Automatisches Fuchskreis Antennenabstimmgerät

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Einleitung

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Die Motivation dieses Abstimmgerät zu bauen bekam ich durch den praktischen Umgang mit meinem ATS3a TRX. Ich verwende dieses Gerät auf 3 Bändern mit einer Λ/2 Antenne, die 2 Sperrkreise für 20 und 30 m enthält. Beim Bandwechsel musste immer der Fuchskreis umgebaut werden und das Abstimmen war auch nicht so einfach, da man nicht an zwei Orten , am TRX und an der ATU, gleichzeitig sein kann bzw. beim Abstimmen die SWR Anzeige im TRX nicht sieht/hört. So habe ich speziell für diesen Einsatz dieses Problem etwas automatisiert.




Das Gerät ist für eine Leistung von 1 bis 5 Watt ausgelegt. Der Frequenzbereich ist im Kurzwellenbereich frei wählbar. Empfohlen wird aber eine Version, die einen begrenzten Frequenzbereich belegt.




Im Prototypen, linkes Bild, sind die 6 Relais für den Abstimmkondensator gut zu erkennen. Der grüne Block ist der Piezohörer und darunter der Mikrocontroller. Da der Stromverbrauch der Schaltung extrem gering ist, wurde eine 6 V Lithium Batterie fest eingelötet. Diese dürfte für eine Portabelsaison genügend Reserven haben. Oben aufgesetzt ist die Antennennachbildung mit einer Glimmlampe als Abstimmindikator.


Das rechte Bild zeigt den ATS3a in meiner „GAR“ Ausführung. (Grünes Abenteuer Radio oder Green Adventure Radio) Es enthält die Tastenmechanik und -elektronic sowie die Batterie und Ladekontrolle. Also nur noch Kopfhörer und Antenne anschließen - einschalten fertig. Für einen Portabeleinsatz kommen nur noch die Antenne, der Mast, das Koaxialkabel und ein Logbuch hinzu.

Bänder 160m / 80m
nicht erprobt Cxx Lxx ???

Bänder: 40m / 30m / 20m
Geschaltete Kondensatoren
C1 = 2 pF; C2 = 4 pF; C3 = 8 pF; C4 = 16 pF; C5 = 32 pF; C6 = 64 pF
Cges = 2 bis 126 pF plus 10 pF Schaltkapazität
mit L = 5 µH
Frequenzbereich ohne Last Fmin = 6,1 MHz bis Fmax = 20,5 MHz

Bänder 30m / 20m / 17 m
nicht erprobt Cxx Lxx ???


Bänder 17m / 15m / 12m / 10m
nicht erprobt Cxx Lxx ???


Schaltung

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Schaltung 1 ---> Klick ins Bild

Geplant ist diese Schaltung für die Bänder 40/30/20 m. Der Fuchskreis besteht aus L1/L2 und den Kondensatoren C1 bis C5. Die Anzapfung der Spule stellt einen Kompromiss dar, auf 30 m wird sie optimiert und auf den beiden anderen Bändern muss man mit einer gewissen Fehlanpassung rechnen.

In dieser Version kommt man mit lediglich 6 bistabilen Relais aus. Ich verwende Relais der TQ2 Serie mit einer Spule. Zum Umschalten muss man die Spannung an der Spule umpolen und einen kurzer Stromstoß von ca. 3 ms genügt. Daraus ergibt sich eine etwas ungewohnte Beschaltung. Auch die Bezeichnung Relais angezogen oder abgefallen kann man hier nicht so verwenden, da die Relais ohne Betriebsspannung im jeweiligen Zustand verharren und somit auch keine Energie verbrauchen.

Alle Relaisspulen liegen mit einer Seite auf einer gemeinsamen Schiene, die kein Masse oder Betriebsspannungspotential hat. Soll z.B. Relais K1 betätigt werden wird der entsprechende Kontrollerausgang RC0 auf High Pegel und alle anderen auf Low Pegel gelegt. Somit fließt der Strom durch K1 und teilt sich dann gleichmäßig auf die Relais K2 bis K6 auf. Nur in K1 ist der Strom hoch genug den Schaltvorgang auszulösen. Zum Zurückschalten wird umgepolt, der Ausgang RC0 bekommt Low Pegel alle anderen liegen nun an High. Der Strom fließt nun in der anderen Richtung durch das Relais K1.
Es kann also immer nur ein Relais geschaltet werden. Die Schaltzeit ist aber recht kurz und wird im Datenblatt mit 3 ms angegeben.

Da nicht bekannt ist wie die Relais stehen, findet nach dem Einschalten der Betriebsspannung ein „Reset“ statt. Das heißt alle Relais werden so gepolt geschaltet, das die Kontakte an den Fuchskreiskondensatoren geöffnet sind. Konkret wird für 10 ms ein High Impuls nacheinander an die Ausgänge RC0 bis RC7 gelegt.

Für die TQ2 Relais, die zwei Umschaltkontakte haben benutzt man folgende Beschaltung:
(andere Relais bitte Testen)

Relaisspule
Pin 1 – gemeinsamer Sternpunkt (in der Schaltung mit der Ziffer 2 gekennzeichnet)
Pin10 – Kontrollerausgang Pin 11 bis 18 ( in der Schaltung mit der Ziffer 1 gekennzeichnet )
Relaiskontakte
Pin 3 und Pin 8 Mittelpunkt des Umschaltkontaktes ( in der Schaltung mit dem Buchstaben P gekennzeichnet )
Pin 4 und Pin 7 Schließer ( in der Schaltung mit dem Buchstaben S gekennzeichnet )

Die Pin 5 und 6 werden intern nicht verwendet.
Die Pin 2 und 9 sind die Öffnerkontakte und werden nicht verwendet.
Ich habe beide Kontaktsätze parallel verwendet, ggf. ist eine Reihenschaltung bei höheren Spannungen sinnvoller.

Nach dem definierten Setzen der Relais geht der Kontroller in einen Schlafzustand (Sleep). Erst wenn über die Gleichrichterkette D1/D2 und C7/C8 der Schalttransistor T1 durchschaltet, erwacht er wieder und beginnt eine Zeitmessung. Liegt ein Dauerstrich von 1 Sekunde an beginnt der Abstimmvorgang. Ist die Zeit kürzer geht er sofort wieder in den Schlafzustand und schaltet den Taktgenerator ab. Dieser kann nun nicht im RX stören.

Die Abstimmung sucht ein Rücklaufminimum, die Relaisstellung wird dann eingestellt und der Schlafzustand wieder eingenommen. Eine zusätzliche Frequenzmessung unterstützt diesen Abstimmvorgang, holt bereits alte Einstellungen aus dem Speicher, wodurch die Kontaktbelastung verringert wird.

Test:
Für die Entwicklung wurden Testeingänge benutzt. Wird die Masseverbindung von RB1 geöffnet (Jumper ziehen) geht der Kontroller nicht in den Schlafzustand und kann durch kurzes Verbinden der Test Pins mit Masse bedient werden.
C_minus – vermindert den Fuchskreiskondensator
C_plus – vergrößert den Fuchskreiskondensator

Abstimmen – startet das Abstimmprogramm
QRG Messen – startet den Frequenzzähler und gibt das MSB im Hex Code aus.
C_Wert – gibt die aktuell gesetzten Relais im Hex Code aus

Der Piezohörer dient der Einschaltkontrolle und zur Ausgabe der Testinformationen.

Bauteil

Wert

Bemerkung

C1

2 pF

500 V Kondensator

C2

4 pF

500 V Kondensator

C3

8 pF

500 V Kondensator

C4

16 pF

500 V Kondensator

C5

32 pF

500 V Kondensator

C6

64 pF

500 V Kondensator

C7, C8, C10, C11, C19

100 nF

Keramik

C9

ca. 100 pF

Keramik

C12, C13

22 pF

Keramik C

C15 bis C17

xx

Bandabhängig

C18

20 mF

von der Speisungsart abhängig

D1 bis D3

1N4148


G1

6 V Li Bat

bei Fremdspeisung nicht erforderlich

IC1

PIC16F876P

programmiert mit fuchsatu1.hex

K1 bis K8

TQ2-L-5V

bistabiles Relais 5 V eine Spule

L1

5 µH

Fuchskreisinduktivität Bandabhängig

L2

100 µH

Drossel

L3

10 wdg

ca. 8 bis 10 Windungen auf Ferritringkern

Q1

4 MHz


T2

2N7000

HF FET

R1

50 Ohm


R2

4,7 kOhm


R3

4,7 kOhm


R4

2,2 kOhm


R5

470 Ohm


R6

100 kOhm


R7

1 kOhm


SG1

Piezoscheibe


T1

BC547

Universal npn Schalttransistor

X1

BNC Buchse




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Stromaufnahme:
RX Sleepmode ca. 1,5 µA (Taktoszillator aus) mit Spannungsüberwachung ca. 85 bis 200 µA
TX Messmode ca. 2 mA (Zeitmesser und Frequenzzähler) --> Tastverhältnis 1:1 braucht 1 mAh
TX Abstimmmode ca. 20 mA (Relaisumschaltung)
--> 1. Abstimmvorgang benötigt 384 Umschaltungen x 0,01s x 20 mA = 76,8 mAs besser = 0,02 mAh

Strom sparen durch:
--> Abstimmvorgang mit QRG Messung ca. 12 Umschaltungen
--> Spannungsüberwachung (Brown-Out-Detection bei 4,2 Volt) abschalten
--> Ub auf 3 V reduzieren µ Controller und bistabile Relais dafür sind verfügbar
Durch den geringen Leistungsbedarf ist Batteriebetrieb mit Primärzellen sinnvoll. Mögliche Alternativen sind Fremdspeisung über das HF-Kabel, durch die HF selbst oder durch andere Energien. Als Stützkondensator sollten 10 bis 20 mF für die Impulsbelastung ausreichen.
t ist ca. C x (Uh-Ul) / I = 20 mF (6V -4,2V) / 20 mA = 1,8 s Betriebszeit

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