Elektronisia piirejä suunniteltaessa on yleensä tarpeen vahvistaa signaaleja lisäämällä niiden amplitudia tai tehoa. On kuitenkin tilanteita, joissa signaalitasoa on alennettava. Tämä tehtävä ei ole niin helppo kuin miltä se ensi näkemältä näyttää.
Sisältö
Mikä on vaimennin ja miten se toimii?
Vaimennin on laite, jota käytetään tarkoituksellisesti ja normaalisti vähentämään tulosignaalin amplitudia tai tehoa vaikuttamatta sen muotoon.
Radiotaajuussovelluksissa käytettävien vaimenninten periaate on seuraava. Jännitteen jakaja vastuksilla tai kondensaattoreilla. Tulosignaali jakautuu vastusten välillä suhteessa vastuksiin. Yksinkertaisin ratkaisu on kahden vastuksen jakaja. Tällaista vaimenninta kutsutaan L-muotoiseksi vaimenninlaitteeksi (L-muotoinen ulkomaisessa teknisessä kirjallisuudessa). Tulo ja lähtö voivat olla tämän epäsymmetrisen laitteen millä tahansa puolella. L-tyyppiselle vaimennukselle on ominaista vähäinen häviö tulo-/lähtösovituksessa.
Vaimentimien tyypit
Käytännössä L-tyyppistä vaimenninta käytetään harvemmin, lähinnä tulo- ja lähtöimpedanssien sovittamiseen. Paljon yleisempiä signaalien normalisoituun vaimennukseen käytettäviä laitteita ovat P-tyypin (ulkomaisessa kirjallisuudessa Pi, joka tulee latinan π-kirjaimesta) ja T-tyypin laitteet. Tämän periaatteen ansiosta on mahdollista luoda laitteita, joilla on sama tulo- ja lähtöimpedanssi (mutta tarvittaessa voidaan käyttää eri impedansseja).
Kuvassa on epäsymmetrisiä laitteita. Lähde ja kuorma on liitettävä niihin molemmin puolin epätasapainoisilla johdoilla - koaksiaalikaapeleilla jne.
Symmetrisissä linjoissa (kierretty pari jne.) käytetään symmetrisiä piirejä - näitä kutsutaan joskus H- ja O-tyyppisiksi vaimentimiksi, vaikka ne ovatkin vain muunnelmia edellisistä laitteista.
Lisäämällä yksi (kaksi) vastus, T- (H-) tyyppinen vaimennin muuttuu siltatyyppiseksi.
Vaimentimet ovat teollisesti saatavana täydellisinä laitteina, joissa on liittimet liitäntää varten, mutta ne voidaan myös valmistaa piirilevylle osana yleistä piiriä. Resistiivisillä ja kapasitiivisilla vaimentimilla on suuri etu - ne eivät sisällä epälineaarisia elementtejä, mikä ei vääristä signaalia eikä aiheuta uusien harmonisten yliaaltojen ilmaantumista spektriin ja olemassa olevien häviämistä.
Resistiivisten vaimenninten lisäksi on olemassa muitakin vaimennintyyppejä. Teollisuussovelluksissa käytetään yleisesti:
- Rajoittavat ja polarisoivat vaimentimet - perustuvat aaltojohtimien rakenteellisiin ominaisuuksiin;
- Vaimentimet - signaalin vaimeneminen aiheutuu tehon absorboinnista erityisesti valituissa materiaaleissa;
- optiset vaimentimet;
Tämäntyyppisiä laitteita käytetään mikroaaltotekniikassa ja valotaajuusalueella. Matalilla taajuuksilla ja radiotaajuuksilla käytetään vastuksiin ja kondensaattoreihin perustuvia vaimentimia.
Tärkeimmät ominaisuudet
Vaimennuskerroin on tärkein parametri, joka määrittää vaimentimien ominaisuudet. Tämä mitataan desibeleinä. Jos haluat ymmärtää, kuinka monta kertaa signaalin amplitudi pienenee sen jälkeen, kun se on kulkenut vaimennuspiirin läpi, sinun on muunnettava tekijä desibeleistä kertoimiksi. Sellaisen laitteen ulostulo, joka vähentää signaalin amplitudia N desibeliä, on M kertaa pienempi:
M=10(N/20) (kun teho M=10(N/10)) .
Käänteinen uudelleenlaskenta:
N=20⋅log10(M) (kun teho N=10⋅log).10(M)).
Jos vaimennin on Kosl=-3 dB (aina negatiivinen kerroin, koska arvo pienenee aina), lähtösignaalin amplitudi on 0,708 alkuperäisestä. Ja jos lähtöamplitudi on puolet alkuperäisestä amplitudista, Kosl on noin -6 dB.
Kaavoja on melko monimutkaista laskea päässään, joten on parempi käyttää verkkolaskureita, joita on paljon internetissä.
Säädettäville laitteille (porrastettu tai tasainen) määritetään asetusrajat.
Toinen tärkeä parametri on tulon ja lähdön impedanssi (ne voivat olla samat). Tähän impedanssiin liittyy ominaisuus, kuten seisovan aallon suhde (SWR, Standing Wave Ratio), joka usein ilmoitetaan kaupallisesti valmistetuissa tuotteissa. Puhtaasti aktiivisen kuorman osalta tämä lasketaan kaavalla:
- VSW=ρ/R, jos ρ>R, jossa R on kuorman resistanssi ja ρ on linjan impedanssi.
- VSW= R/ρ, jos ρ
VSW on aina suurempi tai yhtä suuri kuin 1. Jos R=ρ, kaikki teho siirretään kuormaan. Mitä enemmän nämä arvot eroavat toisistaan, sitä suurempi on tappio. Esimerkiksi kun VSW=1,2, 99 % tehosta saavuttaa kuorman, kun taas kun VSW=3, 75 % saavuttaa kuorman. Jos 75 ohmin vaimennin kytketään 50 ohmin kaapeliin (tai päinvastoin), VSW = 1,5 ja häviö on 4 %.
Muita tärkeitä ominaisuuksia ovat:
- toimintataajuusalue;
- maksimiteho.
Tarkkuus on myös tärkeä, sillä sillä tarkoitetaan vaimennuksen sallittua poikkeamaa nimellisvaimennuksesta. Teollisuusvaimentimien ominaisuudet on painettu koteloon.
Joissakin tapauksissa laitteen teho on tärkeä. Energia, joka ei pääse kuluttajalle, haihtuu vaimenninelementteihin, joten on erittäin tärkeää, ettei sitä ylikuormiteta.
Erilaisten resistiivisten vaimenninten perusominaisuuksien laskemiseksi on olemassa kaavoja, mutta ne ovat hankalia ja sisältävät logaritmeja. Siksi niiden käyttämiseen tarvitaan ainakin laskin. Siksi on kätevämpää käyttää erityisiä ohjelmia (myös online-ohjelmia) itselaskentaa varten.
Säädettävät vaimentimet
Vaimennuskertoimeen ja VSW:hen vaikuttaa kaikkien vaimennuksen muodostavien elementtien luokitus, joten rakenna laitteita, joissa on vastukset jonka parametrit ovat jatkuvasti säädettävissä, on vaikea luoda. Kun vaimennusta muutetaan, VSWR:ää on säädettävä ja päinvastoin. Tällaiset ongelmat voidaan ratkaista käyttämällä vahvistimia, joiden vahvistus on pienempi kuin 1.
Nämä laitteet on rakennettu transistoreilla tai OP-AMPSmutta lineaarisuus on ongelma. Ei ole helppoa rakentaa vahvistinta, joka ei vääristä aaltomuotoa laajalla taajuusalueella. Paljon yleisempi on portaittainen ohjaus - vaimennin kytketään sarjaan ja vaimennus lasketaan yhteen. Piirit, joita on vaimennettava, ohitetaan (relekoskettimet jne.). Näin saadaan vaadittu vaimennuskerroin muuttamatta aaltoimpedanssia.
Laajakaistamuuntajiin (BFT) perustuvia portaattomasti säädettäviä vaimenninmalleja on olemassa. Niitä käytetään amatööriviestintäsovelluksissa, joissa tulo/lähtö-sovitusvaatimukset ovat alhaiset.
Aaltojohdinvaimentimien tasainen viritys saavutetaan muuttamalla geometrisia mittoja. Saatavilla on myös optisia vaimenninlaitteita, joissa vaimennus voidaan säätää portaattomasti, mutta tällaisten laitteiden rakenne on melko monimutkainen, koska ne sisältävät linssit, optiset suodattimet jne.
Sovellukset
Jos vaimentimella on erilaiset tulo- ja lähtöimpedanssit, se voi vaimentamistoiminnon lisäksi toimia sovituslaitteena. Jos esimerkiksi 75 ohmin ja 50 ohmin kaapelit on tarkoitus liittää toisiinsa, niiden väliin voidaan sijoittaa asianmukaisesti mitoitettu kaapeli, jolloin sovitusaste voidaan korjata yhdessä normalisoidun vaimennuksen kanssa.
Vastaanottosovelluksissa käytetään vaimenninta, jotta tulopiirejä ei ylikuormiteta voimakkailla häiriösäteilyillä. Joissakin tapauksissa häiriösignaalin vaimentaminen jopa samanaikaisesti heikon hyötysignaalin kanssa voi parantaa vastaanoton laatua vähentämällä intermodulaatiokohinaa.
Mittaussovelluksissa vaimentimia voidaan käyttää erotuskytkentänä - ne vähentävät kuorman vaikutusta referenssisignaalilähteeseen. Optisia vaimenninlaitteita käytetään laajalti lähetys-/vastaanottokuitulinkkilaitteiden testauksessa. Niitä käytetään todellisen linjan vaimennuksen simuloimiseen ja vakaan linkin olosuhteiden ja rajojen määrittämiseen.
Äänitekniikassa vaimentimia käytetään tehonsäätölaitteina. Toisin kuin potentiometrit, ne tekevät tämän pienemmällä tehohäviöllä. Tällöin on helpompi varmistaa tasainen säätö, koska aaltoimpedanssilla ei ole väliä, vaan vaimennus on tärkeintä. Televisiokaapeliverkoissa vaimennin poistaa TV-sisääntulojen ylikuormituksen ja mahdollistaa lähetyksen laadun säilyttämisen vastaanotto-olosuhteista riippumatta.
Koska vaimennin ei ole kaikkein monimutkaisin laite, sitä käytetään laajimmin radiotaajuuspiireissä ja sillä voidaan ratkaista erilaisia ongelmia. Mikroaaltotaajuuksilla ja optisilla taajuuksilla nämä laitteet rakennetaan eri tavalla, ja ne ovat monimutkaisia teollisia kokoonpanoja.
Aiheeseen liittyvät artikkelit:
