Bij het ontwerpen van elektronische schakelingen is het gewoonlijk nodig signalen te versterken door hun amplitude of vermogen te vergroten. Maar er zijn situaties waarin het signaalniveau moet worden verlaagd. En deze taak is niet zo gemakkelijk als het op het eerste gezicht lijkt.
Inhoud
Wat is een verzwakker en hoe werkt het
Een verzwakker is een apparaat dat wordt gebruikt om doelbewust en normaal de amplitude of het vermogen van een ingangssignaal te verminderen zonder de vorm ervan aan te tasten.
Het principe van verzwakkers gebruikt in radiofrequentietoepassingen is Spanningsdeler in weerstanden of condensatoren. Het ingangssignaal wordt over de weerstanden verdeeld in verhouding tot de weerstanden. De eenvoudigste oplossing is een deler van twee weerstanden. Een dergelijke verzwakker wordt een L-vormige verzwakker genoemd (L-vormig in de buitenlandse technische literatuur). De ingang en uitgang kunnen alle zijden van dit asymmetrische apparaat zijn. Een verzwakker van het L-type wordt gekenmerkt door een laag verlies bij de ingangs-/uitgangsovereenstemming.
Soorten verzwakkers
In de praktijk wordt de verzwakker van het L-type minder vaak gebruikt, voornamelijk om de ingangs- en uitgangsimpedanties op elkaar af te stemmen. Veel meer gebruikt voor genormaliseerde verzwakking van signalen zijn apparaten van het P-type (Pi in de buitenlandse literatuur van de Latijnse letter π) en het T-type. Dit principe maakt het mogelijk apparaten te maken met dezelfde ingangs- en uitgangsimpedantie (maar indien nodig kunnen verschillende impedanties worden gebruikt).
De illustratie toont asymmetrische inrichtingen. De bron en de belasting daarop moeten worden aangesloten met ongebalanceerde lijnen - coaxkabels enz. aan weerszijden.
Voor symmetrische lijnen (twisted pair, enz.) worden symmetrische circuits gebruikt - deze worden soms H- en O-type verzwakkers genoemd, hoewel dit slechts variaties van de vorige apparaten zijn.
Door toevoeging van één (twee) weerstanden worden T- (H-) verzwakkers van het brugtype.
Verzwakkers zijn industrieel verkrijgbaar als complete toestellen met connectoren voor aansluiting, maar zij kunnen ook op een PCB worden gemaakt als onderdeel van een algemene schakeling. Weerstands- en capacitieve verzwakkers hebben een groot voordeel - zij bevatten geen niet-lineaire elementen, waardoor het signaal niet wordt vervormd en er geen nieuwe harmonischen in het spectrum verschijnen en bestaande harmonischen verdwijnen.
Naast weerstandsverzwakkers zijn er nog andere soorten verzwakkers. Veel gebruikt in industriële toepassingen zijn:
- Begrenzende en polariserende verzwakkers - gebaseerd op de structurele eigenschappen van golfgeleiders;
- Absorberende verzwakkers - de verzwakking van het signaal wordt veroorzaakt door de absorptie van vermogen door speciaal geselecteerde materialen;
- optische verzwakkers;
Dit soort toestellen wordt gebruikt in de microgolftechnologie en in het lichtfrequentiebereik. Bij lage en radiofrequenties worden verzwakkers op basis van weerstanden en condensatoren gebruikt.
Belangrijkste kenmerken
De verzwakkingscoëfficiënt is de belangrijkste parameter die de eigenschappen van verzwakkers bepaalt. Dit wordt gemeten in decibels. Om te begrijpen hoeveel maal de signaalamplitude afneemt nadat het door de verzwakkingsschakeling is gegaan, moet de factor worden omgerekend van decibels naar maal. De output van een apparaat dat de signaalamplitude met N decibels vermindert, zal M maal lager zijn:
M=10(N/20) (voor vermogen M=10(N/10)) .
Inverse herberekening:
N=20⋅log10(M) (voor vermogen N=10⋅log10(M)).
Dus voor een verzwakker met Kosl=-3 dB (altijd een negatieve coëfficiënt omdat de waarde altijd afneemt) zal het uitgangssignaal een amplitude hebben van 0,708 van het origineel. En als de uitgangsamplitude de helft is van de oorspronkelijke amplitude, dan is de Kosl ongeveer -6dB.
De formules zijn vrij ingewikkeld om in je hoofd uit te rekenen, dus is het beter om online calculators te gebruiken, waarvan er vele op het internet te vinden zijn.
Voor regelbare toestellen (getrapt of soepel) worden de instellingsgrenzen gespecificeerd.
Een andere belangrijke parameter is de impedantie van de ingang en de uitgang (deze kunnen gelijk zijn). Aan deze impedantie is een eigenschap verbonden zoals de staande-golfverhouding (SWR), die vaak op in de handel verkrijgbare producten wordt aangegeven. Voor een zuiver actieve belasting wordt dit berekend volgens de formule:
- VSW=ρ/R als ρ>R, waarbij R de belastingsweerstand is en ρ de lijnimpedantie.
- VSW= R/ρ als ρ
De VSW is altijd groter dan of gelijk aan 1. Als R=ρ, wordt al het vermogen aan de belasting overgedragen. Hoe meer deze waarden verschillen, hoe groter het verlies. Bijvoorbeeld, bij VSW=1,2 bereikt 99% van het vermogen de belasting, terwijl bij VSW=3 75% de belasting bereikt. Als een 75 ohm verzwakker wordt aangesloten op een 50 ohm kabel (of omgekeerd) is de VSW=1,5 en zal het verlies 4% zijn.
Andere belangrijke kenmerken om te vermelden zijn:
- werkfrequentiebereik;
- maximaal vermogen.
Ook de nauwkeurigheid is belangrijk, aangezien deze betrekking heeft op de toelaatbare afwijking van de demping ten opzichte van de nominale demping. Bij industriële verzwakkers zijn de kenmerken op de behuizing gedrukt.
In sommige gevallen is het vermogen van het apparaat belangrijk. De energie die de consument niet bereikt, gaat verloren in de verzwakkingselementen, zodat het van cruciaal belang is dat deze niet worden overbelast.
Er bestaan formules voor de berekening van de basiskenmerken van resistieve verzwakkers van diverse ontwerpen, maar deze zijn omslachtig en bevatten logaritmen. Daarom heb je op zijn minst een rekenmachine nodig om ze te gebruiken. Daarom is het handiger om speciale programma's (ook online) te gebruiken voor zelfberekening.
Instelbare verzwakkers
De dempingscoëfficiënt en VSW worden beïnvloed door de nominale waarde van alle elementen waaruit de demper is opgebouwd, dus bouw apparaten met weerstanden met continu instelbare parameters is moeilijk te maken. Door de demping te wijzigen, moet de VSWR worden aangepast en omgekeerd. Dergelijke problemen kunnen worden opgelost door versterkers te gebruiken met een versterking kleiner dan 1.
Deze apparaten zijn gebouwd met transistors of OP-AMPSmaar lineariteit is een probleem. Het is niet eenvoudig een versterker te bouwen die de golfvorm niet vervormt over een breed frequentiebereik. Veel gebruikelijker is een getrapte regeling - de verzwakkers worden in serie geschakeld en de verzwakking wordt bij elkaar opgeteld. Circuits die moeten worden verzwakt, worden overbrugd (relaiscontacten enzovoort). Aldus wordt de vereiste dempingsfactor verkregen zonder de golfimpedantie te veranderen.
Er zijn verzwakkerontwerpen met traploze regeling op basis van breedbandtransformatoren (BFT's). Zij worden gebruikt in amateurcommunicatietoepassingen waar de input/output-matchingvereisten laag zijn.
Een soepele afstemming van golfgeleiderverzwakkers wordt bereikt door de geometrische afmetingen te veranderen. Optische verzwakkers zijn ook verkrijgbaar met een soepele afstelling van de verzwakking, maar dergelijke toestellen hebben een vrij ingewikkeld ontwerp omdat zij een systeem van lenzen, optische filters, enz. bevatten.
Toepassingen
Indien een verzwakker verschillende ingangs- en uitgangsimpedanties heeft, kan hij, naast de functie van verzwakker, ook de rol van bijpasser vervullen. Indien bij voorbeeld een kabel van 75 ohm en een kabel van 50 ohm moeten worden aangesloten, kan een kabel met de juiste nominale waarde ertussen worden geplaatst en kan de mate van aanpassing worden gecorrigeerd samen met de genormaliseerde verzwakking.
In ontvangsttoepassingen worden verzwakkers gebruikt om te voorkomen dat de ingangscircuits worden overbelast met krachtige storende emissies. In sommige gevallen kan het verzwakken van een storend signaal, zelfs gelijktijdig met een zwak bruikbaar signaal, de ontvangstkwaliteit verbeteren door de intermodulatieruis te verminderen.
In meettoepassingen kunnen verzwakkers worden gebruikt als ontkoppeling - zij verminderen de invloed van de belasting op de referentiesignaalbron. Optische verzwakkers worden wijd gebruikt in het testen van zend/ontvang vezel optisch verbindingsmateriaal. Zij worden gebruikt om de verzwakking in een echte lijn te simuleren en de voorwaarden en grenzen van een stabiele verbinding te bepalen.
In de geluidstechniek worden verzwakkers gebruikt als vermogensregelaars. In tegenstelling tot potentiometers, doen zij dit met minder vermogensverlies. Hier is het gemakkelijker om voor een soepele regeling te zorgen, aangezien de golfimpedantie er niet toe doet - het is de demping die telt. In TV-kabelnetwerken voorkomen verzwakkers overbelasting van TV-ingangen en maken zij het mogelijk de transmissiekwaliteit te handhaven ongeacht de ontvangstomstandigheden.
Verzwakkers zijn niet de meest complexe apparatuur, maar vinden de ruimste toepassing in radiofrequentiekringen en maken een verscheidenheid van toepassingen mogelijk. Bij microgolf- en optische frequenties worden deze toestellen anders gebouwd en zijn het complexe industriële assemblages.
Verwante artikelen:
