Pri návrhu elektronických obvodov je zvyčajne potrebné zosilniť signály zvýšením ich amplitúdy alebo výkonu. Existujú však situácie, keď je potrebné znížiť úroveň signálu. A táto úloha nie je taká jednoduchá, ako sa na prvý pohľad zdá.
Obsah
Čo je atenuátor a ako funguje
Atenuátor je zariadenie, ktoré sa používa na zámerné a bežné zníženie amplitúdy alebo výkonu vstupného signálu bez ovplyvnenia jeho tvaru.
Princíp atenuátorov používaných v rádiofrekvenčných aplikáciách je Delič napätia v rezistoroch alebo kondenzátoroch. Vstupný signál sa rozdeľuje medzi rezistory v pomere k odporu. Najjednoduchším riešením je delič dvoch rezistorov. Takýto atenuátor sa nazýva atenuátor v tvare L (v zahraničnej technickej literatúre v tvare L). Vstupom a výstupom môže byť ktorákoľvek strana tohto asymetrického zariadenia. Atenuátor typu L sa vyznačuje nízkymi stratami pri zosúladení vstup/výstup.
Typy tlmičov
V praxi sa atenuátor typu L používa menej často, najmä na vyrovnanie vstupnej a výstupnej impedancie. Na normalizované zoslabenie signálov sa v oveľa väčšej miere používajú zariadenia typu P (v zahraničnej literatúre Pi z latinského písmena π) a T. Tento princíp umožňuje vytvárať zariadenia s rovnakou vstupnou a výstupnou impedanciou (v prípade potreby však možno použiť rôzne).
Na obrázku sú zobrazené asymetrické zariadenia. Zdroj a záťaž k nim musia byť pripojené nesymetrickými vedeniami - koaxiálnymi káblami atď. na oboch stranách.
Pre symetrické vedenia (krútená dvojlinka atď.) sa používajú symetrické obvody - niekedy sa nazývajú atenuátory typu H a O, hoci ide len o variácie predchádzajúcich zariadení.
Pridaním jedného (dvoch) rezistorov sa z atenuátora typu T (H) stane mostíkový typ.
Tlmiče sú priemyselne dostupné ako kompletné zariadenia s konektormi na pripojenie, ale môžu byť vyrobené aj na doske plošných spojov ako súčasť všeobecného obvodu. Odporové a kapacitné atenuátory majú veľkú výhodu - neobsahujú žiadne nelineárne prvky, čo neskresľuje signál ani nespôsobuje, že by sa v spektre objavovali nové harmonické a existujúce zanikali.
Okrem odporových tlmičov existujú aj iné typy tlmičov. V priemyselných aplikáciách sa bežne používajú:
- Obmedzujúce a polarizačné atenuátory - na základe štrukturálnych vlastností vlnovodov;
- Absorpčné atenuátory - útlm signálu je spôsobený absorpciou výkonu špeciálne vybranými materiálmi;
- optické atenuátory;
Tieto typy zariadení sa používajú v mikrovlnnej technológii a v oblasti svetelných frekvencií. Pri nízkych a rádiových frekvenciách sa používajú tlmiče na báze rezistorov a kondenzátorov.
Hlavné charakteristiky
Koeficient útlmu je hlavným parametrom určujúcim vlastnosti tlmičov. Meria sa v decibeloch. Ak chcete pochopiť, koľkokrát sa zníži amplitúda signálu po prechode útlmovým obvodom, musíte previesť faktor z decibelov na časy. Výstup zariadenia, ktoré zníži amplitúdu signálu o N decibelov, bude M-krát nižší:
M=10(N/20) (pre výkon M=10(N/10)) .
Inverzný prepočet:
N=20⋅log10(M) (pre výkon N=10⋅log10(M)).
Takže pre atenuátor s Kosl=-3 dB (vždy záporný koeficient, pretože hodnota vždy klesá) bude mať výstupný signál amplitúdu 0,708 pôvodného signálu. A ak je výstupná amplitúda polovičná oproti pôvodnej amplitúde, potom je Kosl približne -6 dB.
Vzorce sú pomerne zložité na výpočet v hlave, preto je lepšie použiť online kalkulačky, ktorých je na internete veľa.
Pri nastaviteľných zariadeniach (stupňovité alebo plynulé) sú špecifikované hranice nastavenia.
Ďalším dôležitým parametrom je impedancia vstupu a výstupu (môžu byť rovnaké). S touto impedanciou súvisí charakteristika, ako je pomer stojatých vĺn (SWR), ktorá sa často uvádza na komerčne vyrábaných produktoch. Pre čisto činné zaťaženie sa vypočíta podľa vzorca:
- VSW=ρ/R, ak ρ>R, kde R je odpor záťaže a ρ je impedancia vedenia.
- VSW= R/ρ, ak ρ
VSW je vždy väčšia alebo rovná 1. Ak je R=ρ, všetok výkon sa prenáša do záťaže. Čím viac sa tieto hodnoty líšia, tým väčšia je strata. Napríklad pri VSW=1,2 sa do záťaže dostane 99 % výkonu, zatiaľ čo pri VSW=3 sa do záťaže dostane 75 %. Ak pripojíte 75 ohmový atenuátor k 50 ohmovému káblu (alebo naopak), VSW=1,5 a strata bude 4 %.
Ďalšie dôležité funkcie, ktoré treba spomenúť, sú:
- pracovný frekvenčný rozsah;
- maximálny výkon.
Dôležitá je aj presnosť, ktorá sa vzťahuje na prípustnú odchýlku útlmu od nominálnej hodnoty. Pri priemyselných tlmičoch sú charakteristiky vytlačené na puzdre.
V niektorých prípadoch je dôležitý výkon zariadenia. Energia, ktorá sa nedostane k spotrebiteľovi, sa rozptýli v prvkoch tlmiča, preto je veľmi dôležité, aby nedošlo k preťaženiu.
Existujú vzorce na výpočet základných charakteristík odporových atenuátorov rôznych konštrukcií, ale sú ťažkopádne a obsahujú logaritmy. Preto na ich používanie potrebujete aspoň kalkulačku. Preto je vhodnejšie používať špeciálne programy (vrátane online programov) na vlastný výpočet.
Nastaviteľné atenuátory
Koeficient útlmu a VSW je ovplyvnený menovitými hodnotami všetkých prvkov, ktoré tvoria útlmový modul, preto stavajte zariadenia s rezistory s plynule nastaviteľnými parametrami je ťažké vytvoriť. Zmenou útlmu sa musí upraviť VSWR a naopak. Takéto problémy sa dajú vyriešiť použitím zosilňovačov so zosilnením menším ako 1.
Tieto zariadenia sa vyrábajú pomocou tranzistorov alebo OP-AMPSale linearita je problém. Nie je jednoduché zostrojiť zosilňovač, ktorý neskresľuje priebeh v širokom frekvenčnom rozsahu. Oveľa bežnejšia je stupňovitá regulácia - atenuátory sú zapojené do série a útlm sa sčíta. Obvody, ktoré je potrebné utlmiť, sa obchádzajú (kontakty relé atď.). Požadovaný útlmový faktor sa tak dosiahne bez zmeny vlnovej impedancie.
Existujú konštrukcie atenuátorov s plynulou reguláciou založené na širokopásmových transformátoroch (BFT). Používajú sa v amatérskych komunikačných aplikáciách, kde sú požiadavky na zhodu vstupov a výstupov nízke.
Hladké ladenie vlnovodných atenuátorov sa dosahuje zmenou geometrických rozmerov. K dispozícii sú aj optické atenuátory s plynulým ladením útlmu, ale takéto zariadenia majú pomerne komplikovanú konštrukciu, pretože obsahujú sústavu šošoviek, optických filtrov atď.
Aplikácie
Ak má atenuátor rôznu vstupnú a výstupnú impedanciu, môže okrem funkcie útlmu plniť aj úlohu prispôsobovacieho zariadenia. Napríklad ak sa majú pripojiť káble s impedanciou 75 ohmov a 50 ohmov, možno medzi ne umiestniť kábel s vhodnou dimenziou a stupeň prispôsobenia korigovať spolu s normalizovaným útlmom.
V prijímacích aplikáciách sa používajú tlmiče, aby sa zabránilo preťaženiu vstupných obvodov silnými rušivými emisiami. V niektorých prípadoch môže zoslabenie rušivého signálu aj súčasne so slabým užitočným signálom zlepšiť kvalitu príjmu znížením intermodulačného šumu.
V meracích aplikáciách sa atenuátory môžu použiť ako odpojenie - znižujú vplyv záťaže na zdroj referenčného signálu. Optické atenuátory sa široko používajú pri testovaní zariadení na prenos/príjem optických vlákien. Používajú sa na simuláciu útlmu v reálnom vedení a na určenie podmienok a hraníc stabilného spojenia.
V audiotechnike sa atenuátory používajú ako zariadenia na reguláciu výkonu. Na rozdiel od potenciometrov to robia s menšími stratami energie. V tomto prípade je jednoduchšie zabezpečiť plynulú reguláciu, pretože na vlnovej impedancii nezáleží - dôležitý je útlm. V televíznych káblových sieťach atenuátory eliminujú preťaženie televíznych vstupov a umožňujú zachovať kvalitu prenosu bez ohľadu na podmienky príjmu.
Keďže atenuátory nie sú najzložitejším zariadením, nachádzajú najširšie uplatnenie v rádiofrekvenčných obvodoch a umožňujú rôzne aplikácie. Pri mikrovlnných a optických frekvenciách sú tieto zariadenia konštruované inak a predstavujú zložité priemyselné zostavy.
Súvisiace články:
