Atenuador (electrónica)

Tipo de componente electrónico

Atenuador de potencia de 100 vatios

Un atenuador es un dispositivo electrónico que reduce la potencia de una señal sin distorsionar apreciablemente su forma de onda .

Un atenuador es efectivamente lo opuesto a un amplificador , aunque los dos funcionan con métodos diferentes. Mientras que un amplificador proporciona ganancia , un atenuador proporciona pérdida o ganancia inferior a 1. A un atenuador a veces se le denomina "almohadilla" en ciertos campos.

Construcción y uso

Los atenuadores suelen ser dispositivos pasivos fabricados a partir de redes divisorias de voltaje simples . El cambio entre diferentes resistencias forma atenuadores escalonados ajustables y atenuadores continuamente ajustables mediante potenciómetros . Para frecuencias más altas se utilizan redes de baja resistencia VSWR adaptadas con precisión .

Los atenuadores fijos en circuitos se utilizan para reducir el voltaje, disipar energía y mejorar la adaptación de impedancia . Al medir señales, se utilizan almohadillas o adaptadores atenuadores para reducir la amplitud de la señal en una cantidad conocida para permitir mediciones o para proteger el dispositivo de medición de niveles de señal que podrían dañarlo. Los atenuadores también se utilizan para "igualar" la impedancia reduciendo la ROE (relación de onda estacionaria) aparente.

Circuitos atenuadores

Circuito atenuador desequilibrado tipo π

Circuito atenuador balanceado tipo π

Circuito atenuador desequilibrado tipo T

Circuito atenuador balanceado tipo T

Los circuitos básicos utilizados en los atenuadores son los pads pi (tipo π) y los pads T. Es posible que se requiera que sean redes balanceadas o no balanceadas dependiendo de si la geometría de línea con la que se van a utilizar es balanceada o no balanceada. Por ejemplo, los atenuadores utilizados con líneas coaxiales tendrían la forma no balanceada, mientras que los atenuadores para uso con par trenzado deben tener la forma balanceada.

En las figuras de la izquierda se muestran cuatro diagramas de circuitos atenuadores fundamentales. Dado que un circuito atenuador consta únicamente de elementos de resistencia pasivos, es a la vez lineal y recíproco . Si el circuito también se hace simétrico (este suele ser el caso ya que generalmente se requiere que las impedancias de entrada y salida Z ₁ y Z ₂ sean iguales), entonces los puertos de entrada y salida no se distinguen, pero por convención los puertos izquierdo y derecho Los lados de los circuitos se denominan entrada y salida, respectivamente.

Hay disponibles varias tablas y calculadoras que proporcionan un medio para determinar los valores de resistencia apropiados para lograr valores de pérdida particulares. Uno de los primeros fue publicado por la NAB en 1960 para pérdidas que oscilaban entre 1/2 y 40 dB, para uso en circuitos de 600 ohmios. ^[1]

Características del atenuador

Un atenuador de microondas de RF

Las especificaciones clave para atenuadores son: ^[2]

• Atenuación expresada en decibeles de potencia relativa. Un pad de 3 dB reduce la potencia a la mitad, 6 dB a un cuarto, 10 dB a una décima, 20 dB a una centésima, 30 dB a una milésima y así sucesivamente. Cuando las impedancias de entrada y salida son las mismas, la atenuación de voltaje será la raíz cuadrada de la atenuación de potencia, así, por ejemplo, un atenuador de 6 dB que reduce la potencia a un cuarto reducirá el voltaje (y la corriente) a la mitad.
• Impedancia nominal , por ejemplo 50 ohmios.
• Ancho de banda de frecuencia , por ejemplo DC-18 GHz
• La disipación de potencia depende de la masa y la superficie del material de resistencia, así como de posibles aletas de refrigeración adicionales.
• SWR es la relación de onda estacionaria para los puertos de entrada y salida
• Exactitud
• Repetibilidad

atenuadores de RF

Los atenuadores de radiofrecuencia suelen tener una estructura coaxial con conectores de precisión como puertos y una estructura interna coaxial, de microtira o de película delgada. Por encima de SHF se requiere una estructura de guía de ondas especial.

Las características importantes son:

• exactitud,
• baja ROE,
• respuesta de frecuencia plana y
• repetibilidad.

El tamaño y la forma del atenuador dependen de su capacidad para disipar energía. Los atenuadores de RF se utilizan como cargas y como atenuación conocida y disipación protectora de potencia en la medición de señales de RF. ^[3]

Atenuadores de audio

Un atenuador de nivel de línea en el preamplificador o un atenuador de potencia después del amplificador de potencia utiliza resistencia eléctrica para reducir la amplitud de la señal que llega al altavoz, reduciendo el volumen de la salida. Un atenuador de nivel de línea tiene un manejo de potencia más bajo, como un potenciómetro de 1/2 vatio o un divisor de voltaje y controla las señales de nivel de preamplificador, mientras que un atenuador de potencia tiene una capacidad de manejo de potencia más alta, como 10 vatios o más, y se usa entre los amplificador de potencia y el altavoz.

• Atenuador de potencia (guitarra)
• amplificador de guitarra

Valores de componentes para atenuadores y pads resistivos

Esta sección se refiere a los pi-pads, T-pads y L-pads hechos completamente de resistencias y terminados en cada puerto con una resistencia puramente real.

• Se asumirá que todas las impedancias, corrientes, voltajes y parámetros de dos puertos son puramente reales. Para aplicaciones prácticas, esta suposición suele ser bastante aproximada.
• La almohadilla está diseñada para una impedancia de carga particular, Z _Load , y una impedancia de fuente particular, _Zs .
  • La impedancia vista mirando hacia el puerto de entrada será Z _S si el puerto de salida termina con Z _Load .
  • La impedancia vista mirando hacia el puerto de salida será Z _Load si el puerto de entrada termina en Z _S.

Cifras de referencia para el cálculo del componente atenuador

Este circuito se utiliza para el caso general, todos los T-pads, todos los pi-pads y L-pads cuando la impedancia de la fuente es mayor o igual a la impedancia de la carga.

El cálculo del L-pad supone que el puerto 1 tiene la impedancia más alta. Si la impedancia más alta es el puerto de salida, utilice esta cifra.

Designaciones de resistencia únicas para pads Tee, Pi y L.

El atenuador de dos puertos es generalmente bidireccional. Sin embargo, en esta sección se tratará como si fuera unidireccional. En general, se aplica cualquiera de las dos figuras, pero la primera (que representa la fuente de la izquierda) se asumirá tácitamente la mayor parte del tiempo. En el caso del L-pad, se utilizará la segunda cifra si la impedancia de carga es mayor que la impedancia de la fuente.

Cada resistencia en cada tipo de pad analizado recibe una designación única para disminuir la confusión.

El cálculo del valor del componente L-pad supone que la impedancia de diseño para el puerto 1 (a la izquierda) es igual o mayor que la impedancia de diseño para el puerto 2.

Términos utilizados

• El pad incluirá pi-pad, T-pad, L-pad, atenuador y dos puertos.
• Los dos puertos incluirán pi-pad, T-pad, L-pad, atenuador y dos puertos.
• Puerto de entrada significará el puerto de entrada de los dos puertos.
• Puerto de salida significará el puerto de salida de los dos puertos.
• Simétrico significa un caso en el que la fuente y la carga tienen la misma impedancia.
• Pérdida significa la relación de potencia que ingresa al puerto de entrada de la plataforma dividida por la potencia absorbida por la carga.
• Pérdida de inserción significa la relación de potencia que se entregaría a la carga si la carga estuviera conectada directamente a la fuente dividida por la potencia absorbida por la carga cuando se conecta a través de la plataforma.

Símbolos utilizados

Los atenuadores y pads pasivos y resistivos son bidireccionales de dos puertos, pero en esta sección se tratarán como unidireccionales.

• Z _S = la impedancia de salida de la fuente.
• _Carga Z = la impedancia de entrada de la carga.
• Z _in = la impedancia vista mirando hacia el puerto de entrada cuando _{la carga} Z está conectada al puerto de salida. Z _in es función de la impedancia de carga.
• Z _out = la impedancia vista mirando hacia el puerto de salida cuando Z _s está conectado al puerto de entrada. Z _out es una función de la impedancia de la fuente.
• V _s = fuente de circuito abierto o voltaje descargado.
• V _in = voltaje aplicado al puerto de entrada por la fuente.
• V _out = voltaje aplicado a la carga por el puerto de salida.
• I _in = corriente que ingresa al puerto de entrada desde la fuente.
• I _out = corriente que ingresa a la carga desde el puerto de salida.
• P _in = V _in I _in = energía que ingresa al puerto de entrada desde la fuente.
• P _out = V _out I _out = potencia absorbida por la carga desde el puerto de salida.
• P _directa = la potencia que sería absorbida por la carga si la carga estuviera conectada directamente a la fuente.
• L _pad = 10 log ₁₀ (P _in / P _out ), siempre. Además, si Z _s = Z _Load , entonces L _pad = 20 log ₁₀ (V _in / V _out ). Tenga en cuenta, según se define, Pérdida ≥ 0 dB
• _Inserción L = 10 log ₁₀ (P _directa / P _salida ). Además, si Z _s = Z _Load , entonces L _inserción = L _pad .
• Pérdida ≡ L _almohadilla . La pérdida se define como L _pad .

Cálculo de resistencia de almohadilla T simétrica

$${\displaystyle A=10^{-\mathrm {Loss} /20}\qquad R_{a}=R_{b}=Z_{S}{\frac {1-A}{1+A}}\qquad R_{c}={\frac {Z_{s}^{2}-R_{b}^{2}}{2R_{b}}}}$$

^[4]

Cálculo de resistencia simétrica de pad pi

$${\displaystyle A=10^{-\mathrm {Loss} /20}\qquad R_{x}=R_{y}=Z_{S}{\frac {1+A}{1-A}}\qquad R_{z}={\frac {2R_{x}}{\left({\frac {R_{x}}{Z_{S}}}\right)^{2}-1}}}$$

^[4]

L-Pad para cálculo de resistencia de adaptación de impedancia

Si una fuente y una carga son resistivas (es decir, Z ₁ y Z ₂ tienen una parte imaginaria nula o muy pequeña), entonces se puede utilizar un soporte L resistivo para unirlas entre sí. Como se muestra, cualquier lado del L-pad puede ser la fuente o la carga, pero el lado Z ₁ debe ser el lado con mayor impedancia.

$${\displaystyle R_{q}={\frac {Z_{m}}{\sqrt {\rho -1}}}\qquad R_{p}=Z_{m}{\sqrt {\rho -1}}}$$

$${\displaystyle {\text{Loss}}=20\log _{10}\left({\sqrt {\rho -1}}+{\sqrt {\rho }}\right)\quad {\text{where}}\quad \rho ={\frac {Z_{1}}{Z_{2}}}\quad Z_{m}={\sqrt {Z_{1}Z_{2}}}}$$

Los números positivos grandes significan que la pérdida es grande. La pérdida es una función monótona de la relación de impedancia. Los ratios más altos requieren mayores pérdidas.

Convirtiendo T-pad a pi-pad

Esta es la transformada Y-Δ ^[5]

$${\displaystyle {\begin{aligned}R_{z}={\frac {R_{a}R_{b}+R_{a}R_{c}+R_{b}R_{c}}{R_{c}}}\\R_{x}={\frac {R_{a}R_{b}+R_{a}R_{c}+R_{b}R_{c}}{R_{b}}}\\R_{y}={\frac {R_{a}R_{b}+R_{a}R_{c}+R_{b}R_{c}}{R_{a}}}.\end{aligned}}}$$

Conversión de pi-pad a T-pad

Esta es la transformada Δ-Y ^[5]

$${\displaystyle {\begin{aligned}R_{c}&={\frac {R_{x}R_{y}}{R_{x}+R_{y}+R_{z}}}\\R_{a}&={\frac {R_{z}R_{x}}{R_{x}+R_{y}+R_{z}}}\\R_{b}&={\frac {R_{z}R_{y}}{R_{x}+R_{y}+R_{z}}}\end{aligned}}}$$

Conversión entre dos puertos y pads

T-pad a parámetros de impedancia

Los parámetros de impedancia para un puerto pasivo de dos puertos son

$${\displaystyle V_{1}=Z_{11}I_{1}+Z_{12}I_{2}\qquad V_{2}=Z_{21}I_{1}+Z_{22}I_{2}\qquad {\text{with}}\qquad Z_{12}=Z_{21}}$$

$${\displaystyle Z_{21}=R_{c}\qquad Z_{11}=R_{c}+R_{a}\qquad Z_{22}=R_{c}+R_{b}}$$

Parámetros de impedancia al T-pad

Las ecuaciones anteriores son trivialmente invertibles, pero si la pérdida no es suficiente, algunos de los componentes del t-pad tendrán resistencias negativas.

$${\displaystyle R_{c}=Z_{21}\qquad R_{a}=Z_{11}-Z_{21}\qquad R_{b}=Z_{22}-Z_{21}}$$

Parámetros de impedancia a pi-pad

Estos parámetros del T-pad anteriores se pueden convertir algebraicamente en parámetros del pi-pad.

$${\displaystyle {\begin{aligned}R_{z}&={\frac {Z_{11}Z_{22}-Z_{21}^{2}}{Z_{21}}}\\R_{x}&={\frac {Z_{11}Z_{22}-Z_{21}^{2}}{Z_{22}-Z_{21}}}\\R_{y}&={\frac {Z_{11}Z_{22}-Z_{21}^{2}}{Z_{11}-Z_{21}}}\end{aligned}}}$$

Pi-pad a parámetros de admitancia

Los parámetros de admitancia para un puerto pasivo de dos son

$${\displaystyle I_{1}=Y_{11}V_{1}+Y_{12}V_{2}\qquad I_{2}=Y_{21}V_{1}+Y_{22}V_{2}\qquad {\text{with}}\qquad Y_{12}=Y_{21}}$$

$${\displaystyle Y_{21}={\frac {1}{R_{z}}}\qquad Y_{11}={\frac {1}{R_{x}}}+{\frac {1}{R_{z}}}\qquad Y_{22}={\frac {1}{R_{y}}}+{\frac {1}{R_{z}}}}$$

Parámetros de admisión al pi-pad

Las ecuaciones anteriores son trivialmente invertibles, pero si la pérdida no es suficiente, algunos de los componentes del pi-pad tendrán resistencias negativas.

$${\displaystyle R_{z}={\frac {1}{Y_{21}}}\qquad R_{x}={\frac {1}{Y_{11}-Y_{21}}}\qquad R_{y}={\frac {1}{Y_{22}-Y_{21}}}\,}$$

Caso general, determinación de parámetros de impedancia a partir de requisitos.

Debido a que la almohadilla está hecha completamente de resistencias, debe tener una pérdida mínima determinada para coincidir con la fuente y la carga si no son iguales.

La pérdida mínima viene dada por ^[4]

$${\displaystyle \mathrm {Loss_{min}} =20\log _{10}\left({\sqrt {\rho -1}}+{\sqrt {\rho }}\right)\,\quad {\text{where}}\quad \rho ={\frac {\max[Z_{S},Z_{\text{Load}}]}{\min[Z_{S},Z_{\text{Load}}]}}}$$

Aunque un puerto de adaptación pasiva de dos puertos puede tener menos pérdidas, si lo hace no será convertible en un atenuador resistivo.

$${\displaystyle A=10^{-\mathrm {Loss} /20}\qquad Z_{11}=Z_{S}{\frac {1+A^{2}}{1-A^{2}}}\qquad Z_{22}=Z_{\text{Load}}{\frac {1+A^{2}}{1-A^{2}}}\qquad Z_{21}=2{\frac {A{\sqrt {Z_{S}Z_{\text{Load}}}}}{1-A^{2}}}}$$

Una vez que se han determinado estos parámetros, se pueden implementar como un pad T o pi como se analizó anteriormente.

Ver también

• Atenuadores variables de RF y microondas
• atenuador óptico

Notas

1. Manual de ingeniería de NAB, tabla 9-3 Almohadillas resistivas (PDF) (5ª ed.). Asociación Nacional de Locutores. 1960, págs. 9-10.
2. "Atenuadores fijos | Keysight (anteriormente Medición electrónica de Agilent)". www.keysight.com . Consultado el 31 de agosto de 2018 .
3. Acerca de los atenuadores de RF Archivado el 30 de octubre de 2013 en Wayback Machine - Herley General Microwave
4. Valkenburg 1998, págs.11_3
5. Hayt y Kemmerly 1971, pág. 494

Referencias

• Hayt, William; Kemmerly, Jack E. (1971), Análisis de circuitos de ingeniería (2ª ed.), McGraw-Hill, ISBN 0-07-027382-0
• Valkenburg, Mac E. van (1998), Datos de referencia para ingenieros: radio, electrónica, informática y comunicaciones (octava ed.), Newnes, ISBN 0-7506-7064-9

enlaces externos

• Preguntas frecuentes sobre el atenuador de potencia de amplificador de guitarra
• Circuitos atenuadores básicos
• Explicación de tipos de atenuadores, adaptación de impedancia y calculadora muy útil.