Beim Entwurf elektronischer Schaltungen ist es in der Regel erforderlich, Signale zu verstärken, indem man ihre Amplitude oder Leistung erhöht. Es gibt jedoch Situationen, in denen der Signalpegel reduziert werden muss. Und diese Aufgabe ist nicht so einfach, wie es auf den ersten Blick scheint.
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Was ist ein Dämpfungsglied und wie funktioniert es?
Ein Dämpfungsglied ist ein Gerät, das dazu dient, die Amplitude oder Leistung eines Eingangssignals absichtlich und in der Regel ohne Beeinträchtigung seiner Form zu verringern.
Das Prinzip von Dämpfungsgliedern, die in Hochfrequenzanwendungen eingesetzt werden, ist Spannungsteiler in Widerständen oder Kondensatoren. Das Eingangssignal wird im Verhältnis zu den Widerständen auf die Widerstände verteilt. Die einfachste Lösung ist ein Teiler aus zwei Widerständen. Ein solches Dämpfungsglied wird als L-förmiges Dämpfungsglied (in der ausländischen Fachliteratur L-förmig) bezeichnet. Der Eingang und der Ausgang können auf jeder Seite dieses asymmetrischen Geräts liegen. Ein L-Dämpfungsglied zeichnet sich durch einen geringen Verlust bei der Eingangs-/Ausgangsanpassung aus.
Arten von Dämpfungsgliedern
In der Praxis wird das L-Dämpfungsglied seltener verwendet, hauptsächlich zur Anpassung der Eingangs- und Ausgangsimpedanz. Weitaus verbreiteter für die normalisierte Dämpfung von Signalen sind Geräte des Typs P (Pi in der ausländischen Literatur aus dem lateinischen Buchstaben π) und des Typs T. Dieses Prinzip ermöglicht es, Geräte mit der gleichen Eingangs- und Ausgangsimpedanz zu schaffen (bei Bedarf können aber auch unterschiedliche Impedanzen verwendet werden).
Die Abbildung zeigt asymmetrische Geräte. Die Quelle und die Last müssen auf beiden Seiten mit unsymmetrischen Leitungen - Koaxialkabeln usw. - verbunden sein.
Für symmetrische Leitungen (verdrillte Zweidrahtleitungen usw.) werden symmetrische Schaltungen verwendet - diese werden manchmal als H- und O-Dämpfungsglieder bezeichnet, obwohl es sich dabei nur um Abwandlungen der vorherigen Geräte handelt.
Durch Hinzufügen von einem (zwei) Widerstand(en) wird das T- (H-) Dämpfungsglied zu einem Brückentyp.
Dämpfungsglieder sind industriell als komplette Geräte mit Steckverbindern für den Anschluss erhältlich, können aber auch auf einer Leiterplatte als Teil einer allgemeinen Schaltung hergestellt werden. Resistive und kapazitive Dämpfungsglieder haben einen großen Vorteil: Sie enthalten keine nichtlinearen Elemente, wodurch das Signal nicht verzerrt wird und keine neuen Oberwellen im Spektrum auftauchen und bestehende verschwinden.
Neben den ohmschen Dämpfungsgliedern gibt es noch andere Arten von Dämpfungsgliedern. In industriellen Anwendungen werden sie häufig verwendet:
- Begrenzende und polarisierende Dämpfungsglieder - basierend auf den strukturellen Eigenschaften von Wellenleitern;
- Absorbierende Dämpfungsglieder - Die Signaldämpfung wird durch die Absorption der Leistung durch speziell ausgewählte Materialien verursacht;
- optische Dämpfungsglieder;
Diese Arten von Geräten werden in der Mikrowellentechnik und im Lichtfrequenzbereich eingesetzt. Bei niedrigen und Funkfrequenzen werden Dämpfungsglieder auf der Basis von Widerständen und Kondensatoren verwendet.
Wichtigste Merkmale
Der Dämpfungskoeffizient ist der wichtigste Parameter, der die Eigenschaften von Dämpfungsgliedern bestimmt. Dies wird in Dezibel gemessen. Um zu verstehen, um wie viel Mal die Signalamplitude nach dem Durchlaufen des Dämpfungskreises abnimmt, müssen Sie den Faktor von Dezibel in Mal umrechnen. Der Ausgang eines Geräts, das die Signalamplitude um N Dezibel reduziert, wird M-mal niedriger sein:
M=10(N/20) (für Leistung M=10(N/10)) .
Umgekehrte Neuberechnung:
N=20⋅log10(M) (für Leistung N=10⋅log10(M)).
Bei einem Dämpfungsglied mit Kosl=-3 dB (immer ein negativer Koeffizient, da der Wert immer abnimmt) hat das Ausgangssignal also eine Amplitude von 0,708 des Originals. Und wenn die Ausgangsamplitude die Hälfte der ursprünglichen Amplitude beträgt, dann ist der Kosl ungefähr -6dB.
Die Formeln sind recht kompliziert, wenn man sie im Kopf ausrechnen will. Daher ist es besser, Online-Rechner zu verwenden, von denen es im Internet viele gibt.
Bei einstellbaren Geräten (gestuft oder glatt) werden die Einstellgrenzen angegeben.
Ein weiterer wichtiger Parameter ist die Impedanz des Eingangs und des Ausgangs (sie können identisch sein). Mit dieser Impedanz ist eine Eigenschaft wie das Stehwellenverhältnis (Standing Wave Ratio, SWR) verbunden, die häufig auf kommerziell hergestellten Produkten angegeben ist. Für eine reine Wirklast wird dies nach der Formel berechnet:
- VSW=ρ/R wenn ρ>R, wobei R der Lastwiderstand und ρ die Leitungsimpedanz ist.
- VSW= R/ρ, wenn ρ
Das VSW ist immer größer oder gleich 1. Ist R=ρ, wird die gesamte Leistung an die Last übertragen. Je mehr diese Werte voneinander abweichen, desto größer ist der Verlust. Bei VSW=1,2 erreichen beispielsweise 99 % der Leistung die Last, während bei VSW=3 nur 75 % der Leistung die Last erreichen. Wenn Sie ein 75-Ohm-Dämpfungsglied an ein 50-Ohm-Kabel (oder umgekehrt) anschließen, ist der VSW=1,5 und der Verlust beträgt 4 %.
Weitere wichtige Merkmale sind:
- Betriebsfrequenzbereich;
- maximale Leistung.
Auch die Genauigkeit ist wichtig, da sie sich auf die zulässige Abweichung der Dämpfung von der Nenndämpfung bezieht. Bei industriellen Dämpfungsgliedern sind die Kenndaten auf dem Gehäuse aufgedruckt.
In einigen Fällen ist die Leistung des Geräts wichtig. Die Energie, die nicht zum Verbraucher gelangt, wird in den Dämpfungselementen abgeleitet, so dass es wichtig ist, sie nicht zu überlasten.
Es gibt Formeln für die Berechnung der grundlegenden Eigenschaften von Widerstandsdämpfungsgliedern verschiedener Bauarten, aber sie sind umständlich und enthalten Logarithmen. Daher benötigen Sie zumindest einen Taschenrechner, um sie zu benutzen. Daher ist es bequemer, spezielle Programme (auch Online-Programme) zur Selbstberechnung zu verwenden.
Einstellbare Dämpfungsglieder
Der Dämpfungskoeffizient und die VSW werden von der Leistung aller Elemente beeinflusst, aus denen das Dämpfungsglied besteht, daher sollten Sie Geräte mit Widerstände mit stufenlos einstellbaren Parametern ist schwierig zu erstellen. Wird die Dämpfung verändert, muss das VSWR angepasst werden und umgekehrt. Solche Probleme können durch die Verwendung von Verstärkern mit einer Verstärkung von weniger als 1 gelöst werden.
Diese Geräte sind mit Transistoren oder OP-AMPSaber die Linearität ist ein Problem. Es ist nicht einfach, einen Verstärker zu bauen, der die Wellenform über einen breiten Frequenzbereich nicht verzerrt. Viel häufiger ist die stufenweise Steuerung - die Dämpfungsglieder werden in Reihe geschaltet und die Dämpfung addiert. Stromkreise, die gedämpft werden müssen, werden überbrückt (Relaiskontakte usw.). Auf diese Weise wird der erforderliche Dämpfungsfaktor erreicht, ohne den Wellenwiderstand zu verändern.
Es gibt Dämpfungsglieder mit stufenloser Regelung auf der Grundlage von Breitbandtransformatoren (BFT). Sie werden in Amateurfunkanwendungen eingesetzt, bei denen die Anforderungen an die Eingangs-/Ausgangsanpassung gering sind.
Eine gleichmäßige Abstimmung von Hohlleiter-Dämpfungsgliedern wird durch Änderung der geometrischen Abmessungen erreicht. Es gibt auch optische Dämpfungsglieder mit stufenloser Einstellung der Dämpfung, aber diese Geräte sind recht kompliziert aufgebaut, da sie ein System von Linsen, optischen Filtern usw. enthalten.
Anwendungen
Wenn ein Dämpfungsglied unterschiedliche Eingangs- und Ausgangsimpedanzen hat, kann es neben der Funktion der Dämpfung auch die Rolle eines Anpassungsgeräts übernehmen. Wenn z. B. ein 75-Ohm- und ein 50-Ohm-Kabel verbunden werden sollen, kann ein entsprechend bemessenes Kabel dazwischen gelegt werden, und der Anpassungsgrad kann zusammen mit der normierten Dämpfung korrigiert werden.
Bei Empfangsanwendungen werden Dämpfungsglieder eingesetzt, um eine Überlastung der Eingangsschaltungen mit starken Störsignalen zu vermeiden. In einigen Fällen kann die Dämpfung eines Störsignals sogar gleichzeitig mit einem schwachen Nutzsignal die Empfangsqualität verbessern, indem das Intermodulationsrauschen reduziert wird.
Bei Messanwendungen können Dämpfungsglieder als Entkopplung eingesetzt werden - sie reduzieren den Einfluss der Last auf die Referenzsignalquelle. Optische Dämpfungsglieder werden häufig bei der Prüfung von Sende- und Empfangsgeräten für Glasfaserverbindungen eingesetzt. Sie werden verwendet, um die Dämpfung in einer realen Leitung zu simulieren und die Bedingungen und Grenzen einer stabilen Verbindung zu bestimmen.
In der Tontechnik werden Dämpfungsglieder als Leistungsregler eingesetzt. Im Gegensatz zu Potentiometern tun sie dies mit weniger Verlustleistung. Hier ist es einfacher, eine reibungslose Regulierung zu gewährleisten, da der Wellenwiderstand keine Rolle spielt - es kommt auf die Dämpfung an. In TV-Kabelnetzen verhindern Dämpfungsglieder eine Überlastung der TV-Eingänge und ermöglichen die Aufrechterhaltung der Übertragungsqualität unabhängig von den Empfangsbedingungen.
Da Dämpfungsglieder nicht das komplexeste Bauelement sind, finden sie die breiteste Anwendung in Hochfrequenzschaltungen und ermöglichen eine Vielzahl von Anwendungen. Bei Mikrowellen und optischen Frequenzen werden diese Geräte anders gebaut und sind komplexe industrielle Baugruppen.
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