تضعیف کننده L-pad

در  شکل اصلی خود، تضعیف کننده‌ی L-pad (تضعیف کننده ال پد)، چیزی به جز یک  شبکه‌ی تقسیم ولتاژی بسیار ساده نیست که در بسیاری از مدارهای الکتریکی و  الکترونیکی، برای ایجاد ولتاژ با مقدار کمتری، استفاده می‌شود.

تفاوت،  این‌بار در این است که این نوع تضعیف کننده در مدارهای وابسته به فرکانس،  برای ایجاد تلفات (تضعیف) در یک خط انتقال یا مطابقت با امپدانس‌های منبع  نامتعادل یا شبکه‌های‌بار استفاده می‌شود.

تضعیف‌کننده‌ی L-pad، شامل  دو عنصر کاملا مقاومتی، به‌صورت سری است که با یکدیگر به یک منبع ولتاژ  متصل شده‌اند و نسبت بین این دو مقاومت یک شبکه تقسیم ولتاژ، به‌صورت زیر  است:

مدار پایه‌ی تضعیف کننده‌ی L-pad

می‌توان دید که طراحی  تضعیف کننده‌ی L-pad همان مدار تقسیم  ولتاژ است که برای کاهش مقدار ولتاژ ورودی مورد استفاده قرار می‌گیرد. دو  مقاومت به صورت سری به دو سر ولتاژ ورودی متصل شده‌اند؛ در حالیکه، به دو  سر ولتاژ یا سیگنال خروجی تنها یک مقاومت متصل می‌شود. نحوه ‌قرارگیری دو  عنصر مقاومتی همانند L” “معکوس بوده و از این رو نام این تضعیف کننده،  “تضعیف کننده‌ی “L-pad است. برای این نوع مدار، تضعیف با نسبت خروجی به  ورودی یا  توصیف می‌شود.

مقاومت ورودی R1، به‌صورت سری با خروجی قرار  گرفته؛ درحالی‌که مقاومت R2 موازی با خروجی و از این‌رو، بار است. پس  ولتاژ خروجی تامین شده توسط این پیکربندی “L” شکل، بریک ضریب تقسیم می‌شود؛  که برابر با نسبت مقادیر مقاومتی است؛ همان‌گونه که در زیر آمده است:

از آنجایی که تضعیف کننده‌ی L-pad از عناصر کاملا مقاومتی  تشکیل‌شده است؛ هیچ شیفت فازی در تضعیف کننده نخواهد بود. قراردادن تضعیف  کننده بین منبع و بار، نباید تغییری در ولتاژ منبع ایجاد کند و از این‌رو،  رزیستانس دیده شده از منبع، باید در هر زمانی ثابت باقی بماند. به دلیل  ثابت ماندن مقادیر دو عنصر مقاومتی، اگر امپدانس بار، بی‌نهایت نباشد؛  تضعیف و امپدانس آن تغییر خواهند یافت و درنتیجه، تضعیف کننده‌ی L-pad   تنها می‌تواند امپدانس را در یک‌جهت تامین کند.

تضعیف کننده‌های L-pad معمولا در اپلیکیشن‌های صوتی، برای کاهش سیگنال بزرگ یا قوی‌تر؛ زمانی که  تطابق امپدانس بین منبع و بار، بیشترین انتقال توان را ایجاد می‌کند؛  استفاده می‌گردد. اما اگر امپدانس منبع با بار متفاوت باشد،  می‌توان تضعیف  کننده را با یک امپدانس و نه هردو تطبیق داد. و دلیل آن این است که   قرارگیری عناصر مقاومتی، امپدانس یکسانی را از هر دو جهت در شبکه ایجاد  نمی‌کند. به بیان دیگر، تضعیف کننده‌ی L-pad، یک تضعیف کننده‌ی نامتقارن  بوده و بنابراین، اگر یک شبکه تضعیف کننده برای تطابق با دو امپدانس  نابرابر در هر دوجهت موردنیاز باشد؛ باید از انواع دیگر تضعیف کننده مانند  تضعیف کننده‌ی T-pad”” یا “Pi-pad” متقارن استفاده نمود.

تضعیف کننده‌ی L-pad با امپدانس‌های برابر

همان‌گونه که پیش از این بیان شد؛ یک تضعیف کننده‌ی پسیو، یک  شبکه‌ی مقاومتی است؛ که برای کاهش توان یا سطح سیگنال یک سیگنال فرکانس  صوتی یا رادیویی بدون ایجاد اعوجاج در آن طراحی شده‌است. گاهی اوقات خروجی  تقویت کننده‌ی صوتی، ممکن است بسیار زیاد باشد و تضعیف برای تضمین این  سیگنال در یک بلندگو لازم است. برای مثال، فرض کنید در نظر داریم؛ که توان  منتقل‌شده به یک تقویت کننده با‌ امپدانس منبع خروجی (ZS) 8Ω؛ که بار بلندگوی (ZL) 8Ωرا با 6dB تغذیه می‌کند؛ کاهش دهیم. مقادیر مقاومت‌های R۱ و R۲ به‌صورت زیر است:

مدار تضعیف کننده‌ی L-pad

معادله‌ی مدار تضعیف کننده‌ی L-pad متصل‌شده بین دو امپدانس برابر (ZS=ZL) اگر از جهت امپدانس منبع ZS نگاه کنیم، خواهدبود:

برای ساده‌سازی طراحی تضعیف کننده، می‌توان یک مقدار “K” را برای  ساده‌کردن ریاضیاتی معادله تضعیف کننده در بالا به‌کار برد. مقدار “K”  نسبت ولتاژ، جریان یا توان مرتبط با مقدار تضعیف است. معادله‌ی کلی برای  “K” داده‌شده به‌صورت زیر خواهد بود:

پس در مثال ما، مقدار “K” برای تضعیف ولتاژ 6dB برابر با  خواهد بود. جایگزینی این مقدار برای تضعیف در دو معادله به ما خواهد داد:

پس بین دو امپدانس برابر که از جهت امپدانس منبع ZS نگاه می‌شود؛ مقدار مقاومت سری R1 برابر با 4Ω و مقدار مقاومت موازی R2 برابر با 8Ω است.

مشکل  این نوع پیکربندی تضعیف‌کننده‌ی L-pad، این است؛ که تطابق امپدانس در جهت  مقاومت سری R1 است؛ درحالی‌که، “عدم تطابق” امپدانس در جهت مقاومت موازی R2  است. مشکل این است که با افزایش سطح تضعیف، این عدم تطابق به‌طور  فزاینده‌ای بزرگتر می‌شود و در مقادیر بالای تضعیف، مقدار مقاومت موازی  به‌کسری از اهم تبدیل می‌گردد.

برای مثال، مقادیر R1 و R2 در تضعیف  -32dB برابر با 7.8Ω و 0.2Ω است. این 200mΩ، به‌طور موثر خروجی بلندگو را  کاهش می‌دهد که می‌تواند تاثیر جدی بر مدار خروجی تقویت کننده‌ها داشته  باشد. یک راه افزایش تضعیف بدون اضافه بار منبع این است؛که امپدانس با مدار  در جهت امپدانس بار ZL تطابق داشته‌باشد. اما به دلیل این‌که،  به مدار تضعیف کننده L-pad از جهت مقاومت موازی نگاه می‌کنیم؛ معادلات کمی  متفاوت خواهند بود. پس بین امپدانس‌های مساوی و با تطابق امپدانس از نظر  بار، مقادیر مقاومت‌های R1 و R2 به‌صورت زیر محاسبه می‌شود.

"نگاه" از جهت بار

اگر تضعیف را تا 32dB- افزایش دهیم؛ مقدار مقاومت‌ها به ترتیب برابر با R1=310Ω  و R2=8.2Ω می‌شود و این مقادیر برای اتصال مدار منبع، به‌اندازه‌ی کافی ایمن می‌باشند.

تضعیف کننده‌ی L-pad با امپدانس‌های نابرابر

تا اینجا، به اتصال تضعیف کننده‌ی L-pad بین امپدانس‌ها، برای فراهم‌آوردن تضعیف‌ سیگنال نگاه کردیم. اما از تضعیف  کننده‌ی L-pad برای تطبیق امپدانس‌های دو مدار نابرابر نیز می‌توان  استفاده کرد. این امپدانس ممکن است؛ در جهت امپدانس بزرگتر یا کوچکتر باشد  اما در جهت هر دو نخواهد بود. پیکربندی تضعیف کننده مانند قبل است؛ اما  معادلات مورد استفاده در تطبیق دو امپدانس نابرابر متفاوت است که زیر نشان  داده می‌شود.

بین دو امپدانس نابرابر، تطابق امپدانس نسبت به امپدانس کوچکتر از سمت منبع است.

مطابقت امپدانس با امپدانس‌های کوچک‌تر

بین دو امپدانس نابرابر، تطابق امپدانس نسبت به امپدانس بزرگتر از سمت منبع است.

مطابقت امپدانس با امپدانس بزرگ‌تر

مثال ۲

یک خط انتقال سیگنال که دارای امپدانس منبع 75Ω است؛ به یک  مترسنج سیگنال با امپدانس 50Ω که دارای حداکثر مقدار -12dB است. مقادیر  مقاومت‌های موردنیاز مدار تضعیف کننده‌ی L-pad برای کارکرد با حداکثر توان  را محاسبه کنید.

با تطبیق امپدانسی نسبت به مقدار کوچکتر 50Ω، مقاومت‌های R1 و R2 به صورت زیر محاسبه می‌گردند:

پس مقاومت R1 برابر با 59.6Ω و R2 برابر با 22.2Ω یا مقادیر نزدیک به آن‌ها می‌تواند باشد.

تضعیف کننده‌ی L-pad،  می‌تواند برای مطابقت کامل یک امپدانس با دیگری، برای فراهم‌کردن مقدار  ثابتی از تضعیف استفاده شود اما مدار نتیجه با “از دست‌دادن” همراه  خواهدبود. درهرحال، اگر مقدار ثابتی از تضعیف، مهم نباشد و تنها حداقل  تلفات درج بین منبع و بار نیاز باشد؛ تضعیف کننده‌ی L-pad می‌تواند برای تطابق دو مقدار امپدانس نابرابر، با استفاده از معادلات زیر برای محاسبه مقاومت‌های R1 و R2 استفاده شود.

حداقل تلفات درج

داریم: مقاومت R1 در طرف امپدانس کوچکتر و مقاومت R2 در طرف  امپدانس بزرگتر است و در مثال ما در بالا، به ترتیب برابر با 75Ω و 50Ω  خواهد بود.

حداقل تلفات درج برحسب دسی بل یک تضعیف‌کننده L-pad متصل‌شده بین منبع و بار برابر خواهد بود با:

حداقل تضعیف برحسب dB

برای تضعیف کننده‌ها‌ی L-pad که دارای عناصر راکتیو مانند سلف و خازن در طراحی خود می‌باشند؛ EEWeb دارای ابزار رایگان آنلاین تضعیف‌کننده L-pad برای محاسبه مقادیر عناصر در فرکانس موردنیاز آن‌هاست.

خلاصه تضعیف‌کننده L-pad

دراین آموزش دیدیم که مدار تضعیف کننده‌ی L-pad (تضعیف کننده ال‌پد)،  پسیو بوده و یک شبکه‌ی کاملا مقاومتی است؛ که می‌تواند برای کاهش قدرت  سیگنال در زمان تطابق امپدانس بین بار و منبع به‌کار برده‌ شود. تضعیف  کننده‌های L-pad ،معمولا در لوازم الکترونیکی صوتی، برای کاهش سیگنال صوتی  تولید‌شده توسط تقویت کننده‌ای که به بلندگو یا هدفون می‌رسد؛ استفاده  می‌شود.

با این‌حال، یکی از معایب تضعیف کننده‌ی L-pad این است؛ که  به‌دلیل دستگاه امپدانس ثابت بودن، در تنظیمات توان کم، تضعیف‌کننده تمام  انرژی خود را به بار نمی‌فرستد؛ بلکه به‌صورت قابل توجهی به گرما تبدیل  می‌کند. همچنین، در فرکانس‌های بسیار بالاتر یا درجایی که مدار تضعیف کننده  نیاز به تطابق کاملا ورودی و خروجی دارد؛ دیگر طرح‌های بهبودیافته‌ی تضعیف  کننده استفاده می‌شود.

در آموزش بعدی در مورد تضعیف کننده‌های پسیو، به نوع دیگری از طراحی تضعیف کننده‌، به‌نام تضعیف کننده‌ی T-pad که از سه عنصر مقاومتی برای ایجاد تضعیف کننده متعادل تشکیل شده‌است؛ می‌پردازیم.