Как рассчитать аттенюатор для напряжения

Резистивные схемы аттенюаторов. Расчёт онлайн.

П-образные, Т-образные аттенюаторы для симметричных и несимметричных
линий. Регулируемые многоступенчатые аттенюаторы.

На сегодняшнем заседании нашей радиолюбительской ячейки мы обнародуем перечень мероприятий по конструированию и расчёту узла, предназначенного для банального ослабления амплитуды (мощности) сигнала без существенного искажения его формы — аттенюатора.
Аттенюаторы — это, в большинстве случаев, пассивные конструкции, сделанные из незатейливых резистивных или реактивных делителей напряжения.

Столь простые по замыслу устройства, тем не менее, находят многочисленные применения, как-то:
— Уменьшение уровня сигнала для предотвращения перегрузки и, соответственно, расширения динамического диапазона оборудования.
— Снижение амплитуды или мощности сигнала до нужного уровня с целью его корректного измерения, а также для защиты измерительного прибора от перегрузки или выгорания.
— Согласование импедансов источника и нагрузки для снижения коэффициента стоячей волны (КСВ).
— Увеличение изоляции (развязки) между источником и нагрузкой, вследствие уменьшения взаимодействия между ними.

С точки зрения логики работы, аттенюатор является полной противоположностью усилителя, хотя эти устройства и имеют абсолютно разные принципы работы.

Основные характеристики аттенюаторов:
— Ослабление мощности (или амплитуды), которое выражается в децибелах.
— Частотный диапазон, внутри которого задаётся точность ослабления аттенюатора.
— Собственно говоря, сама точность (погрешность) аттенюатора.
— Максимальная мощность, которая может быть переварена аттенюатором без вреда для здоровья.
— Входное и выходное сопротивления, определяющие КСВ (коэффициент стоячей волны) по входу и выходу.

Ну и хватит о грустном. Давайте рассмотрим основные схемы, используемые в аттенюаторах.

Рис.1

Рис.1 а) — схема несбалансированного Т-образного аттенюатора,
Рис.1 б) — схема сбалансированного Т-образного аттенюатора,
Рис.1 в) — схема несбалансированного П-образного аттенюатора,
Рис.1 г) — схема сбалансированного П-образного аттенюатора.

Данные аттенюаторы являются горизонтально симметричными — импеданс устройства на входе совпадает с импедансом устройства на выходе.
Несбалансированные аттенюаторы предназначены для работы с вертикально несимметричными линиями, такими как коаксиальные кабели, в то время как,
Сбалансированные аттенюаторы предназначены для симметричных линий, к примеру, для работы с витой парой.

Формулы для расчёта элементов Т-образного аттенюатора выглядят следующим образом:
,
где Z — импеданс аттенюатора, а V — отношение входной и выходной амплитуд.

Формулы для расчёта элементов П-образного аттенюатора:

Сдобрим пройденный материал калькулятором.

КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ П и Т-ОБРАЗНОГО АТТЕНЮАТОРА.

Если же в хозяйстве понадобился аттенюатор с несколькими значениями ступенчато — изменяемого ослабления сигнала, то сделать это можно путём последовательного соединения нескольких простейших ячеек, описанных и рассчитанных на калькуляторе выше.

Для иллюстрации приведу схему регулируемого аттенюатора от словенского специалиста Матиаса Видмара.

Рис.2

Устройство позволяет производить плавное ослабление сигналов (вернее ступенчатое с точностью до 1dB) вплоть до 131dB в частотном диапазоне — до 500MHz.
Ссылка на страницу автора — http://lea.hamradio.si/

А теперь предположим, что нам не хочется ставить кучу переключающих тумблеров, а так и подмывает довольствоваться одним переключателем на несколько положений, либо, вообще, обойтись без коммутирующих элементов, а поставить по разъёму на каждый уровень аттенюации.
Обратимся за помощью к схеме W. Sorokine, Radio-Consiwcteur et Depanneur, Paris, octobre 1968, p. 253.

Рис.3

В источнике приведены следующие формулы для расчёта номиналов элементов:

В каждой точке выхода такой модели аттенюатора внутреннее сопротивление равно сопротивлению нагрузки Rн. Величина аттенюации одинакова для всех ступеней и может быть выбрана любой величины.
Любой, да не очень!
Детальное рассмотрение схемы выявило корректную работу аттенюатора, только при значениях аттенюации, кратных 10. К тому же этот параметр рассчитывается при отсутствии нагрузки в режиме холостого хода, т.е. при её включении — добавляются дополнительные 6дБ ослабления сигнала.
А вот количество ступеней ослабления может быть выбрано любым.

Тем не менее, в связи с достаточно частой практикой применения данной схемы, приведу калькулятор и для неё.

Источник

В помощь изучающему электронику

Формулы, вычисления, .

— Аттенюаторы и согласование устройств —

Данный справочник собран из разных источников. Но на его создание подтолкнула небольшая книжка «Массовой радиобиблиотеки» изданная в 1964 году, как перевод книги О. Кронегера в ГДР в 1961 году. Не смотря на такую ее древность, она является моей настольной книгой (наряду с несколькими другими справочниками). Думаю время над такими книгами не властно, потому что основы физики, электро и радиотехники (электроники) незыблемы и вечны.

Для согласования сопротивлений и ослабления сигналов применяются аттенюаторы, причем для согласования сопротивлений применяют чаще несимметричные Г и U типов, а для ослабления T, O, H и П типов и мостовые.

Аттенюаторы

Г образный аттенюатор используется для согласования выходного сопротивления источника сигнала с последующим входом. Это обеспечивает согласование между устройствами с различными характеристическими сопротивлениями, не смотря на то что согласование сопровождается некоторым ослаблением сигнала, но обеспечивается минимум потерь на согласование.

R₁ = Z₁ / (1-Z₁/Z₂) -1/2 ,
R₂ = Z₂(1-Z₁/Z₂) -1/2

Здесь и далее Z₁ — источник сигнала с малым импедансом, Z₂ — потребитель сигнала с высоким импедансом. Балансную схему так же называют аттенюатором U типа.

R2 и R3 каждое равно R2 из предыдущей схема деленному на 2. А последовательное включение звеньев U типа образует лестничный аттенюатор.

Симметричные Т и H образные аттенюаторы показаны ниже и представляют собой симметричную схему. Источник и потребитель сигнала в такой схеме согласованы по сопротивлению и единственной функцией такого аттенюатора является ослабление сигнала.

Поскольку от аттенюаторов такого типа не требуется согласование сопротивлений , величина резистороа R1 и R2 вычисляются исходя из требуемого ослабления, причем сопротивление R1 в последовательных ветвях принимаются одинаковыми.

R1 = Z (V — 1) / (V + 1), R2 = 2ZV / [(V + 1) * (V — 1)].

V — отношение входного напряжения к выходному,

П образный аттенюатор показанный ниже является симметричным небалансным.

R₁ = Z (V+1) / (V — 1),
R₂ = Z (V 2 -1) / (2V),
U1 / U2 = V.

Поскольку входное сопротивление равно выходному этот аттенюатор не выполняет согласование сигнала, Сопротивление резисторов выбирается из условия реализации заданного ослабления.

Мостовые аттенюаторы получают из ранее рассмотренных Т и Н аттенюаторов шунтированием последовательной цепочки резисторов дополнительным резистором.

Значения R1 и R2 выбираются равным сопротивлениям входного и выходного устройств, а сопротивления R3 и R4 рассчитываются по формулам:

Согласование источника с нагрузкой. Согласование по мощности

Оптимальное (с минимальными потерями) согласование по мощности источника сигнала и нагрузки описывается формулой: или оптимальное соотношение при этом коэффициент передачи по мощности Kp максимален и равен 0,25, а по напряжению Ku равен 0,5.

Для наглядности на графике Кр показано так же изменение Кi и Кu. При росте отношение Rн/Ri растет коэффициент передачи в цепи по напряжению Ku растет и стремится к 1, в то время как коэффициент передачи по току растет и стремится к 1 при Rн/Ri приближающемся к 0. Эти зависимости полностью определяют условия согласования всех видов усилительных устройств
Согласование по напряжению
Согласование по напряжению заключается в получении максимальной коэффициента передачи напряжения в нагрузку. это имеет место при выполнении условия Rn>>Ri ( или Rn -> ∞ ) . При этом Ku стремится к единице.
Согласование по току
Согласование по току заключается в получении максимальной коэффициента передачи тока в нагрузку. это имеет место при выполнении условия Ri>>Rn ( или Rn -> 0 ) . При этом Ki стремится к единице.

Широкополосное согласование сопротивлений
— согласующий трансформатор

В радиотехнике существует необходимость передачи мощности с минимальными потерями и искажениями от узла к узлу. Это могут быть как различные блоки радиотракта, так и его входные и выходные устройства. Например может возникнуть необходимость согласования 50 и 75 омных входов — выходов блоков или 50/75 Ом входа (кабеля) с 300 Ом петлевым вибратором.

Для этого применяются согласующие трансформаторы.

На рис.2 приведена схема и расположение обмоток на тороидальном сердечнике согласующего трансформатора. Коэффициент трансформации может быть произвольный.

Данная конструкция кроме согласования позволяет менять фазу выходного сигнала на 180 ° , путем заземления вывода 3 или 4.

Расчетные соотношения

e, e’ — напряжение на входе, выходе соответственно;

R’, R — сопротивление нагрузки, на входе соответственно.

Индуктивность первичной обмотки равна:

L_R= 4 * R/ ω _мин для КСВ ≤ 1,25

L_R = 10 * R/ω _мин для КСВ ≤ 1,1

ω _мин = 2 π f _мин — минимальная циклическая частота сигнала.

Число витков обмотки L_R можно вычислить по формуле:

L_R — из предыдущей формулы;

A_L — коэффициент индуктивности для данного сердечника, показывающий индуктивность одного витка обмотки.

Оптимальный выбор размеров и сердечника трансформатора позволяет получать вносимое затухание Ai , в худшем случае ≤ 0,8 дб, обычно 0,3-0,6 дб, в лучшем случае ≤ 0,3 дб.

При применении в сигнальных цепях, рабочая полоса частот такого трансформатора составляет до пяти октав, при сопротивлении R ≤ 250 Ом.

Широкополосный трансформатор может служить для согласования сопротивлений, как показано выше, а так же для перехода от не семметричной к семметричной нагрузке, как показано на рис. 3.

Конструкция такого трансформатора, при согласовании R -> 4R , проста. Это обмотка выполненная в три провода на тороидальном сердечнике. Указанное на рис.3 соединение дает возможность подключения к семметричной нагрузке R -> 2R/2R .

Например, через такой трансформатор можно подключать к 75 Ом входу с помощью 75 Ом коаксиального кабеля петлевой вибратор (симметричное устройство) с выходным сопротивлением 300 Ом.

Данный трансформатор может работать с другими коэффициентами трансформации как повышающими так и понижающими.

Вариант, показанный на рис.4, с коэффициентом трансформации 0,25 ( R ->R» ) или R=R» .

Оглавление.

Основные понятия. Замкнутая и разветвленная цепи постоянного тока

Основные понятия, Сопротивление в цепи переменного тока , Конденсатор в цепи переменного тока, Индуктивность в цепи переменного тока, Мощность переменного тока

Основные зависимости, Последовательный колебательный контур, Параллельный колебательный контур

RC и LC фильтры — общие положения, RC фильтры, LC фильтры

Аттенюаторы, Согласование источника с нагрузкой по мощности, току и напряжению

Основные параметры передающих антенн, Параметры приемных антенн, Вибраторные антенны, Рамочные антенны, Приемные ферритовые антенны, Формулы для расчета вибраторных антенн

РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН В СВОБОДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ — Общие положения, ИОНОСФЕРА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН, Преломление и отражение радиоволн в ионосфере, Особенности распространения сверхдлинных и длинных волн, Особенности распространения средних волн, Особенности распространения коротких волн, РАСПРОСТРАНЕНИЕ УЛЬТРАКОРОТКИХ ВОЛН В ПРИЗЕМНОМ ПРОСТРАНСТВЕ, Распространения радиоволн над поверхностью земли, дальний прием

Источник