Při návrhu elektronických obvodů je obvykle nutné zesílit signály zvýšením jejich amplitudy nebo výkonu. Existují však situace, kdy je třeba úroveň signálu snížit. A tento úkol není tak snadný, jak se na první pohled zdá.
Obsah
Co je atenuátor a jak funguje
Atenuátor je zařízení, které se používá k záměrnému a běžnému snížení amplitudy nebo výkonu vstupního signálu, aniž by byl ovlivněn jeho tvar.
Princip atenuátorů používaných v radiofrekvenčních aplikacích je následující. Dělič napětí v rezistorech nebo kondenzátorech. Vstupní signál se rozdělí mezi rezistory v poměru k jejich odporům. Nejjednodušším řešením je dělič dvou rezistorů. Takový atenuátor se nazývá atenuátor ve tvaru písmene L (v zahraniční technické literatuře L-shaped). Vstupem a výstupem může být libovolná strana tohoto asymetrického zařízení. Atenuátor typu L se vyznačuje nízkými ztrátami při přizpůsobení vstupu a výstupu.
Typy atenuátorů
V praxi se atenuátor typu L používá méně často, a to hlavně pro přizpůsobení vstupní a výstupní impedance. Mnohem rozšířenější jsou pro normalizovaný útlum signálů zařízení typu P (v zahraniční literatuře Pi z latinského písmene π) a T. Tento princip umožňuje vytvářet zařízení se stejnou vstupní a výstupní impedancí (v případě potřeby však lze použít různé).
Na obrázku jsou zobrazena asymetrická zařízení. Zdroj a zátěž k nim musí být připojeny nesymetrickými vedeními - koaxiálními kabely apod. na obou stranách.
Pro symetrická vedení (kroucená dvojlinka apod.) se používají symetrické obvody - někdy se nazývají atenuátory typu H a O, i když se jedná pouze o varianty předchozích zařízení.
Přidáním jednoho (dvou) rezistorů se z atenuátorů typu T (H) stanou atenuátory můstkového typu.
Tlumiče jsou průmyslově dostupné jako kompletní zařízení s konektory pro připojení, ale lze je také vyrobit na desce plošných spojů jako součást obecného obvodu. Odporové a kapacitní atenuátory mají velkou výhodu - neobsahují žádné nelineární prvky, což nezkresluje signál ani nezpůsobuje, že by se ve spektru objevovaly nové harmonické a mizely ty stávající.
Kromě odporových atenuátorů existují i další typy atenuátorů. V průmyslových aplikacích se běžně používají:
- Omezující a polarizační atenuátory - založené na strukturálních vlastnostech vlnovodů;
- Absorpční atenuátory - útlum signálu je způsoben absorpcí výkonu speciálně vybranými materiály;
- optické atenuátory;
Tyto typy zařízení se používají v mikrovlnné technologii a v oblasti světelných frekvencí. Na nízkých a rádiových frekvencích se používají atenuátory na bázi rezistorů a kondenzátorů.
Hlavní charakteristiky
Koeficient útlumu je hlavním parametrem určujícím vlastnosti atenuátorů. Měří se v decibelech. Chcete-li pochopit, kolikrát se amplituda signálu sníží po průchodu útlumovým obvodem, musíte převést činitel z decibelů na násobky. Výstup zařízení, které sníží amplitudu signálu o N decibelů, bude Mkrát nižší:
M=10(N/20) (pro výkon M=10(N/10)) .
Inverzní přepočet:
N=20⋅log10(M) (pro výkon N=10⋅log10(M)).
Takže pro atenuátor s Kosl=-3 dB (vždy záporný koeficient, protože hodnota vždy klesá) bude mít výstupní signál amplitudu 0,708 původního signálu. A pokud je výstupní amplituda poloviční oproti původní amplitudě, pak je Kosl přibližně -6 dB.
Vzorce je poměrně složité vypočítat z hlavy, proto je lepší použít online kalkulačky, kterých je na internetu mnoho.
U nastavitelných přístrojů (stupňovitých nebo plynulých) jsou uvedeny meze nastavení.
Dalším důležitým parametrem je impedance vstupu a výstupu (mohou být stejné). S touto impedancí souvisí charakteristika, jako je poměr stojatých vln (SWR), která je často uváděna na komerčně vyráběných produktech. Pro čistě činnou zátěž se vypočítá podle vzorce:
- VSW=ρ/R, pokud ρ>R, kde R je odpor zátěže a ρ je impedance vedení.
- VSW= R/ρ, pokud ρ
VSW je vždy větší nebo rovna 1. Pokud je R=ρ, veškerý výkon se přenáší do zátěže. Čím více se tyto hodnoty liší, tím větší je ztráta. Například při VSW=1,2 se do zátěže dostane 99 % výkonu, zatímco při VSW=3 se do zátěže dostane 75 %. Pokud připojíte 75ohmový atenuátor k 50ohmovému kabelu (nebo naopak), bude VSW=1,5 a ztráty budou 4 %.
Mezi další důležité funkce patří:
- pracovní frekvenční rozsah;
- maximální výkon.
Důležitá je také přesnost, tedy přípustná odchylka útlumu od jmenovitého útlumu. U průmyslových atenuátorů jsou charakteristiky vytištěny na krytu.
V některých případech je důležitý výkon zařízení. Energie, která se nedostane ke spotřebiči, se rozptýlí v útlumových prvcích, proto je velmi důležité, aby nedošlo k přetížení.
Existují vzorce pro výpočet základních charakteristik odporových atenuátorů různých provedení, ale jsou těžkopádné a obsahují logaritmy. Proto k jejich použití potřebujete alespoň kalkulačku. Proto je vhodnější používat speciální programy (včetně online) pro vlastní výpočet.
Nastavitelné atenuátory
Koeficient útlumu a VSW je ovlivněn jmenovitými hodnotami všech prvků, z nichž se atenuátor skládá, proto stavte zařízení s. rezistory s plynule nastavitelnými parametry je obtížné vytvořit. Změnou útlumu se musí upravit VSWR a naopak. Tyto problémy lze vyřešit použitím zesilovačů se ziskem menším než 1.
Tato zařízení jsou vybavena tranzistory nebo OP-AMPSale linearita je problém. Není snadné sestrojit zesilovač, který nezkresluje průběh v širokém frekvenčním rozsahu. Mnohem běžnější je stupňovitá regulace - atenuátory jsou zapojeny do série a útlum se sčítá. Obvody, které je třeba utlumit, jsou obcházeny (kontakty relé atd.). Požadovaného činitele útlumu se tak dosáhne beze změny vlnové impedance.
Existují konstrukce atenuátorů s plynulou regulací založené na širokopásmových transformátorech (BFT). Používají se v amatérských komunikačních aplikacích, kde jsou nízké požadavky na sladění vstupů a výstupů.
Plynulého ladění vlnovodných atenuátorů se dosahuje změnou geometrických rozměrů. K dispozici jsou také optické atenuátory s plynulým nastavením útlumu, ale tato zařízení mají poměrně složitou konstrukci, protože obsahují soustavu čoček, optických filtrů atd.
Aplikace
Pokud má atenuátor různou vstupní a výstupní impedanci, může kromě funkce útlumu plnit i funkci přizpůsobovacího zařízení. Například pokud mají být propojeny kabely 75 ohmů a 50 ohmů, lze mezi ně umístit vhodně dimenzovaný kabel a korigovat stupeň přizpůsobení spolu s normalizovaným útlumem.
V přijímacích aplikacích se používají atenuátory, aby se zabránilo přetížení vstupních obvodů silným rušivým vyzařováním. V některých případech může útlum rušivého signálu i současně se slabým užitečným signálem zlepšit kvalitu příjmu snížením intermodulačního šumu.
V měřicích aplikacích lze atenuátory použít jako oddělovače - snižují vliv zátěže na zdroj referenčního signálu. Optické atenuátory se široce používají při testování vysílacích/přijímacích zařízení optických spojů. Používají se k simulaci útlumu v reálném vedení a ke stanovení podmínek a mezí stabilního spojení.
Ve zvukové technice se atenuátory používají jako zařízení pro regulaci výkonu. Na rozdíl od potenciometrů to dělají s menšími ztrátami energie. Zde je snazší zajistit plynulou regulaci, protože na vlnové impedanci nezáleží - důležitý je útlum. V televizních kabelových sítích eliminují atenuátory přetížení televizních vstupů a umožňují zachovat kvalitu přenosu bez ohledu na podmínky příjmu.
Protože atenuátory nejsou nejsložitějším zařízením, nacházejí nejširší uplatnění v radiofrekvenčních obvodech a mohou řešit různé problémy. Na mikrovlnných a optických frekvencích jsou tato zařízení konstruována odlišně a jedná se o složité průmyslové sestavy.
Související články:
