Ochrana vstupních obvodů přijímače
(Tento článek, který jsem napsal před mnoha lety byl umístěn na webu OKDXF v sekci Technika)
Zvláštní přijímací anténa (Beverage, SALA, Pennant, Flag apod.) je nutností při práci na pásmech 160, 80 a často i 40 m. Aby však mělo použití zvláštní přijímací antény vůbec smysl, musí být transceiver vybaven zvláštním vstupem pro tuto anténu. Ten však většinou nebývá chráněn proti přetížení či případnému zničení vysokou úrovní vstupního signálu a musí tedy být chráněn zvláštním ochranným obvodem.
Zkoušet, co vydrží vstup u našeho transceiveru se rozhodně nevyplatí. Oprava „vypáleného“ vstupu bývá zpravidla dražší, než ochranný obvod – to vše za předpokladu, že je obvod správně použit. O tom, co je správné použití ochranného obvodu nemá smysl příliš diskutovat, přiznám se, že se mi podařilo vypálit vstup transceiveru při SO2R provozu na 160+80 m i s ochranným obvodem s relátky a to jen díky tomu, že na vstupu nebyl zařazen řádný filtr, takže při příjmu na 160 m a současném vysílání na 80 m dostal vstup „plný štos“ a odešly spínací diody, přepínající vstupní obvody TCVR TS-850S. Důsledek byl fatální, TS-850S šel do kouta a závod se jel na jediné rádio. Jakou to znamenalo ztrátu mohu jen odhadovat, jen stále slyším pichlavé poznámky Karla, OK1DNH o tom, že zase byl FOC Marathon… Při provozu v kategorii multi-multi nebo při expedici, kdy je v provozu více pracovišť současně je pak situace ještě horší, bývá nemožné ohlídat všechno a stupeň automatizace pracovišť a jejich vzájemné propojení bývá opravdu náročné.
Tím se dostáváme k vlastní konstrukci ochranného obvodu. Možné jsou dvě metody:
1) použití relé (obr. 1)
Obr. 1. Novější verze Front End Saveru s čínskými SIP relátky Pan Chang 1A12.
Tento obvod byl poprvé publikován v článku [1] (ke stažení zde). Zapojení jsem upravil pro jazýčková relé PRMA v DIP pouzdru, navrhl nový plošný spoj a publikoval v článku Yet Another Front End Saver na svých stránkách zde. Postupem času se zapojení stalo velmi populární. Front End Saver stavěly závodní týmy po desítkách a počet „saverů“, které jsou v provozu bude v řádu stovek. Zaslechl jsem, že se vyrábí i komerčně, jen nevím, jde-li o původní zapojení KD9SV nebo o moji verzi. Zapojení je tedy dostatečně ověřené, přesto jsem ho přepracoval, neboť relátka v DIP pouzdru jsou poměrně drahá a občas se těžko shánějí. Na eBay jsou však k dispozici velmi levně čínská relátka Pan Chang, která se velmi osvědčila a řada firem je používá ve svých přístrojích. Mají velmi výhodné vlastnosti, jsou rychlá (přítah i odpad 0,3 – 0,5 ms a stihnou spínat i kmitočet 500 Hz) a manipulace s pouzdry SIP (vývody v jedné řadě a jen v nezbytném počtu – obr. 2) je oproti DIP 14 snadnější. Nová verze je tedy navržena pro tento typ relé.
Obr. 2. Relé Pan Chang SIP 1A12.
Datasheet použitých relé si můžete stáhnout zde.
Následující obrázky (obr. 3, 4) znázorňují obě strany desky plošných spojů o rozměrech 45,7 x 58,4 mm. Domácká výroba se nepředpokládá, proto jsou k dispozici výrobní data ve formátu Gerber (ke stažení zde).
Obr. 3. Horní strana desky plošných spojů se znázorněním rozmístění součástek.
Obr. 4. Spodní strana desky plošných spojů.
Funkce obvodu je zdánlivě jednoduchá. V klidu je tranzistor Q1 otevřený a relé RY1 sepnuté. Signál z přijímací antény tedy prochází na vstup přijímače. Po zaklíčování je báze Q1 připojena k zemi a RY1 odpadne. Signál z antény tedy na vstup RX neprochází. Otevře se Q2, sepnou RY2 a RY3, čímž se vstup přijímače uzemní (RY2) a zaklíčuje transceiver (RY3).
Obvod je při CW zařazen v klíčovací cestě, při jeho použití při SSB a digimódech musí být v cestě PTT. Problémem však zůstává cesta signálu z přijímací antény na vstup RX v případě, že v těsné blízkosti pracuje další pracoviště. Signál z něj se dostává na vstup RX vždy, když není transceiver zaklíčován. K vypálení RX dojde nejen při náhodném zavysílání na stejném pásmu, ale nebezpečí zde existuje i při zavysílání kdekoli jinde, pokud není do cesty signálu z přijímací antény ke vstupu zařazen filtr. Filtry je nutné přepínat podle pásma, na kterém pracuje transceiver, který má být chráněn. Ochrana vstupu pro přijímací anténu je tedy jaksi polovičatá, její součástí jsou zmíněné filtry. Jejich použití je sice nejen správné z hlediska rušení ze sousedního pracoviště, ale i nutné pro funkci ochrany. Problém při jejich přepínání může tedy způsobit nejen rušení, ale i vypálení vstupu RX. A to se mimochodem stalo v zmíněném případě FOC Marathonu, kdy byly filtry přepínány ručně. Původně jednoduchá funkce se najednou poněkud komplikuje…
2) použití ochranných diod (obr. 5)
Zcela jiný obvod, rovněž mnohokrát popsaný v různých článcích vyrábí a komerčně nabízí firma Array Solutions.
Obr. 5. Diodový ochranný obvod vstupu RX.
(klikněte na obrázek pro zvětšení)
Manuál k obvodu je ke stažení zde.
Kolem tohoto obvodu se velmi často diskutovalo ve spojitosti se vznikem intermodulačních produktů. Nejčastěji vyslovovaná obava byla z použití antiparalelně spojených diod na vstupu přijímače a ze zhoršení jeho IMD parametrů (IP, dynamický rozsah). Popisovaný obvod však nepředstavuje diodový omezovač „natvrdo“, ale využívá tzv. soft clipping. K omezování při vstupních úrovních, odpovídajících „kolenu“ charakteristiky diody sice dochází, ale výsledný signál nebude díky oběma transformátorům T1 a T2 a odporům R1 a zejména R2 obdélníkový, ale zakulacený, jak vyplývá z následujících obr. 6 – 11.
Obr. 6. Vstupní úroveň 0 dBm, žádné viditelné omezení.
Obr. 7. Vstupní úroveň 5 dBm, žádné viditelné omezení.
Obr. 8. Vstupní úroveň 10 dBm, nepatrné omezení.
Obr. 9. Vstupní úroveň 15 dBm, viditelné omezení.
Obr. 10. Vstupní úroveň 20 dBm, výrazné omezení.
Obr. 11. Vstupní úroveň 25 dBm, velmi výrazné omezení.
Výsledný „zakulacený“ signál obsahuje mnohem méně harmonických a vzniká i mnohem méně intermodulačních produktů. Uvedené hodnoty se vztahují k impedanci 50 Ω, budou tedy platit, pokud použijeme transformátory T1 a T2 s převodem 1:1. Transformátory pracují do zkratu, jsou-li diody vodivé, způsobuje obvod vysoké ČSV na napáječi přijímací antény a tím i vysoký útlum, energie je odražena zpět do přijímací antény. Bude-li použit transformátor s větším převodem, nastane omezení dříve (obr. 12).
Obr. 12. Výkon (dBm) při různé velikosti zatěžovací impedance pro Uš=0,6 V.
Diskuse se vedou rovněž kolem převodu transformátorů. Ačkoli lze často najít poukazy na to, že použití transformátorů 1:1 je nevhodné, doporučil bych právě takové transformátory. Při použití transformátorů 1:4 dochází k omezení při příliš nízkých úrovních vstupního signálu, jak vyplývá z obr. 12, příp. z tab. 1., odvozené ze vztahu [1]
P(dBm) = 10 log10(u2/(R*p0)) [1]
Tab. 1. Vztah mezi výkonem P (dBm) a (W) a napětím
(RMS, špička, špička-špička) pro sinusový signál
v systému s impedanci 50 Ω.
| P (dBm) | P (W) | Urms (V) | Ušp (V) | Ušš (V) |
| 0 | 0,100E-02 | 223,607 mV | 316,180 mV | 632,360 mV |
| 1 | 0,126E-02 | 250,891 mV | 354,760 mV | 709,520 mV |
| 2 | 0,158E-02 | 281,504 mV | 398,047 mV | 796,094 mV |
| 3 | 0,200E-02 | 315,853 mV | 446,616 mV | 893,232 mV |
| 4 | 0,251E-02 | 0,354 V | 0,501 V | 1,002 V |
| 5 | 0,316E-02 | 0,398 V | 0,562 V | 1,125 V |
| 6 | 0,398E-02 | 0,446 V | 0,631 V | 1,262 V |
| 7 | 0,501E-02 | 0,501 V | 0,708 V | 1,416 V |
| 8 | 0,631E-02 | 0,562 V | 0,794 V | 1,588 V |
| 9 | 0,794E-02 | 0,630 V | 0,891 V | 1,782 V |
| 10 | 0,100E-01 | 0,707 V | 1,000 V | 2,000 V |
Prakticky každý transceiver snese bez poškození 10-11 dBm, většinou není nutné se obávat ani 13-15 dBm. Nezapomínejme, že +5 dBm odpovídá S9 + 80 dB! Proto je vhodné držet úroveň omezení poměrně vysoko a není třeba se obávat nedostatečné ochrany přijímacího vstupu. Navíc je výstupní úroveň z RX antény velmi nízká, např. Beverage se „ziskem“ -10 dB produkuje desetinu toho, co by vyprodukoval obyčejný půlvlnný dipól. Flag, Pennant, DHDL a podobné antény mají ještě mnohem nižší výstupní úrovně. Lze tedy říci, že případ, kdy začnou omezovat diody v tomto obvodu bude velmi vzácný a nastane prakticky jen tehdy, pokud v místě pracuje ještě další vysílací pracoviště. Ve výjimečných případech, např. v těsné blízkosti SV rozhlasových vysílačů o velkém výkonu, může ke vzniku intermodulačních produktů dojít. Těmto problémům spolehlivě zabrání SV pásmová zádrž, příp. horní propust, potlačující kmitočty pod 1,8 MHz. Úroveň omezování lze rovněž nastavit pomocí odporu R2.
Vzájemné srovnání obou typů ochranných obvodů
Front End Saver s relé se může zdát jako obvodově čistší řešení. Bohužel skutečnost je jiná – obvod je součástí klíčovací cesty a chrání jen tehdy, je-li zaklíčován. Praktickým důsledkem je to, že vstup přijímače je spolehlivě chráněn jen před poškozením signálem vlastního vysílače a to ještě jen toho, v jehož klíčovací cestě je zařazen. Při práci SO2R již vstup RX chráněn není. Na závodních stanicích kategorie multi-multi je nepoužitelný. K nevýhodám je nutné připočíst i další kabeláž navíc. Řešení KD9SV [1] je tedy zcela nevyhovující.
Aktivní ochranný obvod s diodami [2] funguje jinak – chrání vždy a všude, je nezávislý na klíčovací cestě, nepotřebuje žádné napájení ani ovládání a tedy i žádnou další kabeláž. Chrání i před účinky statické elektřiny, popsaný obvod funguje navíc jako dodatečná plášťová tlumivka – na vstup RX se dostává pouze signál z antény. Na rozdíl od předchozího obvodu chrání vstup přijímače dokonale. Obvod vydrží i přímé „zavysílání“ do vstupu RX výkonem 10 W! Obavy ze zhoršení intermodulační odolnosti přijímače nejsou namístě. Situace, kdy by ke vzniku intermodulačních produktů došlo, jsou velmi vzácné.
Obr. 13. Originální AS-RXFEP od Array Solutions.
Nevýhodou originálního AS-RXFEP od Array Solutions je jeho umístění v kovové krabičce – tím se použité transformátory neuplatní a k oddělení nedochází. Použití konektorů SO-239 je rovněž zbytečností.
Stavba diodového omezovače
Ve zkušebním vzorku byly použity transformátory, tvořené vinutím 2x 2 záv. na „dlouhém“ dvouděrovém jádru BN73-6802. V některých popisech konstrukce tohoto omezovače lze najít rozbor provedení transformátoru, kde je shodný počet závitů na primáru a sekundáru označen jako chyba a je doporučeno použití transformátoru 1:4. V praxi se to však ukázalo jako zbytečné – omezovač by tak začínal omezovat při mezivrcholovém napětí 4x nižším, než při použití transformátoru 1:1. U vzorku s transformátorem 1:1 začíná omezování při vstupní úrovni + 6 dBm (mezivrcholové napětí 1,262 V), což je naprosto vyhovující a vstup přijímače tuto úroveň snese zcela bez problémů.
Obvod je opět realizován na dvoustranné desce plošných spojů, navržené tak, aby bylo možné použít jak transformátory na „dlouhých“ dvouděrových jádrech BN-6802 (BN73-6802), tak i běžných BN-202 (BN73-202). Gerber data jsou ke stažení zde.
Obr. 14. Horní strana desky plošných spojů se znázorněním rozmístění součástek.
Obr. 15. Spodní strana desky plošných spojů.
(pozn. obrázky desky jsou v podobě, jak ji vidí zobrazovač Gerber přímo u výrobce - Seeed Studio Fusion)
Obr. 16. Hotový diodový omezovač.
Dosažené výsledky (aktualizace 23.4.2018)
Diodový omezovač představuje vložný útlum na jednotlivých pásmech:
160 m - 0,31 dB
80 m - 0,41 dB
60 m - 0,49 dB
40 m - 0,59 dB
30 m - 0,8 dB
Obr. 17. Kmitočtová charakteristika diodového omezovače.
(klikněte na obrázek pro zvětšení)
Zhoršení ČSV je patrné z obrázku. Z uvedeného měření vyplývá, že na nižších KV pásmech je vliv omezovače zanedbatelný.
Odkazy:
[1] Gary R. Nichols, KD9SV; Beverage Antennas – There‘s More To Them Than Meets The Eye, CQ, February 1997, str. 32-33
[2] AS-RXFEP - Receiver Front End Protector, https://www.arraysolutions.com/as-rxfep
