Symmetrischer Antennentuner - Teil 2: Steuerung

 von Klaus Roggenkamp, DK3HA
  

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 1. Manuelle Steuerung

Der Antennentuner sieht auf der Senderseite als auch auf der Antennenseite jeweils 8 Relais für die Umschaltung der Kondensatoren vor. Zusätzlich werden die symmetrisch angeordneten Induktivitäten durch jeweils 7 parallel geschaltete Relais binär gesteuert. Die Abstimmung erfolgt mit Hilfe von drei 10-Gang-Wendelpotis, deren Werte durchlaufend von einem AD-Wandler binär gewandelt werden. Das für die Steuerung erforderliche Bussystem ist auf den verwendeten Modulen durchgängig gleich und wird mit gequetschten Flachbandleitungen, wie sie in der Computertechnik üblich sind, durchverbunden. Die 16 Leitungen für die Steuerung der Kondensatoren werden mit 20-poligen, die 7 Leitungen für die Induktivitäten mit einer 10-poligen Flachbandleitung hergestellt. Folgende Busbelegung werden auf den Steuerungsmodulen verwendet:

CKA1-8    Kondensatoren auf der Ausgangsseite (Antennenseite)
CKE1-8    Kondensatoren auf der Eingangsseite (Senderseite)
L2-8        Induktivitäten






Blockschaltbild der vollständigen Steuereinheit

 

Schaltplan  manuelle Steuerung Version 3.3
 

Beschreibung der Funktion

Das IC12 (NE555) stellt den Takt für die Multiplex-Steuerung zur Verfügung (f  ~ 70Hz). Der Dezimalzähler IC9 (4017) steuert den Ablaufprozess wie nachfolgend beschrieben:

Takt1:     Q0  setzt das RS-FF Pin 4 (S0  IC1 4043), dessen Ausgang den Analogschalter IC10A (Pin 13  4066) aktiviert. Der Wert des Potis R1 wird an den Analog-Digitalwandler IC2 (ADC0804) geleitet.

Takt2:    Q1 veranlasst IC3 (Pin 11 74HCT573) zur Übernahme des Digitalwertes, der von dem AD-Wandler IC2 für R1 geliefert wird.

Takt3:    Q2 setzt das RS-FF (IC1) wieder zurück; der Digitalwert bleibt im IC3 gespeichert.

Takt4:     Q3  setzt das RS-FF Pin 14 (S3  IC1 4043), dessen Ausgang den Analogschalter IC10A (Pin 5  4066) aktiviert. Der Wert des Potis R2 wird an den Analog-Digitalwandler IC2 (ADC0804) geleitet.

Takt5:    Q4 veranlasst IC4 (Pin 11 74HCT573) zur Übernahme des Digitalwertes, der von dem AD-Wandler IC2 für R2 geliefert wird.

Takt6:    Q5 setzt das RS-FF (IC1) wieder zurück; der Digitalwert bleibt im IC4 gespeichert.

Takt7:     Q6  setzt das RS-FF Pin 6 (S1  IC1 4043), dessen Ausgang den Analogschalter IC10A (Pin 6  4066) aktiviert. Der Wert des Potis R3 wird an den Analog-Digitalwandler IC2 (ADC0804) geleitet.

Takt8:    Q7 veranlasst IC5 (Pin 11 74HCT573) zur Übernahme des Digitalwertes, der von dem AD-Wandler IC2 für R3 geliefert wird.

Takt9:    Q8 setzt das RS-FF (IC1) wieder zurück; der Digitalwert bleibt im IC5 gespeichert.

Dieser Vorgang wiederholt sich bei geschlossenem Jumper JP3 ständig, so dass die Werte der Potis stetig abgefragt und gewandelt werden. Dies ist für die Abstimmung auch so erforderlich.

Nach gefundener Anpassung werden durch Öffnen des Jumpers JP3 die aktuell gewandelten Werte der 3 Potis in den Speichern IC3 bis IC5 abgelegt.

IC10D erzeugt ein Reset-Signal, das zum sicheren Anschwingen des Wandler-Oszillators dient.
Die 12V Versorgungsspannung des Netzteils wird an die dafür vorgesehene Hohlbuchse angeschlossen. Auf der Platine sorgt ein 5V-Spannungsregler IC11 (7805) für die Versorgung der ICs. Die Potis werden mit einer eigenen Stabilisierung IC13 (78L05) versorgt.

 

2. Automatische Steuerung


Die auf den Wandler nachfolgenden ICs 6, 7 und 8 sind Tri-State-Buffer, de es erlauben, die komplette manuelle Steuerung von den Speicherbausteinen IC3 bis IC5 zu trennen. Dazu muss Pin 14 des JP4 auf  „0“ gesetzt werden. Die komplette Steuerung der Matchbox kann über JP4 von einem Microcontroller vorgenommen werden. Zunächst werden die Daten der jeweiligen Relaisgruppe an die vorgegebenen Pins gelegt, danach wird mit einem Strobe-Impuls der entsprechende Speicher ( IC3, IC4, IC5 ) zur Übernahme der Daten veranlasst. Der Rest der Steuerung bleibt hiervon unberührt.
Eine automatische Steuerung  mit einem AVR ist derzeit in der Planung.

   
Pinbelegung JP4           Brücken auf der Oberseite der Platine


Anmerkung auch für alle folgenden Platinen

Alle Leiterbahnen auf der Oberseite der Platine sind so ausgeführt, dass sie als Drahtbrücken einer einseitigen Platine bestückt werden können. Es muss also keine zweiseitige Platine entwickelt werden. Einige Drahtbrücken müssen zusätzlich in der Mitte mit Kontaktierungen auf die Unterseite versehen werden.
Nach dem Bohren der Platine sind die Drahtbrücken als erstes zu bestücken.
 

Stückliste


Menge     Wert          Device           Bauteile               
1                           78L05            IC13                
1                           7805             IC11                
6                           RM 5             C2, C4, C5, C9, C10, C11
1                           Stiftl-1X2       JP3                    
1                           Stiftl-2X5       JP2                    
1                           Stiftl-2X7       JP4                    
1                           Stiftl-2X10      JP1                    
2             1µ            Tantal           C7, C8                 
1             1k            RM 7,5          R12                    
2             8k2           RM 7,5           R8, R9                 
3             10k           10-Gang         R1, R2, R3             
4             10k           RM 7,5           R4, R11, R14, R16      
1             15k           RM 7,5           R13                    
1             18k           RM 7,5           R10                    
1             68p           RM 5             C3                     
3            74HCT244N             IC6, IC7, IC8          
3             74HCT573N             IC3, IC4, IC5          
3             100k          RM 7,5           R5, R6, R7             
2             100n          RM 5             C1, C6                 
1             4017N         4017N            IC9                    
1             4043N         4043N            IC1        
1             4066N         4066N            IC10        
1             ADC0804       ADC0801      IC2         
1             Hohlbuch      HEBO13         J2          
1             uA555N        uA555N           IC12 
57            Drahtbrücken     0,6mm CuAg  teilweise mit mehreren Durchkontaktierungen.
7             IC-Sockel     20-polig    
2             IC-Sockel     16-polig
1             IC-Sockel     14-polig
1             IC-Sockel     8-polig

Bestückungsplan


 

Layout

 


3. Treiber und Entstörung

Die Relais-Treiber ( ULN2803 ) sind auf einer eigenen Platine angeordnet. Die Platine wird mit zwei Flachbandleitungen ( 20-polig und 10-polig ) mit der Steuerungsplatine verbunden. Die beiden anderen, parallelen 20- und 10-poligen Stiftleisten werden mit der später beschriebenen Anzeigeeinheit auch mittels Flachbandleitungen verbunden.

Für die 30 Relais des Antennentuners wird auf dieser Platine die 24V Versorgungsspannung an die dafür vorgesehenen Schraubklemmen angeschlossen.

 Den ULN-Treibern folgen für jede nach außen geführte Leitung EMI-Filter (BC104z). Auf der Sekundärseite der Filter ist ein Massepunkt, der mit der Gehäusemasse zu verbinden ist. Die Ausgänge der Platine „Treiber und Entstörung“ werden wieder durch eine 20- bzw. 10-polige Stiftleiste zur Verfügung gestellt. Mit 2 Flachbandleitungen führen sie zur Konvertierung auf den 25-poligen Sub-D-Verbinder, der dann zum Antennentuner mittels 25-poliger Leitung führt. Da beide Platinen die Befestigungsbohrungen an den gleichen Positionen haben, können sie mit gängigen (M3) Abstandshaltern in Sandwichbauweise befestigt werden.


Schaltplan

 

 
Brücken auf der Oberseite der Platine
 



Bestückungsplan
 
 

Layout

 

Stückliste


Menge       Wert                     Device                          Bauteile         
3              Stiftl-2X5          JP1, JP3, JP5              zweireihige Stiftleiste           
3              Stiftl-2X10        JP2, JP4, JP6              zweireihige Stiftleiste
3              ULN2803           IC1, IC2, IC3            
1              W237-102         X29                          Schraublemme 2-polig              
27             BC104Z            X1 - X27                   Filter ( Fa. Reichelt )
1              100n                 RM 5                         C1             
3              IC-Sockel          18-polig 


4. Konvertierung

Die Platine mit dem Sub-D-Stecker wird mit zwei Flachbandleitungen ( 20-polig und 10-polig ) mit der Platine Treiber und Entstörung verbunden. Der Sub-D-Stecker wird an der Rückseite des Gehäuses für die gesamte Steuereinheit angebracht. Das Gegenstück konvertiert die Sub-D-Buchse auf die üblichen beiden Stiftleisten im Gehäuse des Antennentuners. Über ein langes 25-poliges Kabel ist ein Remote-Betrieb möglich. Der Antennentuner kann außen in der Nähe des Speisepunktes der Antenne betrieben werden. Dies setzt natürlich voraus, dass die Sub-D-Verbindung abgedichtet wird und der Antennentuner in einem spritzwasserfestem Gehäuse untergebracht ist.


Schaltplan
 



Belegung der Sub-D-Verbindung

               
Buchse im Antennentuner                Stecker in der Steuerung


 
Bestückungsplan der beiden Konvertierungen  (2 Drahtbrücken)

 


Layout Konvertierung
 

Stückliste

Menge        Wert               Device             Bauteile

1              F25HP           X1                  Sub-D-Buchse 25-polig, gewinkelt
2              Stiftl-2X10     JP1, JP2          zweireihige Stiftleiste          
2              Stiftl-2X5      JP3, JP4           zweireihige Stiftleiste          
1              M25HP          X3                  Sub-D-Stecker 25-polig, gewinkelt


5. Die Anzeigeeinheit



Schaltplan

 

Die Anzeigeeinheit wandelt das binäre Zählergebnis der jeweiligen Relaisblöcke in ein dezimales Ergebnis um. Für die Ausgangs- und Eingangskapazitäten sind jeweils 256 ( 8 Bit ), für die symmetrischen Induktivitäten 128 ( 7 Bit ) Schaltmöglickeiten  vorgesehen. Diese 3 Zählzustände werden mit gut sichtbaren 7-Segment-Anzeigen realisiert. Die Anzeige ist gemultiplext. Die Informationen für die Ziffern sind in einem EPROM des Typs 27C256 abgelegt. Der Code hierfür ist beim Autor erhältlich. Die Wahl fiel auf das völlig überdimonsierte EPROM 27C256,  weil der Autor aus vielen alten Motherboards die BIOS-Bausteine „gerettet“ und anschließend gelöscht hat. Die binären Ergebnisse der jeweiligen Relaisblöcke werden mit Hilfe von Tri-State-Buffern ( V1, V2, V3 74HCT244 ) den unteren 8 Adressleitungen des EPROMS nacheinander zugeführt. Die Steuerung für diese Abfolge übernehmen ein NE555 ( IC6), ein 4017 ( IC1 ) und 3 NOR-Gatter ( IC3 ). Die Auswahl der Adressblöcke für die Hunderter-, Zehner- und Einerstellen übernimmt IC2. Die Anwahl des aktiven 7-Segment-Elementes wird von dem 4017 und dem nachfolgendem Buffer gesteuert. Die Spannungsversorgung erfolgt über einen 7805 auf der Platine.
Die Steuerung findet in Sandwichbauweise mit gängigen M3 Abstandsbolzen unterhalb der Anzeigeplatine Platz. Die Bohrungen und Maße der Platinen ( 100 x 80 mm – Eagle Freeware! ) sind so gewählt, dass auch die manuelle Steuerung und die Treiberplatinen mit Abstandshaltern einen kompletten Block aus 4 Platinen ergeben. Untereinander werden die Platinen mit Flachbandleitungen verbunden. Die oberste Platine ist natürlich die Anzeige, für die ein Ausschnitt in der Frontplatte vorzusehen ist. Auf der Anzeigeplatine befinden sich nur die Buffer z. T. aus diskreten Transistoren, einem ULN2803 und den neun 7-Segment-LEDs. Die Anzeige ist mittels 20-poliger Flachbandleitung mit der Multiplex-Steuerung verbunden.

Bestückungsplan der Platine für die 7-Segmentanzeigen

                                                                                                          Brücken
                                   

Layout der Platine für die 7-Segmentanzeigen

 

Die Multiplexsteuerung für die Anzeige


Bestückungsplan

   
                                                                                                   Brücken

Layout

 

Stückliste der Anzeigeeinheit


Menge     Wert                 Device                 Bauteile             
9           7SEG-CK          D1 - D9             gemeinsame Kathode, 13mm
1           7805               IC8             
1           27C256           IC7                 
1           Stiftl-2X5         JP1                 
1           Stiftl-2X10      JP4                 
1           ULN2803         IC4                 
1           2,2n               C-EU050-025X075 C1                 
9           4k7                R2 - R10
1           10k                R1                 
1           10n                C2                 
1           100n              C3                 
7           270R              R11 - R17 
1           4017N            IC1                 
1           4025N            IC3                  
1           4075N            IC2                  
3           74HCT244       V1, V2, V3                
8           BC517            Q1 - Q8    
1           NE555            IC6
3           IC-Sockel     32-polig   *     
1           IC-Sockel     28-polig    
3           IC-Sockel     20-polig    
1           IC-Sockel     16-polig
2           IC-Sockel     14-polig
1           IC-Sockel     8-polig          

* Sockel für die 7-Segment-Anzeigen. Die 2 überstehenden Federleisten je Sockel entfernen.

 

6. Das Netzteil

Der Antennentuner verwendet 30 Stück 24V-Relais, die einen Strombedarf von ca. 800mA erfordern. Für die Steuerung werden 12V mit einem Strombedarf von ca. 500mA zur Verfügung gestellt. Um beide Spannungen aus einem Printtrafo mit 24V~ bei möglichst geringem Platzbedarf erzeugen zu können, wird die Gleichspannung von 24V mit einem Linearregler 7824 erzeugt. Die 12V Gleichspannung  wird mit einem Schaltregler LM2576-12 erzeugt. Beide Spannungsregler werden ohne Isolierscheiben auf einen Kühlkörper SK68/50 montiert. Die Induktivität für den Betrieb des Schaltreglers wird aus einem alten Netzteil eines PCs gewonnen. Für den geforderten Strombedarf bei 12V reicht eine Induktivität von weniger als 100µH aus. Für höheren Strombedarf muss man das Datenblatt des Schaltreglers bemühen und die Bauteile (Trafo, Kondensatoren etc. ) anpassen.
!!Achtung!! Die Platine führt Netzspannung 230V.
Die Zuleitungen für die Netzspannung sollten mit Hilfe der „holes“ auf der Platine zugentlastet werden.



Schaltplan
 


Bestückungsplan         (2 Drahtbrücken)


Stückliste

Menge       Wert               Device                  Bauteile
1             7824               IC1    
1             B40C2200        B1                 
1             LED5MM          LED1   
2             W237-103       J1, J2             Schraubklemme 3-polig 
1             1N5822           D1                 Schottky
1             3k3                R1     
1             24V/1,5A        EI66-1            Print-Trafo    
1             100µH            L3                  T94-26 Amidon N = 41  1mm CuL     
1             100n              C2     
1             1000µ/50V      C5     
1             2200µ/35V      C1     
1             LM2576-12     IC2
1             SK68/50                              Kühlkörper ( o. ä. anpassen)



Layout
 

7. Fotos des Fertiggerätes


 


Manuelle Steuerung mit 10-Gang-Wendelpotis



Anzeigeeinheit (Foto aus der Entwicklungsphase)
 

8. Schlussbemerkungen und weitere Planungen

Der hier beschriebene Antennentuner ist einige Male nachgebaut und funktioniert bei mir an einer Hühnerleiter-gespeisten 2 x 10m Doublet-Antenne auf den Bändern 160m bis 10m mit 200W Sendeleistung einwandfrei (3Y0X auf 30m; VK9DNX auf 80m, 40m, 30m; K5D auf 30m; VK9LA auf 30m und 40m, etc...). Der Antennentuner steht bei mir im Shack, da meine symmetrische 450-Ohm-Antennenzuleitung durch ein HT-Rohr bis ins Shack führt. Die 25-polige Verbindung zwischen Steuergerät und Antennentuner ist mit Sub-D-Quetschsteckern hergestellt. Ich habe die Antenne mit einem Antennenmessgerät MFJ269 im Shack ausgemessen und die Werte für die Bänder aufgeschrieben. Bei meiner Antenne ist der Tuner auf 80m und 160m bei Frequenzänderungen nachzustimmen. Dies war bei der Antennenlänge auch nicht anders zu erwarten. In den oberen Bereichen muss ich bei Nutzung der Antenne nicht nachstimmen, da ich mich überwiegend im CW-Bereich aufhalte.

•    Derzeit ist bei mir ein Antennentuner mit höherer Leistung nach dem gleichen Prinzip in Erprobung. Ziel ist es, die legale Leistung von 750 Watt out verwenden zu können.
•    Die manuelle Steuerung mit 3 Potis und dem AD-Wandler wird derzeit durch eine Steuerung mit Impulsgebern ersetzt. Die ersten Tests haben ergeben, dass die Einstellung des Tuners dadurch spürbar leichter wird. Sobald die Layouts fertig und getestet sind, wird eine Veröffentlichung auf diesem Wege erfolgen.
•    Die manuelle Steuerung soll durch eine zumindest halbautomatische Steuerung ersetzt werden, so dass die gefundenen Abstimmungswerte gespeichert und schneller abgerufen werden können. Die Anzeige soll auf eine 4-zeilige LCD-Anzeige umgestellt werden. Alle Änderungen sollen zueinander kompatibel sein, so dass vorherige Entwicklungsstufen nicht verworfen werden müssen.

Dies ist ein Selbstbauprojekt. Für jegliche Nachbauten des Tuners und der Steuerung kann ich natürlich keine Garantie übernehmen. Nachbau und Weitergabe der Schaltung ist ausdrücklich gestattet. Eine kommerzielle Nutzung des gesamten Projekts ist nicht vorgesehen und untersagt. Ich habe leider nicht die Möglichkeit, größere Mengen von Platinen zu erstellen und kann demzufolge keine Bausätze anbieten. Meine eigenen Platinen sind mit Amateurmitteln erstellt. Eagle Version 4.16, Folienausdruck Laser, Belichtung mit selbst gebautem Belichtungsgerät, Bungard! fotopositiv beschichtetes Platinenmaterial, Entwicklung in Fotoschale, Sprühätzgerät (gekauft) mit EisenIII-Chlorid, Proxxon-Bohrständer mit gehärteten Bohrern (Flohmarkt)-Durchmesser 0,8mm, 1mm, 1,3mm 3,2mm-, Lötlack. Alle gängigen Bauteile sind bei der Fa. Reichelt erhältlich.

Ich wünsche mir, dass das QRL und meine XYL mir genügend Zeit für die weitere Entwicklung lassen. Bei meiner XYL bin ich mir sicher ...

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Klaus, DK3HA