8-mi portový VF přepínač / 8-port RF switch

Pro jednu firmu jsem měl vyvinout a vyrobit přepínač pro přepínání VF signálů v rozsahu řádů kHz. Pro účely automatického měření byl požadavek  na digitální řízení počítačem a možnost přenosu nízkoúrovňových signálů s minimálním útlumem. A v neposlední řadě hlavně cena..... Nabízelo se použít nějaké multiportové relé SMA a k tomu udělat patřičnou logiku, jenže cena těchto relé převyšovala možnosti zadavatele, takže jsem navrhl zapojení z běžně dostupných součástek. Po změření parametrů jsem zjistil, že realizovaný přepínač je použitelný i pro radioamatérské účely. Kromě automatického měření například pro přepínání přijímacích antén.

Popis zapojení

Na následujícím obrázku je schéma zapojení celého přepínače.

Na svorkovnici X11 je přivedeno stabilizované napájecí napětí jež odpovídá spínacímu napětí použitých relé.
Přes stabilizátor 78L05 je napájen adresový dekódér typu 4028 jež dekóduje zadanou binární kombinaci pro volbu vstupu přivedenou na svorkovnici X10. Pro výběr jednoho z osmi vstupů nám stačí 3 bity. Vstupy adresového dekódéru jsou přes odporovou síť R17 trvale připojeny na log. 1 a zároveň proti zemi zablokovány kapacitami 100n. Výstupy dekódéru jsou zavedny do budiče UDN2981A. Tento výkonnový budič spíná na výstup kladné ovládací napětí pro relé. Použití tohoto budiče (místo obvyklejšího ULN2003) značně zjednodušuje konstrukci, protože umožňuje jeden vývod cívky relé uzemnit a zároveň obsahuje i reverzní diodu pro ochranu spínacího tranzistoru při vypínání cívky relé. Tyto obvody je možné zakoupit u firmy TME nebo Farnell.

Kdo nepotřebuje řízení pomocí počítače a stačí mu například pouze otočný přepínač, tyto obvody nemusí osazovat a stačí propojit pájecí plošky IO2 s vývody přepínače a spínat ovládací napětí pro relé přímo.

Jako přepínací prvky jsou použita miniaturní signálová relé typu Omron G5V-2. Využívají se oba páry kontaktů které jsou spojeny paralelně. Pokud není příslušný vstup přepnut do společného výstupu je signál veden do paralelně spojených rezistorů 100Ohm tak aby byl vstupní signál korektně zakončen. Pokud potřebujete přepínat signál přiveden kabelem o charakteristické impedanci 75Ohm, nahraďte tyto rezistory kombinací 2x150Ohm. Osazení těchto rezistorů má vliv zejména přeslech (izolaci) mezi připojeným a nepřipojeným vstupem a zlepšuje ho až o 10dB.

Místo relé Omron G5V-2 lze použít celou řadu jiných relé ve stejném pouzdře jako například: Omron G6A,
Panasonic DS2E, Zettler AZ822, Takamisawa RY a další. Nejlepší, ale také většinou nejdražší relé jsou relé s tzv. zlacenými bifurcated crossbar contacs (G5V-2).

Pevný kontakt je rozříznut na dvě samostatné části a pohyblivý spínací kontakt na ně dosedá do kříže. Tím pádem je zde dvojnásobek styčných ploch a menší pravděpodobnost jejich oxidace (a tím pádem i zvýšení útlumu při spínání).  Podle katalogu je pro taková relé definován jako minimální proud pro spolehlivé sepnutí proud o hodnotě 10 mikroampér.


Pro zvýšení spolehlivosti spínání a snížení útlumu vlivem oxidace kontaktů byl přepínač doplněn zdrojem konstantního proudu z tranzistorů T1 a T2. Pomocí rezistoru R19 byl nastaven proud asi 5mA. Tento proud protéká přes kontakty relé a konektor směrem k měřenému obvodu. Aby tento obvod fungoval musí být okruh stejnosměrně uzavřen ! Uzavření obvodu je možné například přes výstupní transformátor beverage antény, nebo přidanou tlumivkou na každý vstup přepínače. Použitá tlumivka 470uH + blokovací kondezátor 100n mezi zdrojem a VF částí je dobrým kompromisem pro pásmo KV. Protože je tato tlumivka připojena přímo na VF vedení ovlivňuje samozřejmě přenosovou charakteristiku celého přepínače. Pokud tuto funkci nevyžadujete, je možné celý obvod neosazovat. Docílí se tím o něco lepšího průchozího útlumu v oblasti nad 20MHz. S tímto obvodem souvisí i kondezátory C1 a C2 jež mají za úkol oddělit navazující obvod, tak aby do něj netekl proud z proudového zdoje v přepínači. Potřebujete-li spínat i stejnosměrné signály, pak je třeba tyto kondenzátory  neosazovat, samozřejmě včetně proudového zdroje.

Jak vstupní konektory jsem použil úhlové konektory SMA, které se dnes již dají koupit za docela rozumné peníze. V případě požadavku na přepínání signálů přivedených kabelem 75Ohm je třeba použít jiné konektory o shodné impedanci jako má signálový kabel. 

Celá konstrukce je realizována na oboustranném prokoveném plošném spoji o rozměrech 100x100mm.
Při návrhu byly respektovány zásady návrhu VF obvodů na plošném spoji. Signálová cesta je vedena pouze na spodní straně desky a je v maximální možné míře oddělena zemnícími otvory od okolí. na staně součástek je zemnící plocha nad signálovou cestou přerušena pouze v sedmi místech kde bylo třeba přivést ovládací napětí k cívce relé.  Díky tomu je minimalizován vložný útlum a maximalizován útlum odrazu (přizpůsobení) a přeslech mezi jednotlivými porty.

Výsledky měření

Na následujícím obrázku je měření vložného útlumu (přenosové charakteristiky) z jednotlivých portů na výstup:

 

Na 14MHz jsem docílil velmi solidní hodnotu -0,1dB. Do 7MHz je hodnota průchozího útlumu zcela  zanedbatelná a pohybuje se do -0.05dB což je již na hranici přesnosti mého měření.

Izolace mezi odpojeným vstupem a výstupním portem je na následujícím obrázku:

 

Na 14MHz je izolace na úrovni -47dB a na 1.8MHz lze dosáhnout vynikajících téměř -64dB.

Závěr

Předložená, prakticky realizovaná konstrukce ukazuje, že lze realizovat VF (resp. DC-30MHz) signálový přepínač s velmi solidními parametry i z běžně dostupných (=levných) součástek.

V případě zájmu o stavbu je možné si u mě objednat plošné spoje.