Podczas projektowania układów elektronicznych zwykle konieczne jest wzmocnienie sygnałów poprzez zwiększenie ich amplitudy lub mocy. Istnieją jednak sytuacje, w których konieczne jest zmniejszenie poziomu sygnału. A zadanie to nie jest tak łatwe, jak się wydaje na pierwszy rzut oka.
Spis treści
Co to jest tłumik i jak działa?
Tłumik to urządzenie służące do celowego i normalnego zmniejszania amplitudy lub mocy sygnału wejściowego bez wpływu na jego kształt.
Zasada działania tłumików używanych w aplikacjach o częstotliwości radiowej jest następująca Dzielnik napięcia w rezystorach lub kondensatorach. Sygnał wejściowy jest rozdzielany między oporniki proporcjonalnie do ich rezystancji. Najprostszym rozwiązaniem jest dzielnik złożony z dwóch rezystorów. Taki tłumik nazywany jest tłumikiem w kształcie litery L (w zagranicznej literaturze technicznej - L-shaped). Wejściem i wyjściem może być dowolna strona tego niesymetrycznego urządzenia. Tłumik typu L charakteryzuje się małą stratą w dopasowaniu wejścia/wyjścia.
Rodzaje tłumików
W praktyce tłumik typu L jest stosowany rzadziej, głównie w celu dopasowania impedancji wejściowej i wyjściowej. Znacznie szerzej stosowane do normalizowania tłumienia sygnałów są urządzenia typu P (Pi w literaturze zagranicznej od łacińskiej litery π) i typu T. Zasada ta umożliwia tworzenie urządzeń o takiej samej impedancji wejściowej i wyjściowej (ale w razie potrzeby można stosować różne impedancje).
Na ilustracji pokazano urządzenia asymetryczne. Źródło i obciążenie muszą być połączone z obu stron przewodami niezbalansowanymi - kablami koncentrycznymi itp.
W przypadku linii symetrycznych (skrętka itp.) stosuje się obwody symetryczne - są one czasem nazywane tłumikami typu H i O, choć są to tylko odmiany poprzednich urządzeń.
Dodanie jednego (dwóch) rezystorów powoduje, że tłumik typu T (H) staje się tłumikiem mostkowym.
Tłumiki są dostępne na rynku przemysłowym jako kompletne urządzenia ze złączami do podłączenia, ale mogą być również wykonane na płytce drukowanej jako część ogólnego obwodu. Tłumiki rezystancyjne i pojemnościowe mają istotną zaletę - nie zawierają elementów nieliniowych, co nie powoduje zniekształcenia sygnału ani pojawienia się w widmie nowych harmonicznych i zaniku już istniejących.
Oprócz tłumików rezystancyjnych istnieją inne rodzaje tłumików. Powszechnie stosowane w aplikacjach przemysłowych to:
- Tłumiki ograniczające i polaryzujące - oparte na właściwościach strukturalnych falowodów;
- Tłumiki absorpcyjne - tłumienie sygnału jest spowodowane pochłanianiem mocy przez specjalnie dobrane materiały;
- tłumiki optyczne;
Tego typu urządzenia są stosowane w technologii mikrofalowej i w zakresie częstotliwości światła. Przy niskich i radiowych częstotliwościach stosuje się tłumiki oparte na rezystorach i kondensatorach.
Główna charakterystyka
Współczynnik tłumienia jest głównym parametrem określającym właściwości tłumików. Mierzone jest to w decybelach. Aby zrozumieć, ile razy zmniejsza się amplituda sygnału po przejściu przez obwód tłumiący, należy przeliczyć współczynnik z decybeli na razy. Moc wyjściowa urządzenia, które zmniejsza amplitudę sygnału o N decybeli, będzie M razy mniejsza:
M=10(N/20) (dla mocy M=10(N/10)) .
Przeliczanie odwrotne:
N=20⋅log10(M) (dla mocy N=10⋅log10(M)).
Zatem dla tłumika o współczynniku Kosl=-3 dB (zawsze ujemnym, ponieważ wartość zawsze maleje) sygnał wyjściowy będzie miał amplitudę równą 0,708 wartości oryginalnej. A jeśli amplituda wyjściowa jest równa połowie amplitudy oryginalnej, to kosl wynosi około -6dB.
Wzory te są dość skomplikowane do obliczenia w głowie, dlatego lepiej skorzystać z kalkulatorów online, których w Internecie jest wiele.
W przypadku urządzeń nastawnych (skokowych lub płynnych) określa się granice nastaw.
Innym ważnym parametrem jest impedancja wejścia i wyjścia (mogą być takie same). Z impedancją tą związana jest taka cecha, jak współczynnik fali stojącej (SWR), która jest często podawana na produktach wytwarzanych komercyjnie. W przypadku obciążenia czysto aktywnego oblicza się to według wzoru:
- VSW=ρ/R, jeżeli ρ>R, gdzie R jest rezystancją obciążenia, a ρ impedancją linii.
- VSW= R/ρ, jeśli ρ
WSW jest zawsze większa lub równa 1. Jeśli R=ρ, cała moc jest przekazywana do obciążenia. Im bardziej te wartości się różnią, tym większa jest strata. Na przykład przy VSW=1,2 do obciążenia dociera 99% mocy, a przy VSW=3 - 75%. Jeśli podłączysz tłumik 75 Ω do kabla 50 Ω (lub odwrotnie), to VSW=1,5, a straty wyniosą 4%.
Inne ważne cechy, o których należy wspomnieć, to:
- zakres częstotliwości pracy;
- moc maksymalna.
Ważna jest również dokładność, czyli dopuszczalne odchylenie tłumienia od tłumienia znamionowego. W przypadku tłumików przemysłowych charakterystyki są nadrukowane na obudowie.
W niektórych przypadkach ważna jest moc urządzenia. Energia, która nie dociera do odbiornika, jest rozpraszana w elementach tłumika, dlatego tak ważne jest, aby nie przeciążać odbiornika.
Istnieją wzory do obliczania podstawowych charakterystyk tłumików rezystancyjnych o różnej konstrukcji, ale są one kłopotliwe i zawierają logarytmy. Dlatego do korzystania z nich potrzebny jest co najmniej kalkulator. Dlatego wygodniej jest korzystać ze specjalnych programów (w tym internetowych) do samodzielnego obliczania.
Regulowane tłumiki
Na współczynnik tłumienia i VSW mają wpływ wartości znamionowe wszystkich elementów wchodzących w skład tłumika, dlatego należy budować urządzenia z oporniki z płynnie regulowanymi parametrami jest trudna do stworzenia. Zmieniając tłumienie, należy dostosować współczynnik VSWR i odwrotnie. Takie problemy można rozwiązać, stosując wzmacniacze o wzmocnieniu mniejszym niż 1.
Urządzenia te są zbudowane z tranzystorów lub OP-AMPSale problemem jest liniowość. Nie jest łatwo zbudować wzmacniacz, który nie zniekształca przebiegu fali w szerokim zakresie częstotliwości. Znacznie bardziej powszechne jest sterowanie skokowe - tłumiki są połączone szeregowo, a tłumienie jest sumowane. Obwody, które muszą być tłumione, są pomijane (styki przekaźnikowe itd.). Dzięki temu wymagany współczynnik tłumienia uzyskuje się bez zmiany impedancji fali.
Istnieją konstrukcje tłumików z regulacją bezstopniową oparte na transformatorach szerokopasmowych (BFT). Są one używane w amatorskich zastosowaniach komunikacyjnych, gdzie wymagania dotyczące dopasowania wejścia/wyjścia są niskie.
Płynne dostrajanie tłumików falowodowych uzyskuje się przez zmianę wymiarów geometrycznych. Dostępne są również tłumiki optyczne z płynną regulacją tłumienia, ale takie urządzenia mają dość skomplikowaną budowę, ponieważ zawierają system soczewek, filtrów optycznych itp.
Aplikacje
Jeśli tłumik ma różne impedancje wejściowe i wyjściowe, to oprócz funkcji tłumienia może pełnić rolę urządzenia dopasowującego. Na przykład, jeśli mają być połączone kabel 75-omowy i 50-omowy, można umieścić między nimi kabel o odpowiedniej wartości znamionowej i skorygować stopień dopasowania wraz z tłumieniem znormalizowanym.
W zastosowaniach odbiorczych tłumiki są stosowane, aby uniknąć przeciążenia obwodów wejściowych silnymi emisjami zakłócającymi. W niektórych przypadkach tłumienie sygnału zakłócającego nawet jednocześnie ze słabym sygnałem użytecznym może poprawić jakość odbioru poprzez zmniejszenie szumu intermodulacyjnego.
W zastosowaniach pomiarowych tłumiki mogą być wykorzystywane jako elementy odsprzęgające - zmniejszają wpływ obciążenia na źródło sygnału odniesienia. Tłumiki optyczne są powszechnie stosowane w testowaniu nadawczych i odbiorczych urządzeń światłowodowych. Służą one do symulowania tłumienia w rzeczywistej linii oraz do określania warunków i granic stabilnego łącza.
W inżynierii dźwięku tłumiki są stosowane jako urządzenia sterujące mocą. W przeciwieństwie do potencjometrów robią to przy mniejszych stratach mocy. W tym przypadku łatwiej jest zapewnić płynną regulację, ponieważ impedancja fali nie ma znaczenia - liczy się tłumienie. W telewizyjnych sieciach kablowych tłumiki eliminują przeciążenia wejść telewizyjnych i umożliwiają utrzymanie jakości transmisji niezależnie od warunków odbioru.
Tłumiki, które nie są najbardziej skomplikowanymi urządzeniami, znajdują najszersze zastosowanie w obwodach o częstotliwości radiowej i umożliwiają różnorodne aplikacje. Przy częstotliwościach mikrofalowych i optycznych urządzenia te są budowane w inny sposób i stanowią złożone zespoły przemysłowe.
Powiązane artykuły:
