Miron Iancu YO3ITI

Introducere

În urmă cu câteva luni, bunul meu amic YO4ISC mă întreba dacă nu ar fi posibil să creăm un proiect de cablaj pentru nodurile mobile RoLink care să permită funcționarea în regim "struțo-cămilă": nod mobil, repetor, I-gate APRS, în parte sau în orice combinație, în funcție de selecția pieselor cu care se populează placa.

Întrebarea îmi fusese ridicată la fileu în timpul unei discuții la fish-and-chips, în Centrul Vechi, și făcea parte dintr-un context mai larg în care disecasem variantele posibil suportate de Orange Pi, platformă folosită ca mini-computer pentru hosting-ul svxlink-ului, componentă esențială a acestei rețele bazate pe radio și Internet.

"Evident că este posibil" - i-am răspuns, gândindu-mă la un proiect "state of the art"... componente de top... placă cu 4 straturi... planuri de masă și alimentare separate... miniaturizare 0603 și "beyond"...

"Dar să fie conceput ca shield pentru Orange Pi, SMD-uri nu mai mici de 0805 imperial și să aibă maxim două straturi..."

Ei bine, ajuns aici trebuie să fac o precizare: îl "urăsc" pe YO4ISC când îmi crează câte o dilemă existențială, dându-mi teme pentru acasă și revenind, apoi, cu revizuirea pe ici pe colo și anume prin punctele esențiale. Din fericire, știu că toate sfaturile lui se bazează pe prietenie și pe o experiență practică cu muuuult mai vastă decât a mea și sunt dictate de pragmatismul inerent. În timp ce eu îi arăt luna și-i spun ce frumoasă e, el se întreabă dacă degetul meu este orientat în direcția corectă atrăgându-mi atenția că mai e și înnorat... :)

Acest articol este o scurtă istorie a micului nostru proiect, a problemelor de care ne-am lovit și a rezultatelor sale care, sper, să fie motivație și punct de pornire pentru încercările altora de a-l îmbunătăți.

Provocări și funcționalități suplimentare

SA818, gabarit și răcire

Principala provocare a acestui proiect a fost adaptarea întregului design la gabaritul modulului SA818 care este "inima" montajului. Acest modul radio de la HopeRF nu are o echivalență în biblioteca de componente standard a KiCad deci au trebuit create atât simbolul cu alocarea pinilor cât și amprenta (footprint) necesară proiectului PCB:

Figura 1 — Simbolul electric al modulului SA818 creat în KiCad, pentru proiect. Notațiile pinilor includ directivele pentru analiza de complianță a circuitului (ERC și DRC).

Figura 2 — Amprenta modulului SA818 creată în KiCad pentru nevoile acestui proiect. Se observă pad-ul cu numărul 19 care este legat la masă și asigură stabilitatea termică a circuitului. Vezi text.

O îmbunătățire față de proiectele similare de pe internet este adăugarea pin-ului (pad) 19 care asigură stabilitatea termică a circuitului și este legat la masă; la montare se asigură contactul termic prin intermediul pastei termoconductoare aplicate pe pad. Răcirea corectă a modulului este un aspect de care trebuie neapărat ținut cont. SA818 are două moduri de funcționare, în 0,5 și 1W putere la emisie, selectabile prin intermediul pin-ului 7. Personal nu am folosit acest modul decât la 0,5W caz în care carcasa ecranului metalic se încălzește undeva pe la 55 de grade în emisie, fără contact termic cu pad-ul de răcire. Am văzut că YO7GQZ folosește un ventilator pentru un montaj similar, deci presupun că nu sunt singurul care consideră că SA818 se încălzește exagerat de mult în emisie. Personal cred că este prost proiectat, atât mecanic (nu este prevăzut cu suficiente găuri pentru ventilare adecvată) cât și electronic (adaptare proastă de impedanțe). Oricum, până o să mă apuc de proiectul cu RDA1846, SA818 o să rămână opțiunea principală, dar cu asigurarea disipării termice prin pad-ul 19.

Opțional, montajul este prevăzut cu un senzor de temperatură TMP112 de la Texas Instruments:

Figura 3 — Porțiunea din circuit cu senzorul de temperatură.

Am plasat senzorul pe partea din spate a cablajului, simetric față de pad-ul de răcire al lui SA818, pentru a prelua cât mai corect temperatura. Este un senzor cu interfață I2C, pinii SDA și SCL fiind cuplați la GPIO_11 și GPIO_12 ai OPi. Acest senzor poate fi folosit pentru termostatare, putând declanșa un ventilator prin intermediul unui script scris în Python.

KiCad oferă o funcționalitate de randare 3D care dă imagini absolut superbe. Așadar nu puteam să las gol pe placă locul în care s-ar fi aflat imaginea 3D a modulului SA818. Fiindcă nu există pe internet (cel puțin eu nu am găsit), am creat unul în FreeCAD și l-am importat ca fișier .STEP în KiCad:

Figura 4 — Modulul SA818 creat în FreeCAD. FreeCAD este un program de modelare 3D parametrică similar SolidWorks, dar gratuit. Modelele sunt exportate în format .STEP și importate în KiCad pentru randarea 3D a proiectelor.

Numărul și dimensiunea componentelor

Dimensiunea foarte mare a SA818 (raportat la ansamblul întregului circuit) și nevoia de a plasa elementele de semnalizare (LED-uri) și control (rezistențele semireglabile) pentru a fi atât vizibile cât și la îndemâna utilizatorului, au avut ca urmare epuizarea rapidă a spațiului părții superioare a cablajului.

Lipsa spațiului de pe partea superioară a obligat la înghesuirea pe o suprafață de mai puțin de 46x48mm (minus conectoarele placă-la-placă) a unui număr de componente cu o dimensiune limitată de posibilitățile de producție manuală. Astfel, nu am putut folosi SMD-uri mai mici de 0805, componente cu amprente tip QFN sau BGA extrem de "neprietenoase" pentru producția în regim DIY. Dealtfel, nu trasarea cablajului mi-a scos cei mai mulți peri albi. Cel mai mult timp am cheltuit cu căutarea și alegerea componentelor astfel încât costul, dimensiunea și funcționalitatea lor să ofere un compromis între preț, spațiul disponibil și posibilitatea fizică de a fi montate manual (lipite cu letconul). Personal folosesc stația cu aer cald pentru lipirea SMD-urilor deoarece lucrez mai rapid și am mai mult control, dar știu că majoritatea radioamatorilor preferă letconul. În plus, utilizarea stației cu aer cald are sens doar dacă există șablon (stencil) perforat pentru depunerea precisă a pastei de lipit. În această combinație am obținut rezultate absolut remarcabile.

Rezultatul final, randat în KiCad, este prezentat mai jos:

Figura 5 — Randarea 3D a cablajului în KiCad: în stânga, partea de deasupra; în dreapta, partea inferioară a plăcii. Principala provocare a fost adaptarea întregului proiect la gabaritul modulului SA818 (stânga) care ocupă cea mai mare parte a suprafeței cablajului. Cele două operaționale sunt TL072, amplificatoare în topologie duală, de zgomot foarte mic. Conectorul pentru cablu panglică este folosit pentru interconectarea cu stațiile radio, în topologia repetor. Vezi text pentru discuții.

Nu toate piesele afișate se vor regăsi în montajele finale. Unele pot fi omise în funcție de destinația montajului. De pildă, în configurația repetor, nu va fi necesară popularea plăcii cu modulul SA818 deoarece funcțiile radio sunt preluate de stațiile interconectate prin conectorul pentru cablu panglică. Invers, în configurația nod mobil/ portabil, va fi nevoie de modulul SA818, dar conectorul pentru cablu panglică poate lipsi. Etc. Pe site-ul meu, în pagina dedicată proiectului, există un tabel cu variantele constructive ale montajului și modul în care trebuie populat circuitul pentru diversele funcționalități. Vezi acest link.

Comutatorul digital

În proiectul original comutarea/ conectarea stațiilor se făcea prin intermediul unor optocuploare legate la logica circuitului. Această alegere era justificată cel puțin datorită nevoii de separare galvanică a stațiilor cu care nodul este interconectat și, probabil, cea mai bună alegere în contextul respectiv. Ar fi fost extrem de dificilă utilizarea unor optocuploare în acest proiect din cel puțin două motive:

1. În primul rând din punctul de vedere al gabaritului; există optocuploare SMD de dimensiuni suficient de mici pentru limitele impuse de dimensiunea plăcii acestui proiect, dar prețul lor este nejustificat de mare;
2. În al doilea rând, logica acestui modul este mai complexă din cauza adăugării funcționalității de nod mobil care complică circuitul. Ca atare, conectarea prin optcuploare devine problematică.

În cele din urmă, pentru comutarea semnalelor am optat pentru o soluție ceva mai modernă, în dauna unei separări galvanice perfecte am ales comutatoarele digitale din familia ADG16xx de la Analog Devices:

Figura 6 — Porțiunea din circuit cu comutatorul digital ADG1612 de la Analog Devices.

Cred că varianta cu comutatoare digitale este de luat în considerare pentru înlocuirea tuturor elementelor de comutare din circuit, inclusiv tranzistoarele cu polarizare inclusă (BCR158 și BCR135) care asigură funcțiile de squelch (Q1) și PTT (Q2), precum și selecția puterii la emisie (Q3). Q3 este adăugat ca urmare a sugestiei lui YO7GQZ și mi se pare o idee foarte bună: pentru a evita lipirea sau dezlipirea unui strap, puterea la emisie poate fi comutată prin software. Comutatoarele pentru SQL și PTT sunt pnp deoarece sunt active LOW. Foarte importantă este menținerea pinului 5 al SA818 în high printr-un rezistor de 10k.

Figura 7 — Comutarea PTT, SQL și pentru puterea la emisie.

Filtrul trece-bandă

În fine, probabil cea mai importantă modificare, am adăugat un FTB la ieșirea din SA818. Acest modul este incredibil de prost filtrat, spectrul semnalului la ieșirea sa seamănă mai degrabă cu dinții unui pieptene. Emisia parazită este atât de puternică încăt mi-a perturbat o sumedenie de alte dispozitive pe care le am în casă și care funcționează în ISM. Așa că adăugarea unui filtru trece-bandă este obligatorie. Filtrul este un Butterworth simplu, este calculat de mine și are două variante constructive, atât pentru banda de 2m cât și pentru cea de 70cm:

Figura 8 — Filtrul trece-bandă

Idei pentru viitor

• Înlocuirea circuitului de alimentare; În forma actuală, montajul este alimentat de la sursa de 5V a OPi. Deoarece în fișa tehnică a SA818 se menționează o tensiune de alimentare maxim admisă de 5V cu 4.5V recomandat, soluția a fost intercalarea unei diode care să scadă cu aproximativ 0,7V tensiunea, să fie SMD și să suporte apx. 2A în conducție directă. La 1W emisie, cu un randament de maxim 20%, e nevoie de apx. 1A RMS ceea ce înseamnă 1,41A la vărf, deci 2,8A PP. Am ales NHP220SF de la ON Semiconductor. Totuși, această variantă este un compromis și un LDO ar asigura mult mai corect nevoile de alimentare. Pe viitor mă gândesc să folosesc un ADM7150, un LDO de zgomot foarte redus, împreună cu o filtrare RF adecvată.
• Înlocuirea tuturor elementelor de comutare cu comutatoare digitale; Despre asta am discutat un pic mai devreme; circuitele digitale din familia ADG16xx de la Analog Devices sunt promițătoare.
• Adăugarea protecției ESD la cuplarea antenei; Și nu numai. Teoretic ar trebui adăugate diode ESD pe toți pinii OPi. Asta ar asigura o protecție suplimentară la câmpurile ESD de vecinătate.
• Variantă constructivă cu transformatoare de adaptare a impedanței; Transformatoarele 1:1 de \(600\Omega\) sunt varianta ideală pentru adaptarea impedanței pe circuitele audio fiind soluția preferată în echipamentele audio profesionale. Din păcate sunt foarte puține modele de transformatoare SMD care să îndeplinească cerințele de gabarit pentru un spațiu atât de mic. Recent, am comandat SM-LP-5002E de la Bourns, cel mai mic transformator 1:1 la \(600\Omega\) pe care l-am găsit la Mouser. Voi face niște teste comparative cu varianta bazată pe operaționale cu buffer.
• Adăugarea unui ventilator; inițial m-am gândit la această variantă dar m-am lovit de o problemă stupidă: nu am găsit ventilatoare ale căror găuri de fixare să se potrivească pe un perimetru de 40x40 mm (din motive de gabarit). Aș fi vrut să acopăr întreaga suprafață a plăcii pentru a avea siguranța că SA818 este bine răcit. Oricum, adaptarea circuitului în sensul includerii unui ventilator necesită modificări majore ale traseelor și aș vrea să văd mai întâi cum funcționează primele teste cu răcire pasivă prin intermediul planului de masă.
• Înlocuirea SA818 cu un montaj propriu; Aceasta ar fi cea mai importantă modificare. Utilizând același transceiver, RDA1846, cu o rețea de adaptare proiectată cu grijă și cu mai multă atenție pentru interfațare. Rămâne de văzut.

Concluzii

Pe scurt, din această colaborare cu YO4ISC a rezultat un PCB pe o suprafață de numai 46 x 48mm, exact cât mini-computerul OrangePi, dotat cu două conectoare DIL pentru montarea pe OPi, un circuit adapatabil, moderninzat și dezvoltat în aproape toate aspectele sale: o nouă interfață audio cu buffere active pentru adaptarea de impedanță, un sistem de semnalizare coerent, interfață I-Gate APRS, renunțarea la optocuploarele voluminoase și înlocuirea lor cu comutatoare digitale, senzor de temperatură opțional pentru termostatare, FTB la ieșire și alte câteva gimmick-uri. Paginile proiectului precum și documentația și fișierele Gerber pot fi accesate la:

• Nod RoLink simplu
• Nod RoLink complex

Acest articol este dedicat întregii echipe RoLink care, prin entuziasm și activitatea lor, a reușit să ofere tuturor radioamatorilor din România prima rețea de comunicare radio în VHF/UHF, cu acoperire națională. Mulțumesc YO7JYL, YO7GQZ, YO4ISC, YO3GWM, YO8RXT, YO9INA, YO3IXW, YO6PVO !

73 de YO3ITI

Miron Iancu YO3ITI

Articol aparut la 6-4-2020

5409