I4CIV - Onorio Cenni
Attenuatori di valore fisso utilizzabili
dalla DC a
500 MHz
Costruzione e messa a punto
Premessa
Chiunque si interessa seriamente
di elettronica conosce molto bene l’importanza che ha la strumentazione elettronica
ed i relativi accessori in un banco di misura per la taratura e l’ottimizzazione
dei propri progetti. A volte può succedere di non poter completare, con la
dovuta precisione, la messa a punto di alcune apparecchiature proprio per la indisponibilità
di alcuni accessori. Fra questi possiamo citare gli attenuatori resistivi che in
elettronica trovano tantissime applicazioni sia in bassa che in alta frequenza.
In (foto n.1) sono mostrati alcuni di questi attenuatori
prodotti da importanti aziende del settore che sono conosciute in tutto il
mondo per la produzione di componentistica in ambito RF. Poiché avevo a
disposizione alcuni di questi oggetti ho pensato, per una mia soddisfazione
personale, di testarli per verificare la rispondenza dei valori riportati sulla
targhetta e fare, nel contempo, alcuni confronti con quelli auto costruiti.
Gli attenuatori di cui disponevo
potevano essere utilizzati solamente per piccole potenze: poiché avevo la
necessità di doverli utilizzare anche per potenze più elevate ho deciso di realizzare
alcuni attenuatori in grado di soddisfare
questa mia necessità. Oltre una maggior potenza occorreva valutare anche la precisione
della attenuazione. Se si desidera progettare
gli attenuatori con un grado di precisione elevata è indispensabile utilizzare,
per la costruzione, resistori puramente resistivi con valori prossimi a quelli
teorici calcolati ed, allo stesso modo, la realizzazione meccanica dovrà
possibilmente annullare o quanto meno minimizzare gli effetti
induttivi/capaciti indesiderati. Diversamente accettando un minor grado di
precisione potremo disporre di un maggior margine di tolleranza così da poter utilizzare
direttamente i valori standard dei resistori reperibili in commercio. In ogni
caso l’attenuazione teorica dovrà essere costante a partire dalle frequenze più
basse fino al valore della frequenza che si intende utilizzare. Allo stesso
modo l’impedenza in ingresso dovrà corrispondere al valore calcolato anche quando
l’uscita dell’attenuatore sarà chiusa sulla impedenza caratteristica del
dispositivo ad esso collegato elettricamente. Per questi attenuatori ho preso come
riferimento sia la configurazione a “pi greco” che quella a “T” in versione asimmetrica
o sbilanciata, vale a dire che le tensioni applicate nel circuito sono riferite
con un capo a massa. All’atto pratico risulta indifferente usare un attenuatore
del tipo a “pi greco” od a “T” in quanto la loro scelta dipende unicamente dai
resistori disponibili. E’ consigliabile procedere al calcolo del valore dei resistori in entrambe le
configurazioni e poi scegliere quello che è più facilmente realizzabile sulla
base dei resistori disponibili. La pratica consiglia di orientarsi sugli
attenuatori a “pi greco” perché forniscono generalmente valori di resistenze
più alti che possono essere ottenuti mediante combinazioni in parallelo di più
elementi. Questo progetto prevede il calcolo e la realizzazione di alcuni attenuatori
asimmetrici con valori fissi di attenuazione e diversi valori di potenza e
frequenze di utilizzo. Gli attenuatori sono stati calcolati per avere
attenuazioni pari a 1,5dB, 3dB, 6dB,
10dB e 20dB e per potenze di 10 W, 20 W e 50 W che possono essere utilizzabili fino
alla frequenza di 500 MHz. Di seguito riporterò qualche risultato ottenuto dai test
eseguiti sugli stessi ed infine, per concludere, riporterò una misura eseguita all’attenuatore
prodotto dalla “Narda” con potenza di 1W ed attenuazione 5dB che può essere utilizzato
fino alla frequenza di 18 GHz.
Descrizione degli attenuatori
Per poter ricavare i valori dei
resistori con cui realizzare questi attenuatori, in Internet
si possono trovare alcuni semplici programmi in grado di calcolarli velocemente;
similmente sono reperibili anche delle tabelle con indicati tutti i valori dei
resistori senza doverli inserire nel programma o calcolarli matematicamente. Se
utilizziamo uno dei tanti programmi disponibili “on line” dovremo,
innanzitutto, definire se calcolare un attenuatore con cella a “pi greco”
oppure a “T”. Avendo scelto la disposizione a “pi greco” dovremo impostare il
valore di impedenza in ingresso/uscita che, nel nostro caso, sarà pari a 50
ohm, e di seguito dovremo definire il valore di attenuazione. Dopo
l’inserimento dei dati previsti, il programma ci mostrerà immediatamente i
valori delle tre resistenze necessarie per il valore di attenuazione previsto. Per
il calcolo di altri valori si procederà inserendo altri dato nello stesso modo.
E’ interessante notare che, per ogni attenuatore a “pi greco”, sia il resistore
dal lato d’ingresso che quello dal lato uscita abbiano stesso identico valore
resistivo. Ovviamente valori identici
per lo stesso valore di attenuazione ma differenti valori resistivi per ogni
grado di attenuazione calcolato. I valori calcolati dal programma sono teorici ed
a volte presentano anche alcuni decimali: difficilmente i valori resistivi potranno
coincidere con i valori standard dei resistori reperibili sul mercato. Però quando
i valori teorici si discostano di poco dai valori nominali standard potremo fare
una scelta fra diversi resistori con lo stesso valore su di essi riportato e sfruttare
a nostro beneficio le tolleranze dei componenti. Con un preciso ohmmetro non
sarà difficile scegliere quei resistori con i valori più prossimi a quelli calcolati.
Se questo non bastasse potremmo collegare in parallelo diversi resistori
”selezionati” sempre allo scopo di ottenere
quel valore più prossimo a quello teorico così che le prestazioni che potremmo ottenere
siano allineate con i valori teorici di attenuazione e di impedenza.
Per frequenze superiori a 30 MHz
sarà necessario usare dei resistori a strato di carbone non induttivi. Occorre
distinguere quelli a strato di carbone da quelli a strato metallico in quanto
pur essendo in contenitori a sezione circolare differiscono per come i reofori
sono collegati al corpo. Infatti nei resistori a strato metallico esiste un
cappello su entrambe le estremità del cilindro su cui sono fissati i reofori.
Invece in quelli a carbone non esiste alcun cappello ed i reofori sono infilati
nel cilindro. Un altra verifica è quella di spezzare i due differenti
resistori: quelli a stato metallico ci appaiono di sezione bianca e
sverniciandoli evidenzieranno una spirale metallica che unisce i due cappelli,
invece quelli a carbone si presenteranno come un contenitore pieno di una
sostanza di colore nero. Circa la potenza dei resistori da impiegare questa dovrà
soddisfare i valori previsti nel progetto.
Attenuatori da 1,5dB - 3dB - 6dB - 10dB – 5 W realizzati a “pi greco”
Per la costruzione di questi
attenuatori ho utilizzato dei resistori a strato di carbone sul corpo dei quali
ho avvolto un piccolo e sottile foglio di rame allo scopo di creare una piccola
capacità in grado di compensare l’induttanza dei reofori. I resistori, con i
reofori molto corti, sono stati inseriti all’interno di un contenitore in
lamierino di ferro stagnato dalle dimensioni 54 x 29 x h21 mm. (foto n.2)
I resistori sono fissati stabilmente
saldando i reofori relativi all’ingresso ed all’uscita direttamente sui
centrali dei connettori BNC, di buona qualità, mentre gli altri due restanti
reofori sono saldati a massa. I due connettori BNC sono stati fissati sui lati minori
ed opposti del contenitore. I valori per questi attenuatori, realizzati con
disposizione a “pi greco” sono indicati in figura n.1
dove per ogni valore calcolato troviamo a fianco i valori nominali dei
resistori da mettere in parallelo e che sono stati ottenuti a seguito di una
precisa misura degli stessi.
Per verificare i risultati
ottenuti basta collegare un generatore da un lato ed un carico resistivo
dall’altro con applicato un adatto voltmetro. Come frequenza di prova si potrà
utilizzare il classico valore di 1 kHz. Per calcolare esattamente
l’attenuazione ottenuta occorrerà usare la seguente formula:
Att (dB) = 20 x log10 V out / V in
I valori ottenuti sono stati
riscontrati in ambito audio mentre per conoscere il comportamento degli
attenuatori in ambito RF dovremo utilizzare una strumentazione adeguata allo
scopo.
Per questa verifica ho utilizzato
un piccolo analizzatore prodotto dalla AAI mod. N1201SA, che dopo essere stato
calibrato in un range di frequenze comprese da 137,5 MHz a 500 MHz ha mostrato i
risultati di seguito indicati. Va precisato che i valori misurati, dallo
strumento in dB, sono pari a due volte l’attenuazione e conseguentemente i
valori riscontrati debbono essere divisi per due.
La risposta del attenuatore
realizzato per una attenuazione teorica di 3 dB è decisamente buona fino a 500
MHz. Infatti il valore riscontrato a 144 MHz è di 3,46 dB e di 3,52 dB a 432
MHz(foto n.3 e n.4)
Mentre la risposta
dell’attenuatore da 6 dB pari a 5,78 dB a 144 MHz e mostra una discesa del
valore di attenuazione al disopra di 300 MHz che si riduce a 4 dB a 500 MHz. (foto n.5).
Allo stesso modo si comporta l’attenuatore
da 10 dB che a 144 MHz ha attenuazione pari 9,05 dB. (foto
n.6). Va precisato che l’analizzatore non consentiva di scendere al di
sotto della frequenza di 137,5 MHz. Ritengo tuttavia verosimile che anche i
valori misurati, anche alle frequenze più basse, non presentino valori peggiori
rispetto a quello presentato alla frequenza minima alla quale è stato rilevato
il valore.
Attenuatore da 6dB – 20 W realizzato a “pi greco”
Per questo attenuatore è
consigliabile l’uso di un contenitore in lamierino di ferro stagnato Teko mod.
373 dalle dimensioni di 105 x 50 x h 26 mm munito di coperchio con tenuta a
molla che permette una buona massa metallica. Anche per questo attenuatore sono
stati utilizzati resistori a strato di carbone adeguati al valore della
attenuazione e della potenza di progetto (figura n. 2)
I resistori sono stati fissati ai reofori dei centrali dei connettori
BNC relativi all’ingresso ed all’uscita, mentre gli altri due restanti reofori
sono saldati a massa. I due connettori BNC sono stati posizionati sulla
superficie superiore del contenitore. (foto n.7)
I valori di attenuazione che ho misurato sono in linea con il valore calcolato,
mentre per la risposta in frequenza non è conveniente utilizzarlo oltre al
valore di 200 MHz.
Attenuatore da 3dB – 50 W realizzato a “T”
Il montaggio è stato eseguito su
un circuito stampato argentato a doppia faccia e fissato all’interno di un
contenitore in PVC recuperato dallo smontaggio di un vecchio preamplificatore
di antenna per la TV analogica. Le misure sono di 110 x 70 x h 40 mm con i
connettori di entrata ed uscita fissati sui lati opposti della superficie
minore.(foto n.8)
I resistori utilizzati sono
quelli a strato metallico e senza alcuna compensazione induttiva/capacitiva in
quanto avevo previsto di utilizzare questo attenuatore per una frequenza che al
massimo poteva raggiungere i 30 MHz. Inoltre ero interessato in questo modo di
vedere, a livello strumentale, quali sarebbero stati i risultati ottenuti. Dal
lato d’ingresso dell’attenuatore la R1 è composta da 6 resistori da 51 ohm 10 W
messi in parallelo fra di loro, mentre per la R2, con un capo che andrà
collegato a massa, ho utilizzato un resistore da 150 ohm 10 W. Infine la R3 dal
lato uscita é composta da 6 resistori da 47 ohm 5W. (figura
n.3)
Per questa verifica ho utilizzato il nanoVNA che dopo essere stato
calibrato da 50kHz a 30 MHz mostra una attenuazione decisamente buona a lineare
fino a 30 MHz pari a 2,85 dB a fronte di
una attenuazione teorica prevista di 3 dB. (foto n.9)
Attenuatori da 1dB-5W e da 20dB-50W realizzati con chip
Poiché avevo recuperato, da una
scheda elettronica, un paio di chip con le caratteristiche sotto-indicate ho
provveduto, per un funzionamento continuo a piena potenza, a fissarli su
adeguati dissipatori alettati di colore nero dalle dimensioni di 20 x 15 x h 15
mm e 100 x 90 x h 40 mm. I due attenuatori sono stati completati fissando due
connettori BNC femmina per l’ingresso e l’uscita. (foto
n.10 e 11).
Le caratteristiche dei due chip, che ho rilevato da una
ricerca in Internet, sono per quello di dimensioni minori un 1dB e 5W se
fissato su di un adeguato dissipatore, mentre l’altro 20dB e può essere
utilizzato fino ad una potenza di 50W. Entrambi presentano una impedenza caratteristica
di ingresso ed uscita pari a 50 ohm e possono essere utilizzati fino ad frequenza
massima di 2 GHz. La risposta dell’attenuatore, realizzato per una attenuazione
teorica di 1dB, è decisamente buona fino a 500 MHz. Infatti il valore
riscontrato a 432 MHz è stato di 0,88 dB (foto n.12).
Attenuatore “Narda da 1W 5dB
Infine ho testato un attenuatore
resistivo, prodotto dalla “Narda”, da 1 W munito di connettori SMA sulla cui
targhetta è riportato il valore di attenuazione corrispondente a 5dB
utilizzabile fino alla frequenza di 18 GHz. Anche per questa verifica ho
utilizzato un piccolo analizzatore prodotto dalla AAI mod. N1201SA, che dopo
essere stato calibrato ha mostrato che l’attenuazione, alla frequenza di 1296
MHz, era pari a 5,01 dB e che la stessa attenuazione rimaneva costante fino
alla frequenza di 2,7 GHz. Purtroppo mi sono dovuto fermare a questo valore di
frequenza perché lo strumento in mio possesso non consentiva di andare oltre.(foto n.13) Da questa semplice verifica appare
tuttavia verosimile che anche alle frequenze più altre, questo piccolo
attenuatore, presenti i valori di attenuazione dichiarati.
Conclusioni
Con questo contributo desidero
far crescere nei lettori, soprattutto in quelli “principianti”, oltre alla
voglia di replicare quanto da me realizzato, il desiderio nei confronti
dell’autocostruzione. Sono infatti persuaso che l’autocostruzione possa essere
particolarmente interessante, soprattutto partendo da semplici progetti che
siano in grado di garantire un buon rapporto fra le attese ed i risultati che
si possono ottenere. Infatti questa modalità di lavoro ed i buoni risultati che
si possono conseguire, gratifica e soddisfa chi li realizza, al punto da
stimolare ed incoraggiare, anche chi è “alle prime armi”, ad intraprendere
l’interessantissima avventura dell’autocostruzione..
i4civ.onorio@gmail.com