Atenuador (electrónica)

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

Un atenuador es, en efecto, lo opuesto a un amplificador , aunque ambos funcionan con métodos diferentes. Mientras que un amplificador proporciona ganancia , un atenuador proporciona pérdida, o ganancia menor que la unidad. En electrónica de audio, a un atenuador se lo suele llamar "pad". ^[a]

Construcción y uso

Los atenuadores son generalmente dispositivos pasivos hechos de redes divisoras de tensión simples . La conmutación entre diferentes resistencias forma atenuadores escalonados ajustables y otros de ajuste continuo mediante potenciómetros . Para frecuencias más altas se utilizan redes de resistencia de ROE baja y ajustadas con precisión.

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

Circuitos atenuadores

Los circuitos básicos que se utilizan en atenuadores son los atenuadores tipo pi (tipo π) y los atenuadores tipo 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 serían de forma no balanceada, mientras que los atenuadores para uso con par trenzado deben ser de 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 pasiva, es lineal y recíproco . Si el circuito también se hace simétrico (este suele ser el caso, ya que normalmente se requiere que la impedancia de entrada y salida Z ₁ y Z ₂ sean iguales), entonces los puertos de entrada y salida no se distinguen, sino que por convención los lados izquierdo y derecho de los circuitos se denominan entrada y salida, respectivamente.

Hay varias tablas y calculadoras disponibles que proporcionan un medio para determinar los valores de resistencia adecuados para lograr valores de pérdida particulares, como la publicada por la NAB en 1960 para pérdidas que van desde 1/2 a 40 dB, para usar en circuitos de 600 ohmios. ^[1]

Características del atenuador

Las especificaciones clave para los atenuadores son: ^[2]

Atenuación expresada en decibelios de potencia relativa. Un atenuador de 3 dB reduce la potencia a la mitad, 6 dB a un cuarto, 10 dB a un décimo, 20 dB a una centésima, 30 dB a una milésima, etc. Cuando las impedancias de entrada y salida son iguales, la atenuación de voltaje será la raíz cuadrada de la atenuación de potencia, por lo que, 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 del área superficial del material de resistencia, así como de posibles aletas de enfriamiento adicionales.
SWR es la relación de ondas estacionarias 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 microbanda o de película fina. Por encima de SHF se requiere una estructura de guía de ondas especial. El atenuador de aleta está diseñado para usarse en guías de ondas para atenuar la señal.

Las características importantes son:

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

El tamaño y la forma del atenuador dependen de su capacidad para disipar potencia. Los atenuadores de RF se utilizan como cargas y como atenuación 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, lo que reduce el volumen de la salida. Un atenuador de nivel de línea tiene una capacidad de manejo de potencia menor, como un potenciómetro de 1/2 vatio o un divisor de voltaje y controla las señales de nivel del preamplificador, mientras que un atenuador de potencia tiene una capacidad de manejo de potencia mayor, como 10 vatios o más, y se utiliza entre el amplificador de potencia y el altavoz.

Valores de los componentes para atenuadores y almohadillas resistivas

Esta sección trata de pi-pads, T-pads y L-pads fabricados enteramente con resistencias y terminados en cada puerto con una resistencia puramente real.

Se supondrá que todas las impedancias, corrientes, tensiones y parámetros de dos puertos son puramente reales. Para aplicaciones prácticas, esta suposición suele ser bastante precisa.
La almohadilla está diseñada para una impedancia de carga particular, Z _Load , y una impedancia de fuente particular, Z _s .
- La impedancia observada al mirar hacia el puerto de entrada será Z _S si el puerto de salida termina en Z _Load .
- La impedancia observada al mirar hacia el puerto de salida será Z _Carga si el puerto de entrada termina en Z _S.

Cifras de referencia para el cálculo de componentes atenuadores

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 figura (que muestra la fuente a la izquierda) se asumirá tácitamente la mayor parte del tiempo. En el caso del L-pad, se utilizará la segunda figura si la impedancia de carga es mayor que la impedancia de la fuente.

A cada resistencia en cada tipo de almohadilla analizado se le asigna una designación única para reducir 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.
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 donde la fuente y la carga tienen la misma impedancia.
Pérdida significa la relación entre la potencia que ingresa al puerto de entrada del pad dividida por la potencia absorbida por la carga.
Pérdida de inserción significa la relación de potencia que se entregaría a la carga si esta estuviera conectada directamente a la fuente dividida por la potencia absorbida por la carga cuando se conecta a través del pad.

Símbolos utilizados

Los pads y atenuadores pasivos y resistivos son puertos bidireccionales, 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 observada al mirar hacia el puerto de entrada cuando _{la carga} Z está conectada al puerto de salida. Z _in es una función de la impedancia de carga.
Z _out = la impedancia observada al mirar 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 sin carga.
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 = potencia que ingresa al puerto de entrada desde la fuente.
P _salida = V _salida I _salida = potencia absorbida por la carga desde el puerto de salida.
P _directa = la potencia que sería absorbida por la carga si esta estuviera conectada directamente a la fuente.
L _pad = 10 log ₁₀ (P _entrada / P _salida ), siempre. Además, si Z _s = Z _Load , entonces L _pad = 20 log ₁₀ (V _entrada / V _salida ). Nótese que, como se define, la pérdida es ≥ 0 dB.
L _inserción = 10 log ₁₀ (P _directa / P _salida ). Además, si Z _s = Z _carga , entonces L _inserción = L _almohadilla .
Pérdida ≡ L _pad . La pérdida se define como L _pad .

Cálculo de resistencias de almohadillas T simétricas

$A=10^{-\mathrm {Pérdida} /20}\qquad R_{a}=R_{b}=Z_{S}{\frac {1-A}{1+A}}\qquad R_{c}={\frac {Z_{s}^{2}-R_{b}^{2}}{2R_{b}}}$ Véase Valkenburg, pág. 11-3 ^[4]

Cálculo de resistencia de almohadilla pi simétrica

$A=10^{-\mathrm {Pérdida} /20}\qquad R_{x}=R_{y}=Z_{S}{\frac {1+A}{1-A}}\qquad R_{z}={\frac {2R_{x}}{\left({\frac {R_{x}}{Z_{S}}}\right)^{2}-1}}$ Véase Valkenburg, pág. 11-3 ^[4]

L-Pad para el cálculo de resistencias 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), se puede utilizar un L-pad resistivo para unirlas. Como se muestra, cualquiera de los lados del L-pad puede ser la fuente o la carga, pero el lado Z ₁ debe ser el lado con la impedancia más alta. Consulte Valkenburg 1998, págs. 11_3-11_5 $R_{q}={\frac {Z_{m}}{\sqrt {\rho -1}}}\qquad R_{p}=Z_{m}{\sqrt {\rho -1}}$ ${\text{Pérdida}}=20\log _{10}\left({\sqrt {\rho -1}}+{\sqrt {\rho }}\right)\quad {\text{donde}}\quad \rho ={\frac {Z_{1}}{Z_{2}}}\quad Z_{m}={\sqrt {Z_{1}Z_{2}}}$

Los números positivos grandes indican que la pérdida es grande. La pérdida es una función monótona de la relación de impedancia. Las relaciones más altas requieren una pérdida mayor.

Convertir T-pad en pi-pad

Esta es la transformada Y-Δ ^[5] ${\begin{aligned}R_{z}={\frac {R_{a}R_{b}+R_{a}R_{c}+R_{b}R_{c}}{R_{c}}}\\R_{x}={\frac {R_{a}R_{b}+R_{a}R_{c}+R_{b}R_{c}}{R_{b}}}\\R_{y}={\frac {R_{a}R_{b}+R_{a}R_{c}+R_{b}R_{c}}{R_{a}}}.\end{aligned}}$

Conversión de pi-pad a T-pad

Esta es la transformada Δ-Y ^[5] ${\begin{aligned}R_{c}&={\frac {R_{x}R_{y}}{R_{x}+R_{y}+R_{z}}}\\R_{a}&={\frac {R_{z}R_{x}}{R_{x}+R_{y}+R_{z}}}\\R_{b}&={\frac {R_{z}R_{y}}{R_{x}+R_{y}+R_{z}}}\end{aligned}}$

Conversión entre dos puertos y pads

T-pad para parámetros de impedancia

Los parámetros de impedancia para un dispositivo pasivo de dos puertos son Siempre es posible representar un t-pad resistivo como un dispositivo de dos puertos. La representación es particularmente sencilla utilizando los siguientes parámetros de impedancia: ${\ Displaystyle V_ {1} = Z_ {11} I_ {1} + Z_ {12} I_ {2} \ qquad V_ {2} = Z_ {21} I_ {1} + Z_ {22} I_ {2} \ qquad {\text{con}}\qquad Z_{12}=Z_{21}}$ $Z_{21}=R_{c}\qquad Z_{11}=R_{c}+R_{a}\qquad Z_{22}=R_{c}+R_{b}$

Parámetros de impedancia del 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 para pi-pad

Estos parámetros T-pad anteriores se pueden convertir algebraicamente en parámetros pi-pad. ${\begin{aligned}R_{z}&={\frac {Z_{11}Z_{22}-Z_{21}^{2}}{Z_{21}}}\\R_{x} &={\frac {Z_{11}Z_{22}-Z_{21}^{2}}{Z_{22}-Z_{21}}}\\R_{y}&={\frac {Z_{ 11}Z_{22}-Z_{21}^{2}}{Z_{11}-Z_{21}}}\end{aligned}}$

Pi-pad para parámetros de admisión

Los parámetros de admitancia para un puerto pasivo de dos puertos son Siempre es posible representar un pad Pi resistivo como un puerto de dos puertos. La representación es particularmente simple utilizando los parámetros de admitancia siguientes: $I_{1}=Y_{11}V_{1}+Y_{12}V_{2}\qquad I_{2}=Y_{21}V_{1}+Y_{22}V_{2}\qquad {\text{with}}\qquad Y_{12}=Y_{21}$ $Y_{21}={\frac {1}{R_{z}}}\qquad Y_{11}={\frac {1}{R_{x}}}+{\frac {1}{R_{z}}}\qquad Y_{22}={\frac {1}{R_{y}}}+{\frac {1}{R_{z}}}$

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

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

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

La pérdida mínima viene dada por ^[4] $\mathrm {Loss_{min}} =20\log _{10}\left({\sqrt {\rho -1}}+{\sqrt {\rho }}\right)\,\quad {\text{where}}\quad \rho ={\frac {\max[Z_{S},Z_{\text{Load}}]}{\min[Z_{S},Z_{\text{Load}}]}}$

Aunque un adaptador pasivo de dos puertos puede tener menos pérdidas, si las tiene no será posible convertirlo en un atenuador resistivo. $A=10^{-\mathrm {Loss} /20}\qquad Z_{11}=Z_{S}{\frac {1+A^{2}}{1-A^{2}}}\qquad Z_{22}=Z_{\text{Load}}{\frac {1+A^{2}}{1-A^{2}}}\qquad Z_{21}=2{\frac {A{\sqrt {Z_{S}Z_{\text{Load}}}}}{1-A^{2}}}$

Una vez determinados estos parámetros, se pueden implementar como un T o pi pad como se explicó anteriormente.

Véase también

Notas

^ El Oxford English Dictionary no ofrece una etimología para el término, pero señala su uso en la revista Electronics de febrero de 1931.

Referencias

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

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

Enlaces externos

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Atenuador (electrónica) .

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