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1.7: Atenuadores

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    ¿Qué son los Atenuadores?

    Los atenuadores son dispositivos pasivos. Es conveniente discutirlos junto con decibelios. Los atenuadores debilitan o atenúan la salida de alto nivel de un generador de señal, por ejemplo, para proporcionar una señal de nivel inferior para algo así como la entrada de antena de un receptor de radio sensible. (Figura abajo) El atenuador podría estar integrado en el generador de señal, o ser un dispositivo independiente. Podría proporcionar una cantidad fija o ajustable de atenuación. Una sección atenuadora también puede proporcionar aislamiento entre una fuente y una carga problemática.

    03376.png El atenuador de impedancia constante se corresponde con la impedancia de la fuente Z I y la impedancia de carga Z O. Para equipos de radiofrecuencia Z es de 50 Ω.

    En el caso de un atenuador autónomo, debe colocarse en serie entre la fuente de señal y la carga rompiendo la trayectoria de la señal como se muestra en la Figura anterior. Además, debe coincidir tanto con la impedancia de fuente Z I como con la impedancia de carga Z O, al tiempo que proporciona una cantidad especificada de atenuación. En esta sección solo consideraremos el caso especial, y el más común, donde las impedancias de fuente y carga son iguales. No considerado en esta sección, las impedancias desiguales de fuente y carga pueden ser emparejadas por una sección de atenuador. Sin embargo, la formulación es más compleja.

    03377.png
    Las configuraciones comunes son las redes T y π que se muestran en la Figura anterior Múltiples secciones de atenuador pueden conectarse en cascada cuando se necesitan señales aún más débiles como en la Figura siguiente.

    Decibelios

    Las relaciones de voltaje, tal como se utilizan en el diseño de atenuadores, a menudo se expresan en términos de decibelios. La relación de voltaje (K abajo) debe derivarse de la atenuación en decibelios. Las relaciones de potencia expresadas como decibelios son aditivas. Por ejemplo, un atenuador de 10 dB seguido de un atenuador de 6 dB proporciona 16dB de atenuación global.

    \[ \text{ 10 db + 6db} = \text{ 16 db}\]

    Los niveles de sonido cambiantes son perceptibles aproximadamente proporcionales al logaritmo de la relación de potencia (\(P_I / P_o\)).

    \[\text{sound level} = \log_{10} \dfrac{P_I}{P_o}\]

    Un cambio de 1 dB en el nivel de sonido es apenas perceptible para un oyente, mientras que 2 db es fácilmente perceptible. Una atenuación de 3 dB corresponde a la potencia de corte a la mitad, mientras que una ganancia de 3 db corresponde a una duplicación del nivel de potencia. Una ganancia de -3 dB es lo mismo que una atenuación de +3 dB, correspondiente a la mitad del nivel de potencia original.

    El cambio de potencia en decibelios en términos de relación de potencia es:

    qw.PNG

    Suponiendo que la carga R I en P I es la misma que la resistencia de carga R O a P O (R I = R O), los decibelios pueden derivarse de la relación de voltaje (V I/V O) o de la relación de corriente (I I/I O):

    i.PNG

    Las dos formas más utilizadas de la ecuación de decibelios son:

    l.PNG

    Usaremos esta última forma, ya que necesitamos la relación de voltaje. Una vez más, la forma de relación de voltaje de la ecuación solo es aplicable donde las dos resistencias correspondientes son iguales. Es decir, la resistencia a la fuente y a la carga debe ser igual.

    Ejemplo: La potencia en un atenuador es de 10 Watts, la salida de energía es de 1 Watt. Encuentra la atenuación en dB.

    2.PNG

    Ejemplo: Encuentre la relación de atenuación de voltaje (K= (V I/V O)) para un atenuador de 10 dB.

    12.PNG

    Ejemplo: La potencia en un atenuador es de 100 milivatios, la salida de energía es de 1 milivatio. Encuentra la atenuación en dB.

    vcx.PNG

    Ejemplo: Encuentre la relación de atenuación de voltaje (K= (V I/V O)) para un atenuador de 20 dB.

    7.PNG

    Atenuador de sección en T

    Los atenuadores T y π deben estar conectados a una fuente Z e impedancia de carga Z. Las Z - (flechas) que apuntan lejos del atenuador en la figura siguiente indican esto. El Z - (flechas) apuntando hacia el atenuador indica que la impedancia vista mirando al atenuador con una carga Z en el extremo opuesto es Z, Z=50 Ω para nuestro caso. Esta impedancia es una constante (50 Ω) con respecto a la atenuación; la impedancia no cambia cuando se cambia la atenuación.

    La tabla de la siguiente figura enumera los valores de resistencia para los atenuadores T y π para que coincidan con una fuente/carga de 50 Ω, como es el requisito habitual en el trabajo de radiofrecuencia.

    La utilidad telefónica y otros trabajos de audio a menudo requieren coincidir con 600 Ω. Multiplique todos los valores R por la relación (600/50) para corregir la coincidencia de 600 Ω. Multiplicar por 75/50 convertiría los valores de la tabla para que coincidieran con una fuente y una carga de 75 Ω.

    03378.png

    Fórmulas para resistencias atenuadoras de sección en T, dadas K, la relación de atenuación de voltaje, y Z I = Z O = 50 Ω.

    La cantidad de atenuación se especifica habitualmente en dB (decibelios). Sin embargo, necesitamos la relación de voltaje (o corriente) K para encontrar los valores de resistencia a partir de ecuaciones. Consulte el término dB/20 en la potencia de 10 término para calcular la relación de voltaje K a partir de dB, arriba.

    Las configuraciones T (y por debajo de π) son las más utilizadas, ya que proporcionan coincidencia bidireccional. Es decir, la entrada y salida del atenuador pueden intercambiarse extremo por extremo y aún coincidir con las impedancias de fuente y carga mientras se suministra la misma atenuación.

    Desconectando la fuente y mirando a la derecha en V I, necesitamos ver una combinación paralela en serie de R 1, R2, R 1 y Z parece una resistencia equivalente a Z IN, lo mismo que la impedancia de fuente/carga Z: (una carga de Z está conectada a la salida.)

    qwe.PNG

    Por ejemplo, sustituya los valores de 10 dB de la tabla de atenuadores de 50 Ω por R1 y R2 como se muestra en la Figura siguiente.

    23.PNG

    Esto nos muestra que vemos 50 Ω mirando directamente al atenuador de ejemplo (Figura abajo) con una carga de 50 Ω.

    Reemplazar el generador fuente, desconectar la carga Z en V O, y mirar hacia la izquierda, debería darnos la misma ecuación que la anterior para la impedancia en V O, debido a la simetría. Además, las tres resistencias deben ser valores que suministren la atenuación requerida de entrada a salida. Esto se logra mediante las ecuaciones para R1 y R2 anteriores tal como se aplican al atenuador T a continuación.

    03379.png

    Atenuador de sección en T de 10 dB para inserción entre una fuente de 50 Ω y carga.

    Atenuador de sección PI

    La tabla de la siguiente figura enumera los valores de resistencia para el atenuador π que coincide con una fuente/carga de 50 Ω en algunos niveles de atenuación comunes. Las resistencias correspondientes a otros niveles de atenuación pueden calcularse a partir de las ecuaciones.

    03380.png

    Fórmulas para resistencias atenuadoras de sección π, dadas K, la relación de atenuación de voltaje, y Z I = Z O = 50 Ω.

    Lo anterior se aplica al atenuador π-abajo.

    ¿Qué valores de resistencia se requerirían tanto para los atenuadores π para 10 dB de atenuación que coincidan con una fuente de 50 Ω y una carga?

    03381.png

    Ejemplo de atenuador de sección π de 10 dB para hacer coincidir una fuente y una carga de 50 Ω.

    El 10 dB corresponde a una relación de atenuación de voltaje de K=3.16 en la siguiente a la última línea de la tabla anterior. Transfiera los valores de resistencia en esa línea a las resistencias en el diagrama esquemático de la Figura anterior.

    Atenuador de sección L

    La tabla de la siguiente figura enumera los valores de resistencia para que los atenuadores L coincidan con una fuente/carga de 50 Ω. La tabla de la siguiente figura enumera los valores de resistencia para una forma alternativa. Tenga en cuenta que los valores de resistencia no son los mismos.

    03382.png

    Tabla atenuadora de sección L para fuente de 50 Ω e impedancia de carga.

    Lo anterior se aplica al atenuador L de abajo.

    03383.png

    Tabla atenuadora de sección en L de forma alternativa para fuente de 50 Ω e impedancia de carga.

    Atenuador en T puenteado

    La tabla de la siguiente figura enumera los valores de resistencia para que los atenuadores T puenteados coincidan con una fuente y una carga de 50 Ω. El atenuador Bridged-T no se usa a menudo. ¿Por qué no?

    03384.png

    Fórmulas y tabla abreviada para la sección del atenuador Bridged-T, Z = 50 Ω.

    Secciones en cascada

    Las secciones del atenuador se pueden conectar en cascada como en la figura a continuación para obtener más atenuación de la que puede estar disponible en una sola sección. Por ejemplo, se pueden conectar en cascada dos atenuadores de 10 db para proporcionar 20 dB de atenuación, siendo los valores de dB aditivos. La relación de atenuación de voltaje K o V I/V O para una sección de atenuador de 10 dB es de 3.16. La relación de atenuación de voltaje para las dos secciones en cascada es el producto de las dos K s o 3.16x3.16=10 para las dos secciones en cascada.

    03385.png

    Secciones atenuadoras en cascada: la atenuación de dB es aditiva.

    La atenuación variable se puede proporcionar en pasos discretos mediante un atenuador conmutado. La figura de ejemplo a continuación, mostrada en la posición de 0 dB, es capaz de 0 a 7 dB de atenuación por conmutación aditiva de ninguna, una o más secciones.

    03386.png

    Atenuador conmutado: la atenuación es variable en pasos discretos.

    El atenuador típico de múltiples secciones tiene más secciones de las que muestra la figura anterior. La adición de una sección de 3 u 8 dB anterior permite que la unidad cubra hasta 10 dB y más. Los niveles de señal más bajos se logran mediante la adición de secciones de 10 dB y 20 dB, o una sección binaria múltiple de 16 dB.

    Atenuadores RF

    Para el trabajo de radiofrecuencia (RF) (<1000 Mhz), las secciones individuales deben montarse en compartimentos blindados para frustrar el acoplamiento capacitivo si se van a lograr niveles de señal más bajos en las frecuencias más altas. Las secciones individuales de los atenuadores conmutados en la sección anterior están montadas en secciones blindadas. Se pueden tomar medidas adicionales para extender el rango de frecuencia a más allá de 1000 Mhz. Esto implica la construcción a partir de elementos resistivos sin plomo de forma especial.

    03387.png

    Atenuador T coaxial para trabajo de radiofrecuencia.

    Un atenuador coaxial de sección en T que consiste en varillas resistivas y un disco resistivo se muestra en la Figura anterior. Esta construcción es utilizable a unos pocos gigahercios. La versión π coaxial tendría una varilla resistiva entre dos discos resistivos en la línea coaxial como en la figura siguiente.

    03388.png

    Atenuador de π coaxial para trabajo de radiofrecuencia.

    Los conectores RF, no mostrados, están unidos a los extremos de los atenuadores T y π anteriores. Los conectores permiten que los atenuadores individuales sean conectados en cascada, además de conectar entre una fuente y una carga. Por ejemplo, se puede colocar un atenuador de 10 dB entre una fuente de señal problematica y una entrada costosa del analizador de espectro. Aunque no necesitemos la atenuación, el costoso equipo de prueba está protegido de la fuente atenuando cualquier sobretensión.

    Resumen: Atenuadores

    • Un atenuador reduce una señal de entrada a un nivel inferior.
    • La cantidad de atenuación se especifica en decibelios (dB). Los valores de decibelios son aditivos para las secciones atenuadoras en cascada.
    • dB a partir de la relación de potencia: dB = 10 log 10 (P I/P O)
    • dB a partir de la relación de voltaje: dB = 20 log 10 (V I/V O)
    • Los atenuadores de sección T y Π son las configuraciones de circuito más comunes.

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