Κατά το σχεδιασμό ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, είναι συνήθως απαραίτητη η ενίσχυση σημάτων αυξάνοντας το πλάτος ή την ισχύ τους. Υπάρχουν όμως περιπτώσεις όπου η στάθμη του σήματος πρέπει να μειωθεί. Και το έργο αυτό δεν είναι τόσο εύκολο όσο φαίνεται εκ πρώτης όψεως.
Περιεχόμενα
Τι είναι ένας εξασθενητής και πώς λειτουργεί
Ένας εξασθενητής είναι μια συσκευή που χρησιμοποιείται για να μειώσει σκόπιμα και κανονικά το πλάτος ή την ισχύ ενός σήματος εισόδου χωρίς να επηρεάζει το σχήμα του.
Η αρχή των εξασθενητών που χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές ραδιοσυχνοτήτων είναι η εξής Διαιρέτης τάσης σε αντιστάσεις ή πυκνωτές. Το σήμα εισόδου κατανέμεται μεταξύ των αντιστάσεων ανάλογα με τις αντιστάσεις. Η απλούστερη λύση είναι ένας διαιρέτης δύο αντιστάσεων. Ένας τέτοιος εξασθενητής ονομάζεται εξασθενητής σχήματος L (L-shaped στην ξένη τεχνική βιβλιογραφία). Η είσοδος και η έξοδος μπορεί να είναι οποιαδήποτε πλευρά αυτής της ασύμμετρης διάταξης. Ένας εξασθενητής τύπου L χαρακτηρίζεται από χαμηλή απώλεια στην προσαρμογή εισόδου/εξόδου.
Τύποι εξασθενητών
Στην πράξη, ο εξασθενητής τύπου L χρησιμοποιείται λιγότερο συχνά, κυρίως για την προσαρμογή των αντιστάσεων εισόδου και εξόδου. Πολύ πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες για την κανονικοποιημένη εξασθένηση των σημάτων είναι οι διατάξεις τύπου Ρ (Pi στην ξένη βιβλιογραφία από το λατινικό γράμμα π) και τύπου Τ. Αυτή η αρχή καθιστά δυνατή τη δημιουργία συσκευών με την ίδια αντίσταση εισόδου και εξόδου (αλλά μπορούν να χρησιμοποιηθούν και διαφορετικές αν χρειαστεί).
Η εικόνα δείχνει ασύμμετρες συσκευές. Η πηγή και το φορτίο σε αυτά πρέπει να συνδεθούν με ασύμμετρες γραμμές - ομοαξονικά καλώδια κ.λπ. εκατέρωθεν.
Για συμμετρικές γραμμές (συνεστραμμένο ζεύγος κ.λπ.), χρησιμοποιούνται συμμετρικά κυκλώματα - αυτά ονομάζονται μερικές φορές εξασθενητές τύπου Η και Ο, αν και πρόκειται απλώς για παραλλαγές των προηγούμενων συσκευών.
Με την προσθήκη μιας (δύο) αντίστασης, ο εξασθενητής τύπου Τ- (Η-) μετατρέπεται σε τύπο γέφυρας.
Οι εξασθενητές διατίθενται βιομηχανικά ως πλήρεις συσκευές με συνδέσμους για σύνδεση, αλλά μπορούν επίσης να κατασκευαστούν σε μια πλακέτα PCB ως μέρος ενός γενικού κυκλώματος. Οι αντιστασιακοί και χωρητικοί εξασθενητές έχουν ένα σημαντικό πλεονέκτημα - δεν περιέχουν μη γραμμικά στοιχεία, τα οποία δεν παραμορφώνουν το σήμα ούτε προκαλούν την εμφάνιση νέων αρμονικών στο φάσμα και την εξαφάνιση των υπαρχόντων.
Εκτός από τους εξασθενητές αντίστασης υπάρχουν και άλλοι τύποι εξασθενητών. Συνήθως χρησιμοποιούνται σε βιομηχανικές εφαρμογές:
- Περιοριστικοί και πολωτικοί εξασθενητές - με βάση τις δομικές ιδιότητες των κυματοδηγών,
- Απορροφητικοί εξασθενητές - η εξασθένηση του σήματος προκαλείται από την απορρόφηση της ισχύος από ειδικά επιλεγμένα υλικά,
- οπτικοί εξασθενητές,
Αυτοί οι τύποι συσκευών χρησιμοποιούνται στην τεχνολογία μικροκυμάτων και στην περιοχή συχνοτήτων φωτός. Σε χαμηλές και ραδιοσυχνότητες χρησιμοποιούνται εξασθενητές που βασίζονται σε αντιστάσεις και πυκνωτές.
Κύρια χαρακτηριστικά
Ο συντελεστής εξασθένησης είναι η κύρια παράμετρος που καθορίζει τις ιδιότητες των εξασθενητών. Αυτό μετράται σε ντεσιμπέλ. Για να καταλάβετε πόσες φορές μειώνεται το πλάτος του σήματος αφού περάσει από το κύκλωμα εξασθένησης, πρέπει να μετατρέψετε τον παράγοντα από ντεσιμπέλ σε φορές. Η έξοδος μιας συσκευής που μειώνει το πλάτος του σήματος κατά Ν ντεσιμπέλ, θα είναι Μ φορές χαμηλότερη:
M=10(N/20) (για ισχύ M=10(N/10)) .
Αντίστροφος επανυπολογισμός:
N=20⋅log10(M) (για ισχύ N=10⋅log10(M)).
Έτσι, για έναν εξασθενητή με Kosl=-3 dB (πάντα αρνητικός συντελεστής, αφού η τιμή μειώνεται πάντα) το σήμα εξόδου θα έχει πλάτος 0,708 του αρχικού. Και αν το πλάτος εξόδου είναι το μισό του αρχικού πλάτους, τότε το Kosl είναι περίπου -6dB.
Οι τύποι είναι αρκετά περίπλοκοι για να τους υπολογίσετε με το μυαλό σας, γι' αυτό είναι προτιμότερο να χρησιμοποιήσετε ηλεκτρονικές αριθμομηχανές, από τις οποίες υπάρχουν πολλές στο Διαδίκτυο.
Για ρυθμιζόμενες συσκευές (βαθμιδωτές ή ομαλές), καθορίζονται τα όρια ρύθμισης.
Μια άλλη σημαντική παράμετρος είναι η σύνθετη αντίσταση της εισόδου και της εξόδου (μπορεί να είναι η ίδια). Σε σχέση με αυτή τη σύνθετη αντίσταση υπάρχει ένα χαρακτηριστικό όπως ο λόγος στάσιμων κυμάτων (Standing Wave Ratio - SWR), ο οποίος συχνά αναγράφεται στα προϊόντα που κατασκευάζονται στο εμπόριο. Για ένα αμιγώς ενεργό φορτίο αυτό υπολογίζεται σύμφωνα με τον τύπο:
- VSW=ρ/R εάν ρ>R, όπου R είναι η αντίσταση φορτίου και ρ είναι η αντίσταση γραμμής.
- VSW= R/ρ εάν ρ
Το VSW είναι πάντα μεγαλύτερο ή ίσο του 1. Εάν R=ρ, όλη η ισχύς μεταφέρεται στο φορτίο. Όσο περισσότερο διαφέρουν αυτές οι τιμές, τόσο μεγαλύτερη είναι η απώλεια. Για παράδειγμα, σε VSW=1,2, το 99% της ισχύος φτάνει στο φορτίο, ενώ σε VSW=3, το 75% φτάνει στο φορτίο. Εάν ένας εξασθενητής 75 Ω συνδεθεί σε καλώδιο 50 Ω (ή αντίστροφα), το VSW=1,5 και η απώλεια θα είναι 4%.
Άλλα σημαντικά χαρακτηριστικά που πρέπει να αναφερθούν είναι:
- εύρος συχνοτήτων λειτουργίας,
- μέγιστη ισχύς.
Η ακρίβεια είναι επίσης σημαντική, καθώς αναφέρεται στην επιτρεπόμενη απόκλιση της εξασθένησης από την ονομαστική εξασθένηση. Για τους βιομηχανικούς εξασθενητές τα χαρακτηριστικά αναγράφονται στο περίβλημα.
Σε ορισμένες περιπτώσεις, η ισχύς της συσκευής είναι σημαντική. Η ενέργεια που δεν φτάνει στον καταναλωτή διαχέεται στα στοιχεία του εξασθενητή, οπότε είναι κρίσιμο να μην υπερφορτώνεται.
Υπάρχουν τύποι για τον υπολογισμό των βασικών χαρακτηριστικών των εξασθενητών αντίστασης διαφόρων σχεδίων, αλλά είναι δυσκίνητοι και περιέχουν λογαρίθμους. Επομένως, χρειάζεστε τουλάχιστον μια αριθμομηχανή για να τις χρησιμοποιήσετε. Ως εκ τούτου, είναι πιο βολικό να χρησιμοποιείτε ειδικά προγράμματα (συμπεριλαμβανομένων των διαδικτυακών) για τον αυτοϋπολογισμό.
Ρυθμιζόμενοι εξασθενητές
Ο συντελεστής εξασθένησης και το VSW επηρεάζεται από την ονομαστική τιμή όλων των στοιχείων που συνθέτουν τον εξασθενητή, οπότε κατασκευάστε συσκευές με αντιστάσεις με συνεχώς ρυθμιζόμενες παραμέτρους είναι δύσκολο να δημιουργηθεί. Αλλάζοντας την εξασθένηση, πρέπει να προσαρμοστεί το VSWR και αντίστροφα. Τέτοια προβλήματα μπορούν να επιλυθούν με τη χρήση ενισχυτών με κέρδος μικρότερο του 1.
Οι συσκευές αυτές κατασκευάζονται με τρανζίστορ ή OP-AMPSαλλά η γραμμικότητα είναι ένα πρόβλημα. Δεν είναι εύκολο να κατασκευαστεί ένας ενισχυτής που να μην παραμορφώνει την κυματομορφή σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων. Πολύ πιο συνηθισμένος είναι ο κλιμακωτός έλεγχος - οι εξασθενητές συνδέονται σε σειρά και η εξασθένηση προστίθεται μαζί. Τα κυκλώματα που πρέπει να εξασθενήσουν παρακάμπτονται (επαφές ρελέ κ.λπ.). Έτσι, επιτυγχάνεται ο απαιτούμενος συντελεστής εξασθένησης χωρίς να αλλάζει η αντίσταση του κύματος.
Υπάρχουν σχέδια εξασθενητών με αδιαβάθμητο έλεγχο που βασίζονται σε ευρυζωνικούς μετασχηματιστές (BFT). Χρησιμοποιούνται σε ερασιτεχνικές εφαρμογές επικοινωνιών όπου οι απαιτήσεις προσαρμογής εισόδου/εξόδου είναι χαμηλές.
Ο ομαλός συντονισμός των κυματοδηγών εξασθένησης επιτυγχάνεται με την αλλαγή των γεωμετρικών διαστάσεων. Διατίθενται επίσης οπτικοί εξασθενητές με ομαλή ρύθμιση της εξασθένησης, αλλά οι συσκευές αυτές έχουν αρκετά περίπλοκο σχεδιασμό, καθώς περιέχουν ένα σύστημα φακών, οπτικών φίλτρων κ.λπ.
Εφαρμογές
Εάν ένας εξασθενητής έχει διαφορετικές σύνθετες αντιστάσεις εισόδου και εξόδου, τότε, εκτός από τη λειτουργία της εξασθένησης, μπορεί να επιτελέσει το ρόλο μιας διάταξης προσαρμογής. Για παράδειγμα, εάν πρόκειται να συνδεθούν ένα καλώδιο 75 Ω και ένα καλώδιο 50 Ω, μπορεί να τοποθετηθεί μεταξύ τους ένα καλώδιο κατάλληλης ονομαστικής διαβάθμισης και να διορθωθεί ο βαθμός προσαρμογής μαζί με την κανονικοποιημένη εξασθένηση.
Στις εφαρμογές λήψης, οι εξασθενητές χρησιμοποιούνται για να αποφευχθεί η υπερφόρτωση των κυκλωμάτων εισόδου με ισχυρές ανεπιθύμητες εκπομπές. Σε ορισμένες περιπτώσεις, η εξασθένιση ενός σήματος παρεμβολής, ακόμη και ταυτόχρονα με ένα ασθενές χρήσιμο σήμα, μπορεί να βελτιώσει την ποιότητα λήψης μειώνοντας το θόρυβο ενδοδιαμόρφωσης.
Σε εφαρμογές μέτρησης, οι εξασθενητές μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως αποσύνδεση - μειώνουν την επίδραση του φορτίου στην πηγή σήματος αναφοράς. Οι οπτικοί εξασθενητές χρησιμοποιούνται ευρέως στη δοκιμή εξοπλισμού σύνδεσης οπτικών ινών εκπομπής/λήψης. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την προσομοίωση της εξασθένησης μιας πραγματικής γραμμής και τον προσδιορισμό των συνθηκών και των ορίων μιας σταθερής σύνδεσης.
Στη μηχανική ήχου, οι εξασθενητές χρησιμοποιούνται ως συσκευές ελέγχου ισχύος. Σε αντίθεση με τα ποτενσιόμετρα, το κάνουν αυτό με μικρότερη απώλεια ισχύος. Εδώ, είναι ευκολότερο να διασφαλιστεί η ομαλή ρύθμιση, καθώς η αντίσταση του κύματος δεν έχει σημασία - η εξασθένηση είναι αυτή που μετράει. Στα καλωδιακά τηλεοπτικά δίκτυα, οι εξασθενητές εξαλείφουν την υπερφόρτωση των τηλεοπτικών εισόδων και επιτρέπουν τη διατήρηση της ποιότητας μετάδοσης ανεξάρτητα από τις συνθήκες λήψης.
Καθώς δεν είναι η πιο πολύπλοκη διάταξη, οι εξασθενητές βρίσκουν την ευρύτερη εφαρμογή σε κυκλώματα ραδιοσυχνοτήτων και επιτρέπουν ποικίλες εφαρμογές. Στις μικροκυματικές και οπτικές συχνότητες, οι συσκευές αυτές κατασκευάζονται με διαφορετικό τρόπο και αποτελούν πολύπλοκα βιομηχανικά συγκροτήματα.
Σχετικά άρθρα:
