V rádioamatérskej praxi sa často stretávame s potrebou efektívneho manažmentu zvukových ciest, najmä pri prechode medzi príjmom (RX) a vysielaním (TX). Jedným z najnepríjemnejších sprievodných javov pri manipulácii s audiom v reálnom čase sú nežiaduce prechodové javy, ktoré sa v slúchadlách alebo reproduktore prejavujú ako nepríjemné pukanie, „lupnutie“. Môžu predstavovať aj riziko pre sluch operátora.
Riešením tohto problému je elektronický audiospínač s definovanými časovými konštantami, ktorý zabezpečí okamžité odpojenie signálu pri vysielaní a jeho postupné, plynulé pripojenie pri návrate k príjmu. V nasledujúcom článku podrobne rozoberieme zapojenie využívajúce cenovo dostupné MOSFET tranzistory, ktoré je navrhnuté práve na tento účel.
V článku sa dočítate
Prečo zvoliť MOSFET namiesto relé?
Tradičným spôsobom prepínania audia v rádioamatérskych zariadeniach bývalo mechanické relé. Hoci relé poskytuje vynikajúcu izoláciu v rozpojenom stave a takmer nulový odpor v zopnutom stave, má niekoľko zásadných nevýhod. Prvou je mechanické opotrebenie a obmedzená rýchlosť spínania. Druhou, a pre audio kritickejšou, je neschopnosť ovplyvniť nábehovú a dobehovú hranu spínaného signálu. Relé buď kontakt má, alebo nemá.
Elektronické spínače s polovodičmi, konkrétne s MOSFETmi, nám umožňujú pracovať s tzv. časovými konštantami. Vďaka nim môžeme dosiahnuť, aby sa spínač otvoril (stlmil audio) v priebehu mikrosekúnd, ale zatvoril (obnovil audio) v priebehu milisekúnd. Tento asymetrický priebeh je kľúčom k odstráneniu akustických rázov.
Architektúra obvodu a eliminácia parazitných diód
Základom prezentovaného zapojenia sú dva N-kanálové MOSFET tranzistory typu 2N7000 (označené ako Q1 a Q2). Tieto tranzistory sú vynikajúcou voľbou pre analógové spínanie, pretože v zopnutom stave vykazujú nízky odpor a dokážu viesť signál oboma smermi bez ohľadu na jeho polaritu, čo je pre striedavý audio signál nevyhnutné.
Pri návrhu polovodičového audio spínača však musíme brať do úvahy neoddeliteľnú súčasť štruktúry každého MOSFETu – tzv. parazitnú diódu (body diode). Táto dióda je zapojená medzi substrátom a drainom. Ak by sme použili iba jeden tranzistor, táto dióda by začala viesť elektrický prúd v momente, keď by amplitúda audio signálu prekročila jej prahové napätie (približne 0,6 V). To by znamenalo, že aj v stave, kedy má byť spínač vypnutý, by cez neho prechádzali špičky hlasnejšieho signálu, čo by spôsobovalo skreslenie a nedokonalé stlmenie.
Riešením, ktoré využíva aj tento obvod, je zapojenie dvoch MOSFETov sériovo, chrbtom k sebe (back-to-back). V takejto konfigurácii sú ich parazitné diódy zapojené v protismere. Bez ohľadu na polaritu audio signálu bude vždy jedna z diód v závernom smere, čím sa efektívne zablokuje priechod signálu v neaktívnom stave.
Princíp činnosti a časové konštanty
Srdcom riadiacej časti je rezistor R1 (100 kΩ), kondenzátor C1 (3,3 µF) a dióda D1 (1N4148). Celý proces je riadený signálom RX_5V, ktorý je pri príjme na úrovni 5 V a pri vysielaní na úrovni zeme (GND).
Režim príjmu (RX) – Plynulý nábeh
Keď sa zariadenie prepne do režimu príjmu, na riadiaci pin RX_5V sa privedie napätie 5 V. Kondenzátor C1 sa začne nabíjať cez rezistor R1. Pre tranzistor 2N7000 je typické, že sa začne otvárať, keď napätie na jeho bráne (gate) dosiahne približne 2 V voči emitoru (source).
Čas, za ktorý napätie na C1 dosiahne túto hranicu, môžeme vypočítať podľa vzorca pre nabíjanie RC člena. V tomto konkrétnom prípade trvá približne 168 milisekúnd, kým napätie dosiahne 2 V a tranzistory sa naplno zopnú. Táto relatívne dlhá doba zabezpečí, že audio sa neobjaví okamžite v plnej sile, ale plynule sa „vynorí“, čím sa eliminujú akékoľvek lupnutia po ukončení vysielania.
Režim vysielania (TX) – Okamžité stlmenie
V momente prechodu do režimu vysielania sa napätie na pine RX_5V zmení na 0 V. V tejto situácii nastupuje dióda D1. Tá umožní kondenzátoru C1, aby sa vybil takmer okamžite smerom k zemi, obchádzajúc rezistor R1 s vysokým odporom. Napätie na bránach Q1 a Q2 klesne pod prahovú hodnotu v zlomku milisekundy, čím sa prijímač stlmí skôr, než sa stihne prejaviť akýkoľvek prechodový jav z vysielača.
Analýza útlmu a impedančné prispôsobenie audiospínača
Z hľadiska kvality prenosu je dôležité, aby audiospínač v aktívnom stave signál neovplyvňoval a v neaktívnom ho dokonale izoloval.
V zopnutom stave majú tranzistory 2N7000 celkový odpor v jednotkách ohmov. Pri typickej impedancii audio cesty (napr. 10 kΩ) je vložný útlm tohto spínača približne -0,02 dB, čo je z hľadiska ľudského sluchu aj meracích prístrojov absolútne zanedbateľná hodnota. Rezistor R2 (10 kΩ) slúži na udržanie sourceov tranzistorov na úrovni zeme, čím definuje pracovný bod brány, no jeho hodnota je dostatočne vysoká na to, aby nespôsobovala nadmerné zaťaženie audio signálu.
V rozpojenom (OFF) stave sa prejavuje parazitná kapacita tranzistorov. Pri frekvencii 1 kHz dosahuje izolácia obvodu vynikajúcich -80 dB. Pri vysokých audio frekvenciách okolo 20 kHz izolácia mierne klesá k hodnote približne -45 dB, čo je však stále hlboko pod úrovňou, ktorá by bola rušivá pri bežnej prevádzke.
Záver
Prezentovaný MOSFET audiospínač predstavuje elegantné, lacné a vysoko účinné riešenie starého problému s akustickými rázmi pri prepínaní RX/TX. Vďaka kombinácii dvoch tranzistorov 2N7000 a jednoduchého RC riadenia získavame nástroj, ktorý chráni naše uši aj techniku. Ide o malý detail, ktorý však zásadne zvyšuje profesionalitu a komfort každej amatérskej rádiovej stanice.
Ďalšie využitie je napríklad pri prepínaní signálov z viacerých rádiostaníc alebo mikrofónnych vstupov.
