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.
Per poter ricavare i valori dei resistori con cui realizzare questi attenuatori, in Internet[1] 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)
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)
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).
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..
