Ao conceber circuitos electrónicos, é normalmente necessário amplificar os sinais aumentando a sua amplitude ou potência. Mas há situações em que o nível do sinal precisa de ser reduzido. E esta tarefa não é tão fácil como parece à primeira vista.
Conteúdos
O que é um atenuador e como funciona
Um atenuador é um dispositivo utilizado para reduzir deliberada e normalmente a amplitude ou potência de um sinal de entrada sem afectar a sua forma.
O princípio dos atenuadores utilizados em aplicações de radiofrequência é Separador de voltagem em resistências ou condensadores. O sinal de entrada é distribuído entre as resistências em proporção com as resistências. A solução mais simples é uma divisória de duas resistências. Tal atenuador é chamado um atenuador em forma de L (em forma de L na literatura técnica estrangeira). A entrada e a saída podem ser qualquer lado deste dispositivo assimétrico. Um atenuador do tipo L é caracterizado por uma baixa perda na correspondência entrada/saída.
Tipos de atenuadores
Na prática, o atenuador do tipo L é utilizado com menos frequência, principalmente para combinar as impedâncias de entrada e saída. Muito mais amplamente utilizados para a atenuação normalizada dos sinais são dispositivos do tipo P (Pi na literatura estrangeira da letra latina π) e do tipo T. Este princípio torna possível criar dispositivos com a mesma impedância de entrada e saída (mas podem ser utilizados dispositivos diferentes, se necessário).
A ilustração mostra dispositivos assimétricos. A fonte e a carga a eles deve ser ligada com linhas desequilibradas - cabos coaxiais, etc., de ambos os lados.
Para linhas simétricas (par torcido, etc.), são utilizados circuitos simétricos - estes são por vezes chamados atenuadores do tipo H e O, embora estes sejam apenas variações dos dispositivos anteriores.
Ao adicionar uma (duas) resistências, atenuadores do tipo T- (H-) tornam-se do tipo ponte.
Os atenuadores estão disponíveis industrialmente como dispositivos completos com conectores para ligação, mas também podem ser feitos sobre um PCB como parte de um circuito geral. Os atenuadores resistivos e capacitivos têm uma grande vantagem - não contêm elementos não lineares, o que não distorce o sinal nem provoca o aparecimento de novos harmónicos no espectro e o desaparecimento dos existentes.
Além dos atenuadores resistivos existem outros tipos de atenuadores. São comummente utilizados em aplicações industriais:
- Atenuadores limitadores e polarizadores - com base nas propriedades estruturais dos guias de ondas;
- Atenuadores de absorção - a atenuação do sinal é causada pela absorção de potência por materiais especialmente seleccionados;
- atenuadores ópticos;
Estes tipos de dispositivos são utilizados na tecnologia de microondas e na gama de frequências ligeiras. Em frequências baixas e de rádio, são utilizados atenuadores baseados em resistências e condensadores.
Características principais
O coeficiente de atenuação é o parâmetro principal que determina as propriedades dos atenuadores. Isto é medido em decibéis. Para compreender quantas vezes a amplitude do sinal diminui depois de passar pelo circuito atenuante, é necessário converter o factor de decibéis para vezes. A saída de um dispositivo que reduz a amplitude do sinal por N decibéis, será M vezes inferior:
M=10(N/20) (para potência M=10(N/10)) .
Recálculo inverso:
N=20⋅log10(M) (para potência N=10⋅log10(M)).
Assim, para um atenuador com Kosl=-3 dB (sempre um coeficiente negativo uma vez que o valor está sempre a diminuir) o sinal de saída terá uma amplitude de 0,708 do original. E se a amplitude de saída for metade da amplitude original, então o Kosl é aproximadamente -6dB.
As fórmulas são bastante complicadas de calcular na sua cabeça, por isso é melhor utilizar calculadoras em linha, das quais existem muitas na Internet.
Para dispositivos ajustáveis (escalonados ou lisos), os limites de ajuste são especificados.
Outro parâmetro importante é a impedância da entrada e saída (podem ser a mesma). Relacionada com esta impedância é uma característica como o Standing Wave Ratio (SWR), que é frequentemente indicada em produtos fabricados comercialmente. Para uma carga puramente activa, isto é calculado de acordo com a fórmula:
- VSW=ρ/R se ρ>R, onde R é a resistência à carga e ρ é a impedância da linha.
- VSW= R/ρ se ρ
O VSW é sempre maior ou igual a 1. Se R=ρ, toda a energia é transferida para a carga. Quanto mais estes valores diferem, maior é a perda. Por exemplo, em VSW=1,2, 99% da potência atinge a carga, enquanto que em VSW=3, 75% atinge a carga. Se ligar um atenuador de 75 ohm a um cabo de 50 ohm (ou vice-versa), o VSW=1,5 e a perda será de 4%.
Outras características importantes a mencionar são:
- gama de frequências de funcionamento;
- potência máxima.
A precisão também é importante, pois refere-se ao desvio admissível da atenuação em relação ao valor nominal. Para atenuadores industriais, as características são impressas na caixa.
Em alguns casos, a potência do dispositivo é importante. A energia que não chega ao consumidor é dissipada nos elementos atenuadores, pelo que é fundamental não sobrecarregar.
Existem fórmulas para calcular as características básicas dos atenuadores resistivos de vários desenhos, mas estas são pesadas e contêm logaritmos. Por conseguinte, é necessário pelo menos uma calculadora para as utilizar. Por conseguinte, é mais conveniente utilizar programas especiais (incluindo programas online) para auto-cálculo.
Atenuadores ajustáveis
O coeficiente de atenuação e VSW é afectado pela classificação de todos os elementos que compõem o atenuador, por isso constrói dispositivos com resistências com parâmetros continuamente ajustáveis é difícil de criar. Ao alterar a atenuação, o VSWR deve ser ajustado e vice-versa. Tais problemas podem ser resolvidos utilizando amplificadores com um ganho inferior a 1.
Estes dispositivos são construídos com transístores ou OP-AMPSmas a linearidade é um problema. Não é fácil construir um amplificador que não distorça a forma de onda numa vasta gama de frequências. Muito mais comum é o controlo intensificado - os atenuadores são ligados em série e a atenuação somada. Circuitos que precisam de ser atenuados são contornados (contactos de relé etc.). Assim, o factor de atenuação necessário é obtido sem alterar a impedância da onda.
Existem desenhos de atenuadores com controlo sem passos baseados em transformadores de banda larga (BFTs). São utilizados em aplicações de comunicações amadoras onde os requisitos de correspondência de entrada/saída são baixos.
A afinação suave dos atenuadores de guia de onda é conseguida através da alteração das dimensões geométricas. Estão também disponíveis atenuadores ópticos com afinação suave de atenuação, mas tais dispositivos têm um design bastante complicado uma vez que contêm um sistema de lentes, filtros ópticos, etc.
Aplicações
Se um atenuador tiver diferentes impedâncias de entrada e saída, então, para além da função de atenuação, pode desempenhar a função de um dispositivo correspondente. Por exemplo, se for necessário ligar um cabo de 75 ohm e um de 50 ohm, pode ser colocado um cabo com a classificação adequada entre eles e o grau de correspondência pode ser corrigido juntamente com a atenuação normalizada.
Na recepção de aplicações, são utilizados atenuadores para evitar sobrecarregar os circuitos de entrada com potentes emissões espúrias. Em alguns casos, atenuar um sinal interferente mesmo em simultâneo com um sinal útil fraco pode melhorar a qualidade de recepção ao reduzir o ruído de intermodulação.
Em aplicações de medição, os atenuadores podem ser utilizados como desacoplamento - reduzem a influência da carga sobre a fonte de sinal de referência. Os atenuadores ópticos são amplamente utilizados em testes de equipamento de transmissão/recepção de ligação de fibra óptica. São utilizados para simular a atenuação numa linha real e determinar as condições e limites de uma ligação estável.
Na engenharia de áudio, os atenuadores são utilizados como dispositivos de controlo de potência. Ao contrário dos potenciómetros, eles fazem-no com menos perda de energia. Aqui, é mais fácil assegurar uma regulação suave, uma vez que a impedância da onda não importa - é a atenuação que conta. Nas redes de TV por cabo, os atenuadores eliminam a sobrecarga de entradas de TV e permitem manter a qualidade de transmissão independentemente das condições de recepção.
Não sendo o dispositivo mais complexo, os atenuadores encontram a mais ampla aplicação em circuitos de rádio-frequência e podem resolver vários problemas. Nas frequências de microondas e ópticas, estes dispositivos são construídos de forma diferente e são conjuntos industriais complexos.
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