F8EOZ

Transceiver CW 20 m – Commutation Rx/Tx Switching

Lundi 18 novembre 2013 14:11:30

Festina lente, voilà plusieurs semaines que je cogite cet article, à lire, à décortiquer des schémas. Après un temps de repos laissant se décanter les idées, j’entame ce sujet passionnant. Toute la difficulté à appréhender le dispositif de commutation vient de sa dispersion dans le schéma électronique. Dispersion inhérente aux fonctions à commuter : RIT qui agit sur le VFO, MUTE qui agit sur l’amplification audio, QSK qui agit sur l’entrée du transceiver, interrupteur ON/OFF qui met sous tension l’émetteur. Mon but consiste à rassembler en un seul chapitre, à synthétiser l’ensemble du dispositif.

1. Description générale

Comme le montre le schéma fonctionnel, j’ai opté pour la commutation électronique. Le manipulateur ou clef reste le seul élément de commutation mécanique utilisé pour initier la commutation électronique. La clef a 2 positions : OFF au repos et ON quand on appuie dessus. Ces 2 événements déclencheurs ont pour effet de commuter les différentes fonctions du dispositif au moyen de transistors.

Pour m’appuyer sur une base solide, je suis parti de schémas publiés par KD1JV. La figure 1 ci-dessous, montre le schéma du dispositif de commutation.

Figure 1: Dispositif de commutation Rx/Tx

Télécharger les fichiers Kicad.

2. Modélisation de la clef

Fidèle à mon habitude, le dispositif sera passé au banc du simulateur LTspice.

Au début il y a une magnifique clef, peut être comme celle-ci, fabriquée par Jean-Claude F6FCO. Comment la modéliser sous LTspice ?

Un switch commandé par une tension.

La figure 2 montre le circuit.

Figure 2: Circuit modèle de la clef

2.1. Subcircuit

Il est basé sur la NET LIST produite par LTspice. Pour créer un subcircuit on se reportera à cet article.

Paramètres du switch:

Ron résistance du switch ON, très faible,
Roff résistance du switch OFF, très élevée,
e1 est le + de la tension de commande,
e2 est le – de la tension de commande,
Vt tension d´enclenchement de l´interrupteur,
Vh tension d´hystérésis à l´enclenchement, si V(e1, e2) < Vt – Vh/2 alors l´interrupteur est ouvert, si V(e1, e2) > Vt + Vh/2 alors l´interrupteur est fermé.

Paramètres du circuit:

duty cycle D = t/T = 0,5,
fréquence F = 2.

Avec ces valeurs, le switch sera ON et OFF 2 fois par seconde. La durée du ON = durée du OFF.

* C:\Users\Bernard\Documents\TCW20\tcw20RxTxSwitch\ltc\key.asc
* KEY - F8EOZ - V 17/05/2013 17:00
* KEY SUBCIRCUIT
* CONNECTIONS: 1
*              | 2
*              | |
.SUBCKT KEY    1 2  PARAMS: D=0.5s F=2
*--------------------------
* Key parameters:
* D = duty cycle = t/T
* where:
* t is the duration that the function is active
* T is the period of the function.
* F = frequency = 1/T
*--------------------------
V1 N001 0 PULSE(1 0 0 10n 10n {D/(F)} {1/F})
S1 0 1 N001 0 MonSW
.model MonSw SW(Ron=0.1 Roff = 10meg Vt=0.5 Vh=0.1)
.ENDS

Symbole

La création d’un symbole est expliquée dans cet article. La définition des attributs est différente. Les paramètres du modèle pourront être modifiés au moment de son utilisation dans le modèle, par un simple clic droit sur le symbole. Ceci permet d’utiliser un seul symbole pour des ON/OFF différents. La figure 3 ci-dessous montre exactement comment la fenêtre des attributs doit être remplie pour un fonctionnement correct. La ligne SpiceLine contient les paramètres par défaut de la clé: D=0.5s F=2 qui pourront être modifiés lors de l’utilisation du symbole.
Dans le répertoire ../LTSPICEIV/lib/sym créer le répertoire key qui recevra vos symboles. Enregistrer le symbole key.asy dans ce répertoire.
Le symbole sera relié au subcircuit dans le modèle de simulation par la directive .lib key.sub

Figure 3: attributs du symbole key

La figure 4 ci-dessous montre le dessin du symbole. Ces fichiers sont disponibles en téléchargement.

Figure 4: dessin du symbole key

Télécharger les fichiers LTspice.

3. Bloc Key Switch

3.1. Description

La clef commute un transistor PNP 2N3906. Quand la clef est OFF, le transistor au cutoff ne conduit pas. Quand la clef est ON, le transistor saturé conduit. On se reportera à l’article sur le tracé de la caractéristique de transfert en tension qu’il est possible d’obtenir en utilisant LTspice. En sortie 2 lignes, TxVcc qui alimente les premiers étages de l’émetteur et commande le bloc QSK Switch, TxLine qui commande les blocs suivants. La résistance fictive Rload simule la charge représentée par les premiers étages de l’émetteur.

3.2. Analyse en régime continu

Le schéma figure 5 ci-dessous, montre le circuit de simulation LTspice.

Figure 5: Bloc Key Switch – Simulation LTspice en régime continu

Ci-dessous les valeurs des tensions et courants obtenues quand la clef est ON:

V(c1):     13.8          voltage
V(txvcc):  13.7459       voltage
V(txline): 13.3544       voltage
V(key):    0.000586371   voltage
V(b1):     12.9007       voltage
Ic(Q1):    -0.0624945    device_current
Ib(Q1):    -0.00585471   device_current
Ie(Q1):    0.0683492     device_current
I(D1):     1.33544e-005  device_current
I(R3):     1.33544e-005  device_current
I(R2):     8.99258e-006  device_current
I(Rload):  0.0624812     device_current
I(R1):     -0.00586371   device_current
I(V1):     -0.0683582    device_current
Ix(u1:1):  0.00586371    subckt_current

Télécharger les fichiers de simulation LTspice.

3.3. Analyse en régime variable

Le schéma figure 6 ci-dessous, montre le circuit de simulation LTspice.

Figure 6: Bloc Key Switch – Simulation LTspice en régime variable

La figure 7 ci-dessous, montre le graphe des tensions obtenu avec la clef réglée avec ses valeurs par défaut indiquées au paragraphe 2. La cellule R2C2 retarde la montée et la descente de la tension de la base du transistor Q1, retardant la commutation pour atténuer les key clicks. La diode D1 et la cellule R3C3 retardent la coupure de la tension de TxLine.

Figure 7: Bloc Key Switch – Graphe des tensions

Télécharger les fichiers de simulation LTspice.

4. Bloc QSK Switch

QSK – “Je peux vous entendre au cours de ma transmission” – parfois appelé full break-in, désigne un mode de fonctionnement particulier du code Morse dans lequel le récepteur est activé rapidement pendant les espaces entre les points et les traits, ce qui permet à un autre opérateur d’ interrompre la transmission.

4.1. Description

L’antenne est connectée à la sortie de l’émetteur et à l’entrée du récepteur. En émission, le récepteur doit être isolé de l’antenne. Trois transistors MOSFET canal N 2N7000 s’occupent de cette fonction. M2 relie le récepteur à l’antenne en réception ou l’isole de l’antenne en émission. En raison des courants de fuite de M2, le récepteur n’est pas complètement isolé du signal d’émission, M3 shunte l’entrée du récepteur en émission. La tension de commande TxLine est appliquée à la grille de M3 et à la grille de M1 qui commande M2. Quand la clé est appuyée pour émettre, alors M2 = OFF et M3 = ON. Quand la clé est relâchée pour recevoir, alors M2 = ON et M3 = OFF.

4.2. Analyse en régime continu

Le schéma figure 8 ci-dessous, montre le circuit de simulation LTspice.

Figure 8: Bloc QSK Switch – Simulation LTspice en régime continu

Ci-dessous les valeurs des tensions et courants obtenues quand la clef est ON:

V(mute):   0.000263519   voltage
V(txline): 13.3157       voltage
V(txvcc):  13.7089       voltage
V(key):    0.000585177   voltage
V(b1):     12.8745       voltage
V(rxin):   0             voltage
V(ant):    0             voltage
Ic(Q1):    -0.137103     device_current
Ib(Q1):    -0.00584252   device_current
Ie(Q1):    0.142945      device_current
I(D1):     1.33157e-005  device_current
Id(M3):    0             device_current
Ig(M3):    0             device_current
Ib(M3):    0             device_current
Is(M3):    0             device_current
Id(M2):    0             device_current
Ig(M2):    0             device_current
Ib(M2):    0             device_current
Is(M2):    0             device_current
Id(M1):    0.000137997   device_current
Ig(M1):    0             device_current
Ib(M1):    -2.63934e-016 device_current
Is(M1):    -0.000137997  device_current
I(Rload2): 0             device_current
I(R3):     1.33157e-005  device_current
I(R1):     9.25515e-006  device_current
I(Rload):  0.137089      device_current
I(R2):     -0.00585177   device_current
I(R4):     0.000137997   device_current
I(V2):     0             device_current
I(V1):     -0.143092     device_current
Ix(u1:1):  0.00585177    subckt_current

Télécharger les fichiers LTspice.

4.3. Analyse en régime variable

Le schéma figure 9 ci-dessous, montre le circuit de simulation LTspice. Avec cette simulation, j’ai atteint la limite des capacités de calcul et d’affichage de mon ordinateur. J’ai dû en conséquence, limiter la fréquence du générateur d’entrée de l’antenne V2 à 1 MHz et faire preuve de patiente, la simulation dure environ 35 mn.

Figure 9: Bloc QSK Switch – Simulation LTspice en régime variable

La figure 10 ci-dessous, montre le graphe des tensions obtenu avec la clef réglée avec ses valeurs par défaut indiquées au paragraphe 2. La tension sinusoïdale (V2, F) = (1 V, 1 MHz) est injectée en permanence à l’entrée de l’antenne. Le graphe du haut Vrxin montre que le signal entre dans le récepteur à partir de l’instant où TxLine passe sous la tension de pincement. Ceci correspond aux espaces de temps pendant lesquels il est possible d’entendre un correspondant.
Au même moment Vmute = 13 V = NO_MUTE pendant 50 ms.

Figure 10: Bloc QSK Switch – Graphe des tensions

Télécharger les fichiers LTspice.

5. Bloc RIT

Le “Receiver Incremental Tuning” ou RIT est la capacité de décaler légèrement la fréquence de réception d’un émetteur-récepteur. Utilisé soit délibérément pour avoir une fréquence d’émission différente de la fréquence de réception et être mieux entendu, soit pour compenser un décalage de fréquence.

5.1. Description

Une diode zener 1N4756 est ajoutée en parallèle sur le circuit d’accord du VFO. Le potentiomètre RV1 permet de faire varier sa capacité en réception.

5.2. Analyse en régime continu

Le schéma figure 11 ci-dessous, montre le circuit de simulation LTspice. Pour simplifier, le circuit simule uniquement la variation de tension. Le potentiomètre est représenté par 2 résistances égales RV1 et RV2.

Figure 11: Bloc RIT – Simulation LTspice en régime continu

Ci-dessous les valeurs des tensions et courants obtenues quand la clef est ON:

V(c1):     13.8            voltage
V(txvcc):  13.7089         voltage
V(txline): 13.3157         voltage
V(key):    0.000585177     voltage
V(b1):     12.8745         voltage
V(vrita):  3.00356         voltage
V(vritb):  2.99644         voltage
V(vcc6):   6               voltage
V(n001):   3               voltage
V(vrit):   3               voltage
Ic(Q1):    -0.137103       device_current
Ib(Q1):    -0.00584252     device_current
Ie(Q1):    0.142945        device_current
I(C5):     3e-019          device_current
I(C3):     1.33157e-018    device_current
I(C2):     4.24858e-017    device_current
I(C1):     -5.85177e-023   device_current
I(D1):     1.33157e-005    device_current
Id(M4):    0.00299637      device_current
Ig(M4):    0               device_current
Ib(M4):    4.44089e-013    device_current
Is(M4):    -0.00299637     device_current
I(R7):     0               device_current
I(Rv2):    7.12499e-008    device_current
I(Rv1):    7.12499e-008    device_current
I(R6):     0.00299644      device_current
I(R5):     0.00299644      device_current
I(R3):     1.33157e-005    device_current
I(R1):     9.25515e-006    device_current
I(Rload):  0.137089        device_current
I(R2):     -0.00585177     device_current
I(V2):     -0.00299644     device_current
I(V1):     -0.142954       device_current
Ix(u1:1):  0.00585177      subckt_current

Télécharger les fichiers de simulation LTspice.

5.3. Analyse en régime variable

Le schéma figure 12 ci-dessous, montre le circuit de simulation LTspice.

Figure 12: Bloc RIT – Simulation LTspice en régime variable

La figure 13 ci-dessous, montre le graphe des tensions obtenu avec la clef réglée avec ses valeurs par défaut indiquées au paragraphe 2. La tension inverse de diode peut être réglée entre Vritb = 0 V et Vrita = 6 V en réception. Elle reste fixée au repos, en émission, à 3 V. Dans ce cas M4 est ON, Vrita = Vrib = Vcc 6V/2 puisque R5 = R6.

Figure 13: Bloc RIT – Graphe des tensions

Télécharger les fichiers LTspice.

6. Bloc MUTE

Ce module rend muet le récepteur, mais pas trop! Pendant l’émission il laisse passer faiblement le signal pour avoir une écoute locale ou sidetone.

6.1. Description

Un transistor JFET Canal N 2N3819 commandé par la tension MUTE, fait ce travail. Au repos, clef OFF, la tension de grille = 13 V = NO_MUTE, le transistor conduit. En transmission, clef ON, la tension de grille = 0 V = MUTE, le transistor ne conduit pas, le signal est shunté par la résistance R7 qui laisse passer un signal faible.

6.2. Analyse en régime continu

Le schéma figure 14 ci-dessous, montre le circuit de simulation LTspice. Pour simplifier et avoir une meilleure lisibilité, le signal MUTE est produit par le générateur d’impulsions V3. A la lumière de la simulation du QSK Switch le Duty Cycle est réglé à 50 ms/500 ms = 0,1.

Figure 14: Bloc Mute – Simulation LTspice en régime continu

Ci-dessous les valeurs des tensions et courants obtenues en réception quand la clef est OFF:

V(vcc):       13.8          voltage
V(j1g):       13.2447       voltage
V(no_mute):   13            voltage
V(j1d):       13.8          voltage
V(j1s):       13.8          voltage
V(audio_amp): 1.38e-014     voltage
V(proddet):   0             voltage
I(C7):        1.38e-018     device_current
I(C6):        -1.32447e-019 device_current
I(C5):        1.38e-018     device_current
I(D2):        5.55306e-007  device_current
Id(J1):       1.93421e-012  device_current
Ig(J1):       -1.93467e-012 device_current
Is(J1):       4.66634e-016  device_current
I(R8):        -1.38e-018    device_current
I(R7):        1.5358e-016   device_current
I(R6):        -5.55304e-007 device_current
I(R5):        1.93506e-012  device_current
I(V3):        5.55306e-007  device_current
I(V2):        1.38e-018     device_current
I(V1):        -5.55306e-007 device_current

Télécharger les fichiers de simulation LTspice.

6.3. Analyse en régime variable

Le schéma figure 15 ci-dessous, montre le circuit de simulation LTspice

Figure 15: Bloc MUTE – Simulation LTspice en régime variable

La figure 16 ci-dessous, montre le graphe des tensions. La valeur du condensateur C6 initialement prévue à 100 nF a été ramenée à 10 nF. En effet, avec 100 nF le temps de montée de la tension de grille était trop long pour obtenir un fonctionnement correct.

Figure 16: Bloc MUTE – Graphe des tensions

Télécharger les fichiers LTspice.

7. Réalisation – Tests

Après une pause de plusieurs mois contrainte par un problème de santé, je reprends la plume et le fer à souder.

Je simplifie le problème en le divisant en plusieurs étapes. D’abord, je vérifie le bon fonctionnement du récepteur seul en déconnectant l’émetteur, ensuite le fonctionnement de l’émetteur.

7.1. Bloc Key Switch et QSK Switch

Pour des raisons pratiques, j’ai réalisé en même temps ces 2 blocs.

7.1.1. Circuit imprimé

Suivant la méthode modulaire, chaque bloc est câblé séparément sur 2 plaques identiques. La photo 1 ci-dessous, montre les circuits réalisés sur 2 plaques d’époxy cuivrées simple face de 32 x 24 mm selon le mode de fabrication décrit dans les articles précédents. Le circuit tracé est un quadrillage: 2 lignes de 8 mm + 2 lignes de 4 mm, 4 colonnes de 8 mm. Nous obtenons ainsi 2×4 = 8 îlots de 8×8 mm. Les 2 lignes de 4 mm, placées de part et d’autre, servent de rail de masse soudés à la carte mère. Les 2 blocs sont disposés côte à côte près de l’entrée du récepteur. La ligne TxVcc et la ligne Mute ne sont pas encore connectées.

Photo 1: Circuit imprimé des blocs Key Switch et QSK Switch

7.1.2. Test

Le test que je me propose de faire ici est simple:

s’assurer que le récepteur fonctionne correctement après l’insertion dans le circuit des blocs Key Switch et QSK Switch.
s’assurer que le récepteur est isolé de l’antenne en mode émission.

Pour ce faire:

toute la chaîne d’émission est mise hors tension: oscillateur, mélangeur, pré-driver, driver,
l’antenne est connectée à fiche BNC,
le récepteur est calé sur une station en train d’émettre.

Je vérifie que le récepteur fonctionne comme avant l’insertion des 2 blocs. Un simple bout de fil volant simule la clé et sert à mettre ou non l’entrée Key In à la masse (voir photo 1 ci-dessus). Je vérifie que la réception est coupée ou non.

7.2. Bloc Mute

7.2.1. Circuit imprimé

Cette fois j’ai un peu modifié ma méthode de fabrication. A l’exception du transistor tous les composants sont des CMS ou SMD 1206 ou 0805. J’obtiens un circuit plus compact et plus clair. Le circuit est toujours composé d’îlots identiques juxtaposés. La taille des îlots a été réduite à 6×6 mm. Un ou plusieurs îlots pouvant être réunis pour n’en former qu’un seul. Seul les îlots utiles sont gravés ce qui rend un peu plus compliquée la gravure. Un espace de 4mm environ est réservé pour la masse tout autour du circuit. Mieux qu’un long discours, la photo 2 ci-dessous, montre le circuit réalisé sur 1 plaques d’époxy cuivrée simple face de 32 x 24 mm. Cette plaque a été enduite totalement au feutre noir non effaçable. Le circuit a été gravé avec une pointe à tracer puis plongé dans un dé à coudre de perchlorure de fer. Le circuit est ensuite étamé à chaud. Nous obtenons ainsi un tracé fin qui permet de souder sans problème les minuscules composants. Les 2 lignes de 4 mm, placées de part et d’autre, servent de rail de masse soudés à la carte mère. La ligne NO_MUTE n’est pas encore connectée.

Photo 2: Circuit imprimé du bloc Mute

7.2.2. Test

Le test que je me propose de faire consiste à:

s’assurer que le récepteur fonctionne correctement sans Mute,
s’assurer que le signal audio du récepteur est très faible en position Mute.

Pour ce faire:

le bloc QSK est déconnecté,
l’antenne est connectée à fiche BNC, relié directement au filtre passe-bande sans passer par le bloc QSK qui est shunté,
Une charge fictive de 50 Ω est reliée à la sortie du driver du PA qui n’est pas relié à l’antenne pour ne pas polluer l’éther,
la ligne NO_MUTE n’est pas connectée (en l’air),
le bloc Mute est connecté à la carte mère, masse et Vcc,
le récepteur est calé sur une station en train d’émettre.

Surprise! Ce petit circuit m’a donné beaucoup de fil à retordre. Seul un bourdonnement vibrait dans le casque. Je changeais tous les composants du circuit et remplaçais le 2N3819 par un MPF102. Miracle! Le récepteur fonctionne. Etait-ce un composant défectueux ? Je ne sais pas. Un petit bout de fil à la main je connecte l’entrée NO_MUTE – active au niveau bas – du circuit à la masse, je constate que la réception est fortement affaiblie. Le circuit fait bien son travail! Au passage je suis étonné de la qualité de ce premier petit récepteur. Les essais ont été réalisés le samedi 19 octobre 2013 entre 19h00 et 20h45 heure locale entre 14 et 14, 050 Mhz. Une foule de stations arrive dans les écouteurs : Allemagne, Lithuanie, Bulgarie, Russie et à mon grand étonnement je capte un CQ de K2NV du NYQP New York State QSO Party sur 14,047456Mhz. Mon antenne est un dipôle taillée pour le 20m mais pour l’instant placée provisoirement à l’étage du QTH, les 2 branches du dipôle se frayant un passage là où elles peuvent!

7.3. Bloc RIT

7.3.1. Circuit imprimé

Méthode identique au bloc Mute. Cette fois pour étamer le circuit, j’ai utilisé la pâte à étamer Castotin sp 5423 acheté dans un magasin de bricolage. La pâte est étalée à l’aide d’un pinceau sur le circuit. Inutile d’en mettre beaucoup. Elle est chauffée avec un décapeur thermique. Ne pas chauffer trop longtemps. Dès que le circuit est couvert, arrêter. La photo 3 ci-dessous, montre le circuit réalisé sur 1 plaque d’époxy cuivrée simple face de 32 x 26 mm. On remarque que la finesse du tracé permet de souder les minuscules composants CMS 0805 entre chaque îlot. Le bloc est placé à côté du VFO. La ligne Vcc 6V est reliée au VFO et la ligne TxLine au bloc Key Switch.

Photo 3: Circuit imprimé du bloc RIT

7.2.2. Test

Le test que je me propose de faire consiste observer le décalage de fréquence sur l’afficheur du fréquencemètre quand on manipule la clé.

Pour ce faire tous les blocs de commutation sont connectés:

le bloc QSK est connecté,
l’antenne est connectée à fiche BNC,
Une charge fictive de 50 Ω est reliée à la sortie du driver du PA qui n’est pas relié à l’antenne pour ne pas polluer l’éther,
la ligne NO_MUTE est connectée,
le bloc Mute est connecté à la carte mère, masse et Vcc,
le récepteur est calé sur une fréquence dans la bande 20m.

Un petit bout de fil à la main je connecte l’entrée Key du bloc Key Switch à la masse. Je constate en réception que la fréquence est décalée et que le potentiomètre permet de régler le décalage.

Références
The ADC-40 All Discrete Component transceiver Revised 6-23-09 – Steven WEBER KD1JV
The NADC A CW rig using Nearly All Discrete Components – Steven WEBER KD1JV
What_Causes_Clicks? by Tom Rauch W8JI
N5ESE’s Outboard T/R Switch

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