Cuando se diseñan circuitos electrónicos, suele ser necesario amplificar las señales aumentando su amplitud o potencia. Pero hay situaciones en las que es necesario disminuir el nivel de la señal. Y esta tarea no es tan fácil como parece a primera vista.
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Qué es un atenuador y cómo funciona
Un atenuador es un dispositivo que se utiliza para reducir deliberada y normalmente la amplitud o la potencia de una señal de entrada sin afectar a su forma.
El principio de los atenuadores utilizados en las aplicaciones de radiofrecuencia es Divisor de tensión en resistencias o condensadores. La señal de entrada se distribuye entre las resistencias en proporción a las mismas. La solución más sencilla es un divisor de dos resistencias. Un atenuador de este tipo se denomina atenuador en forma de L (L-shaped en la literatura técnica extranjera). La entrada y la salida pueden ser cualquier lado de este dispositivo asimétrico. Un atenuador de tipo L se caracteriza por una baja pérdida en la adaptación de entrada/salida.
Tipos de atenuadores
En la práctica, el atenuador de tipo L se utiliza con menos frecuencia, principalmente para igualar las impedancias de entrada y salida. Mucho más utilizados para la atenuación normalizada de las señales son los dispositivos de tipo P (Pi en la literatura extranjera de la letra latina π) y de tipo T. Este principio permite crear dispositivos con la misma impedancia de entrada y de salida (pero se pueden utilizar otras diferentes si es necesario).
La ilustración muestra dispositivos asimétricos. La fuente y la carga deben conectarse con líneas desequilibradas - cables coaxiales, etc., a ambos lados.
Para las líneas simétricas (par trenzado, etc.) se utilizan circuitos simétricos, que a veces se denominan atenuadores de tipo H y O, aunque no son más que variaciones de los dispositivos anteriores.
Añadiendo una (dos) resistencias, los atenuadores tipo T (H) se convierten en tipo puente.
Los atenuadores están disponibles industrialmente como dispositivos completos con conectores para su conexión, pero también pueden fabricarse en una placa de circuito impreso como parte de un circuito general. Los atenuadores resistivos y capacitivos tienen una gran ventaja: no contienen elementos no lineales, lo que no distorsiona la señal ni provoca la aparición de nuevos armónicos en el espectro y la desaparición de los existentes.
Además de los atenuadores resistivos, existen otros tipos de atenuadores. Se utilizan habitualmente en aplicaciones industriales:
- Atenuadores limitadores y polarizadores - basados en las propiedades estructurales de las guías de ondas;
- Atenuadores absorbentes: la atenuación de la señal se debe a la absorción de la potencia por parte de materiales especialmente seleccionados;
- atenuadores ópticos;
Este tipo de dispositivos se utilizan en la tecnología de microondas y en la gama de frecuencias de la luz. En las frecuencias bajas y de radio, se utilizan atenuadores basados en resistencias y condensadores.
Principales características
El coeficiente de atenuación es el principal parámetro que determina las propiedades de los atenuadores. Se mide en decibelios. Para saber cuántas veces disminuye la amplitud de la señal tras pasar por el circuito atenuador, hay que convertir el factor de decibelios a veces. La salida de un dispositivo que reduce la amplitud de la señal en N decibelios, será M veces menor:
M=10(N/20) (para una potencia M=10(N/10)) .
Recálculo inverso:
N=20⋅log10(M) (para una potencia N=10⋅log10(M)).
Así, para un atenuador con Kosl=-3 dB (siempre un coeficiente negativo ya que el valor es siempre decreciente) la señal de salida tendrá una amplitud de 0,708 de la original. Y si la amplitud de salida es la mitad de la amplitud original, entonces el Kosl es aproximadamente -6dB.
Las fórmulas son bastante complicadas de calcular mentalmente, así que es mejor utilizar calculadoras online, de las que hay muchas en Internet.
Para los dispositivos ajustables (escalonados o suaves), se especifican los límites de ajuste.
Otro parámetro importante es la impedancia de la entrada y la salida (pueden ser iguales). En relación con esta impedancia existe una característica como la relación de onda estacionaria (ROE), que suele indicarse en los productos fabricados comercialmente. Para una carga puramente activa se calcula según la fórmula:
- VSW=ρ/R si ρ>R, donde R es la resistencia de la carga y ρ es la impedancia de la línea.
- VSW= R/ρ si ρ
El VSW es siempre mayor o igual a 1. Si R=ρ, toda la potencia se transfiere a la carga. Cuanto más difieran estos valores, mayor será la pérdida. Por ejemplo, con VSW=1,2, el 99% de la potencia llega a la carga, mientras que con VSW=3, el 75% llega a la carga. Si conectas un atenuador de 75 ohmios a un cable de 50 ohmios (o viceversa) el VSW=1,5 y la pérdida será del 4%.
Otras características importantes a mencionar son:
- gama de frecuencias de funcionamiento;
- máxima potencia.
La precisión también es importante, ya que se refiere a la desviación admisible de la atenuación con respecto al valor nominal. En el caso de los atenuadores industriales, las características están impresas en la carcasa.
En algunos casos, la potencia del dispositivo es importante. La energía que no llega al consumidor se disipa en los elementos del atenuador, por lo que es fundamental no sobrecargarlo.
Existen fórmulas para calcular las características básicas de los atenuadores resistivos de diversos diseños, pero son engorrosas y contienen logaritmos. Por lo tanto, se necesita al menos una calculadora para utilizarlos. Por lo tanto, es más conveniente utilizar programas especiales (incluso en línea) para el autocálculo.
Atenuadores ajustables
El coeficiente de atenuación y el VSW se ven afectados por la clasificación de todos los elementos que componen el atenuador, por lo que hay que construir dispositivos con resistencias con parámetros continuamente ajustables es difícil de crear. Al cambiar la atenuación, hay que ajustar la VSWR y viceversa. Estos problemas pueden resolverse utilizando amplificadores con una ganancia inferior a 1.
Estos dispositivos se construyen con transistores o OP-AMPSpero la linealidad es un problema. No es fácil construir un amplificador que no distorsione la forma de onda en una amplia gama de frecuencias. Mucho más común es el control escalonado: los atenuadores se conectan en serie y la atenuación se suma. Los circuitos que necesitan ser atenuados se puentean (contactos de relé etc.). Así, el factor de atenuación requerido se obtiene sin cambiar la impedancia de la onda.
Existen diseños de atenuadores con control continuo basados en transformadores de banda ancha (BFT). Se utilizan en aplicaciones de comunicaciones de aficionados en las que los requisitos de adaptación de entrada/salida son bajos.
El ajuste suave de los atenuadores de guía de ondas se consigue cambiando las dimensiones geométricas. También existen atenuadores ópticos con ajuste suave de la atenuación, pero estos dispositivos tienen un diseño bastante complicado, ya que contienen un sistema de lentes, filtros ópticos, etc.
Aplicaciones
Si un atenuador tiene diferentes impedancias de entrada y salida, además de la función de atenuación, puede desempeñar el papel de dispositivo de adaptación. Por ejemplo, si se van a conectar un cable de 75 ohmios y otro de 50 ohmios, se puede colocar entre ellos uno con la clasificación adecuada y corregir el grado de adaptación junto con la atenuación normalizada.
En las aplicaciones de recepción, los atenuadores se utilizan para evitar la sobrecarga de los circuitos de entrada con potentes emisiones espurias. En algunos casos, la atenuación de una señal interferente, incluso simultáneamente con una señal útil débil, puede mejorar la calidad de la recepción al reducir el ruido de intermodulación.
En las aplicaciones de medición, los atenuadores pueden utilizarse como desacoplamiento: reducen la influencia de la carga en la fuente de la señal de referencia. Los atenuadores ópticos se utilizan ampliamente en las pruebas de los equipos de enlace de fibra óptica de transmisión/recepción. Se utilizan para simular la atenuación en una línea real y determinar las condiciones y los límites de un enlace estable.
En la ingeniería de audio, los atenuadores se utilizan como dispositivos de control de potencia. A diferencia de los potenciómetros, lo hacen con menos pérdida de potencia. En este caso, es más fácil garantizar una regulación suave, ya que la impedancia de la onda no importa, lo que cuenta es la atenuación. En las redes de televisión por cable, los atenuadores eliminan la sobrecarga de las entradas de televisión y permiten mantener la calidad de la transmisión independientemente de las condiciones de recepción.
Al no ser el dispositivo más complejo, los atenuadores son los que más se utilizan en los circuitos de radiofrecuencia y permiten una gran variedad de aplicaciones. En las frecuencias de microondas y ópticas, estos dispositivos se construyen de forma diferente y son montajes industriales complejos.
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