal. Ein Shunt Clipper platziert die Diode parallel zum Ausgang. Es leitet übers chüssigen Strom vom Ausgang ab, was bei der Signal formung häufiger vorkommt.

Warum geht mein abgeschnittter Ausgang nicht auf Null Volt?

Eine echte Diode benötigt eine kleine positive Spannung zum Einschalten. Dies ist der Vorwärts spannungs abfall (etwa 0,7 V für Silizium). Das Ausgangs signal wird bei diesem Spannungs pegel abgeschnitten, nicht bei einer perfekten Null-Volt. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu einem idealen Modell.

Kann jede Diode in einer Clipping-Schaltung arbeiten?

Unterschied liche Dioden erzeugen unterschied liche Effekte. Eine Standard-Silizium diode (1 N4148) eignet sich hervorragend für den allgemeinen Gebrauch. Eine Zenerdiode ermöglicht das Clipping bei bestimmten, höheren Spannungen. Eine Germanium diode hat eine niedrigere Vorwärts spannung, die die Abschneid schwelle und den daraus resultierenden Ton in Audio schaltungen ändert.

Wie schneide ich sowohl positive als auch negative Signals pitzen ab?

Ein Ingenieur kann beide Peaks mit zwei abschneidenDiodenParallel, in entgegen gesetzte Richtungen. Dadurch entsteht ein symmetrisches Clipping. Beispiels weise clipst eine Diode den positiven Halb zyklus bei 0,7 V, während die zweite Diode den negativen Halb zyklus bei-0,7 V clipst.