2 Remote Unit

Erstellt: DL6GL, 05.05.2017, letzte Änderung 30.04.2021

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Die Remote Unit steuert die Relais für Induktivitäten (Port C) und Kapazitäten (Port A) und die Hoch- bzw. Tiefpassanordnung (Port D.7) des Tuners aus den über die RS485-Schnittstelle empfangenen Befehlen.

2.1   Schaltung (unverändert, Rev. 2, Aug. 2013)

Der Spannungsregler 7805 bekommt vor Anstrengung, 24V auf 5V herunter zu regeln, doch ziemlich heiße Ohren. Als Option außerhalb des Gehäuses der Remote Unit-Steuerung wurde ihm noch ein 7812 vorgeschaltet. So wird die Wärmeabführung gerecht verteilt.

Abb. 2.1: Schaltbild der Remote Unit-Steuerung

Zur Funktionskontrolle kann an die Zwölffach-Steckleiste ein 16x2 Standard-LCD angeschlossen werden. Für den Normalfall - ohne Hilfs-LCD - ist ein Jumper von Pin 17 (PD3) nach GND zu stecken (Abb. 2.1). Damit wird die Anzeigeroutine zur Performanceverbesserung übersprungen.
Ab Firmware V2.20 ist die Logik umgekehrt, also Normalfall (ohne LCD): kein Jumper (anders als in Abb. 2.1 angegeben).
Im Normalbetrieb muss die LCD-Anzeige funktionslos sein. Die rechenintensive automatische Abstimmung wird sonst behindert.

Die 24V-Stromversorgung erfolgt über das Kommunikationskabel. Da die Relaissteuerung über T1, IC2 und IC3 unabhängig von der Steuerelektronik erfolgt, können statt 24V- z.B. 12V-Relais verwendet werden. Stromsparender wären bistabile Relais. Da müsste man aber lange sparen, damit sich die beträchtlichen Mehrkosten für solche Relais irgendwann rechnen. Für einen Batteriebetrieb im Grünen aber sicher eine Überlegung wert. Hierzu müsste allerdings die Relaisansteuerung in der Software erweitert werden, um kurze Stromstöße zum An- und Abschalten zu liefern.

Bei der Beschaltung der ULN2803 (IC2 und IC3) wurden die COM-Anschlüsse für die Chip-internen Freilaufdioden nicht verwendet. Freilaufdioden sind direkt an allen Relais angeordnet (Abb. 2.2 und 2.6), um die Gegeninduktionsspannungen der Relaisspulen von den Zuleitungen fernzuhalten. Das gilt sinngemäß für T1 und die Relais RL8 bis RL11. T1, ggf. ein N-Channel MOSFET, muss den Strom durch die parallel geschalteten RL8 bis RL11 verkraften können, insbesondere bei 12V-Relais.

Die LC-Bank ist dem offenbar bewährten Konzept des ursprünglich asymmetrischen Christian-Kopplers entlehnt [4]. Im Mustergerät wurden die Ansprüche allerdings auf HF-Leistungen um die 100W reduziert, was die Anforderungen an die L's und C's deutlich mäßigte. Die Spulendaten sind in einer Excel-Tabelle angegeben. Als Relais werden die Finder-Typen FIN 40.61.9 24V [1] eingesetzt (auch tauglich für eine 750 W-Ausführung).

Eine in jeder Hinsicht kompromisslose Variante mit Luftspulen und Glimmer-C's hat DL1SNG im Funkamateur 1 bis 4/2011 veröffentlicht [9]. Dieses Gerät der 1 kW-Klasse spielt allerdings in einer anderen Liga als der hier gezeigte Ansatz.

Wer es genau wissen will, wie insbesondere für QRO-Leistungen die Kapazitäten und Induktivitäten auszulegen sind, könnte sich hier, als Ref. [11] zitiert, durchkämpfen:
Kapazitäten: http://k6jca.blogspot.com/2015/06/antenna-auto-tuner-design-part-2.html
Induktivitäten: http://k6jca.blogspot.com/2015/06/antenna-auto-tuner-design-part-3.html

Die LC-Bank wurde aufgrund der Versuche mit der neuen Dipolantenne komplett überarbeitet. Wesentliche Änderungen, Stand 09/2016:

1. Hoch-/Tiefpassumschaltung
2. Balun
3. C-Bank

Die revidierte Schaltung ist in nachfolgender Abb. 2.2 dargestellt.

Abb. 2.2: Schaltbild der Remote Unit-L-/C-Bänke.

Abweichend von der hier verwendeten Variante mit 8 Induktivitäten kann auch ein Christian-Tuner verwendet werden. In der im Setup des Steuergerätes, siehe Bedienungsanleitung, einstellbaren Variante "Christian-Tuner" mit nur 7 Induktivitäten wird das achte Bit (RL7 in Abb. 2.2) an PC7 (siehe Abb. 2.1) nicht geschaltet.

Update Controller Firmware V3.20, 04/2021: Wie ich von Dirk, DH4YM, erfahren habe, hat Christian, DL3LAC, das Konzept der L-Bänke geändert. Um die L's sicherer mit geschlossenen Relaiskontakten zu deaktivieren, erfolgt dies im neuen Konzept mit dem Relaisarbeitskontakt statt wie hier mit dem Ruhekontakt. Der Arbeitskontakt (Schließer) gewährleistet einen höheren Anpressdruck und damit einen besseren Kurzschlusskontakt. Zudem wurden die hier verwendeten Finder-Relais 40.61.9 komplett ersetzt durch die Typen 40.52.9 mit zwei Umschaltkontakten.
Für den Einsatz des neuen (und des alten) Christian-Tuners mit dem hier beschriebenen ATU wurde die Controller-Software von V3.14 auf V3.20 hochgerüstet. V3.20 erlaubt die Auswahl zwischen den beiden Varianten des Christian-Tuners. Für neue Christian-Tuner werden die Steuersignale an die Remote Unit invertiert. Remote Unit unverändert.

Update Controller Firmware V3.21, 04/2021: Erst nach dem Update auf V3.20 habe ich festgestellt, dass zu dem in Abschnitt 2.2 angeführten Update der Platine von Nov. 2019 auch eine Anpassung der Anzeige von L und C entsprechend der Verschaltung der L- und C-Bänke - seriell oder nicht - auch eine Anpassung der zugehörigen Anzeigen erforderlich geworden wäre. Hier ist sie, neue Einstellung im Setup #9.

2.2   Zu 1, Hoch-/Tiefpassumschaltung

Bei den Anpassungsversuchen der neuen Dipolantenne zeigte sich eine Schwäche des Tuners. Diese Ursprungsversion von 2009 ist den vielfach veröffentlichten Versionen des symmetrischen Christian (DL3LAC)-Tuners [4] gefolgt. Hier sind in Stellung Lowpass die beiden C-Bänke in Serie an den Antennenausgang geschaltet, in Stellung Highpass sind es die beiden L-Bänke (Abb. 2.3). Ergebnis: Die Kapazitäten halbieren sich, die Induktivitäten verdoppeln sich. Damit ist zumindest an meinem 2x13,75m Dipol mit 12m Hühnerleiter eine Anpassung am unteren und am oberen Ende des Kurzwellenbereichs (80 und 10m) nicht optimal möglich. 160m wurde erst gar nicht versucht.

Abb. 2.3: Schaltung der L- und C-Bänke in der Vorgängerversion.

Im 80m-Band reicht die (halbierte) Kapazitätsvariation in Stellung Lowpass nicht aus, das ganze Band mit niedrigem SWR zu überstreichen. Im 10m-Band ist die (verdoppelte) Stufung der Induktivitätsvariation in Stellung Highpass zu grob, um im gesamten Band auf optimales SWR abzugleichen. Die jeweilige Serienschaltung am Antennenausgang erhöht zwar die Spannungsfestigkeit für QRO-Tuner der 1kW-Klasse, ist aber für den hier gewünschten Leistungsbereich eher störend. Die Relais RL8 bis RL11 wurden daher anders beschaltet. Bei anderen Anpassungssituationen als hier könnte die Beschaltung mit doppeltem L und halbierten C wie in Abb. 2.3 aber durchaus vorteilhaft sein.

Update Nov. 2019: Es steht nun eine Platine im Download zur Verfügung, mit der beide Varianten realisiert werden können. DH4YM hat sie in seinem Programm.

Abb. 2.4: Hoch-/Tiefpassumschaltung, Stellung Tiefpass.

Abb. 2.5: Hoch-/Tiefpassumschaltung, Stellung Hochpass.

Abb. 2.6: Hoch-/Tiefpassumschaltung, Relaisbeschaltung.

Mal eine Frage an die Gemeinde

Im Verlauf von Diskussionen mit einigen Nachbauern bin ich mir doch unschlüssig geworden, ob die verschiedenen Hoch-/Tiefpasskonfigurationen mit jeweils 2 L- und 2 C-Bänken der Weisheit letzter Schluss ist. Es sollte doch auch einfacher gehen mit nur zwei Varianten einer Tiefpassschaltung.

Abb. 2.6a: Anpassungen high/low Z mit einem Tiefpass.

Wenn die variable Kapazität wahlweise vorne oder hinten eingefügt wird, erübrigt sich die zweite C-Bank. Weiterer Vorteil: Der Tiefpass vermindert die Abstrahlung von Oberwellen. So sähe das dann mit entsprechenden Relais aus:

Abb. 2.6b: Relaisumschaltung der zwei Tiefpassvarianten.

Geschlossene Kontakte jeweils als Arbeitskontakte (Relais hat angezogen). Ginge es nicht auch einfacher mit nur zwei Relais mit Umschaftkontakten? Nicht zu empfehlen, da die Ruhekontakte mit dem konstruktiv bedingten Anpressdruck bei den hier möglichen Spannungen und Strömen wohl im Lauf der Zeit zu "Wackelkandidaten" werden.

Im Netz sind beide Ansätze, der bisherige (Abb. 2.2 bis 2.5) und der nach Abb. 2.6b, anzutreffen. Eine Abwägung von Vor- und Nachteilen beider habe ich nicht gefunden. Zumindest ökonomischer wäre die Variante nach Abb. 2.6b. Mit dieser oder einer vergleichbaren Relaisbeschaltung sollte die ATU-Software genauso umgehen können. Statt Hoch-/Tiefpass wären die Schaltstellungen Lowpass 1 (C "vorne") oder Lowpass 2 (C "hinten"). Eine der beiden C-Bänke wäre dann entbehrlich.
Hat das mal jemand mit der hier vorgestellten ATU-Software realisiert?

2.3   Zu 2, Balun

Der Balun nach Joe Reisert, W1JR, ist mit RG316 auf den FT140-43 gewickelt, je 5 Windungen mit Richtungswechsel (Abb. 2.7).

Abb. 2.7: Strombalun (Mantelwellensperre) mit 10 Windungen nach W1JR.

W1JR bewickelt den Ringkern scheinbar asymmetrisch, Beispiele in [10] und Rothammels Antennenbuch, Kap. 7.4.2.3. In Abb. 2.7 links (von oben) 5 Windungen, die 6. Windung ist der Richtungswechsel, dann weitere 4 Windungen auf der rechten Seite (nach unten). Insgesamt also 10 Windungen. Einmal innen durch ist eine Windung. Bei anderen Autoren im Netz findet man auch oft um den Richtungswechsel symmetrische Anordnungen, z.B. 5 Windungen rechts, dann Richtungs-wechsel, dann 5 Windungen links, insgesamt also 11 Windungen. Für tiefere Frequenzen könnten ggf. auch mehr Windungen gebraucht werden, s.u. Abb. 2.10. Eine Rechts-Links-Symmetrie ist wohl eher ein Anliegen von Ästheten. Der Witz in der Wicklungsanordnung liegt darin, dass Ein- und Ausgang maximal voneinander entfernt sind und dabei der gesamte Ringkern bewickelt ist.

Simple Wickeltechnik, auch gute Werte? Offenbar.

Abb. 2.8: SWR W1JR-Balun.

Abb. 2.9: Impedanz W1JR-Balun.

Abb. 2.10: Gleichtaktunterdrückung W1JR-Balun.

Jeweils 25Ω-Widerstände wären passender für das 50Ω-System. Dennoch, kann man so lassen. Die Aufgabe, Gleichtaktströme durch Mantelwellen zu unterdrücken, erfüllt der Balun zwischen 80 und 10m mit deutlich über 30 dB bei manierlichem SWR und glattem Impedanzverlauf. Für 160m brächten wohl je eine Windung mehr rechts und links eine bessere Gleichtaktunterdrückung.

So sieht die Hoch-/Tiefpassumschaltung dann aus:

Abb. 2.11: Hoch-/Tiefpassumschaltung.

2.4   Zu 3: C-Bank

Bei den Tests an der Dipolantenne zeigten sich teilweise übergroße Sprünge bei der SWR-Optimierung mit Schaltung einer anderen Binärstufe. Beim Hochschalten der Kapazitäten etwa fallen alle niederwertigen Relais ab, während das nächst höherwertige anzieht. Die Kondensatoren waren sorgfältig entsprechend der Binärstufung ausgemessen. Soweit die Theorie. Die Praxis zeigt z.B. beim binären Sprung auf 200pF statt dem erwarteten Kapazitätszuwachs von ca. 3 pF einen von ca. 7 pF. Erscheint wenig, kann aber einen Sprung über das minimale SWR bedeuten. Knapp daneben ist auch vorbei. Bilder hierzu sind im Download zu Artikel "Abenteuer Antennenbau" auf dieser Website zu sehen.

Deshalb wurden die beiden höchsten Kapazitäten C6 und C7 (vgl. Abb. 2.2) mit 194pF (statt 200 pF) und 387pF (statt 400pF) bemessen. Von allen C-Werten sollte also eine ausreichende Menge beschafft werden, um innerhalb der Toleranzen die passenden Kombinationen (Abb. 2.2) ausmessen zu können.

Abb. 2.12: Die C-Bank.

Abb. 2.13: Die L-Bank.

Als Nullwerte bei "Durchzug", also alle Kapazitäten aus (Relais in Ruhestellung offen) und alle Induktivitäten überbrückt (Relais in Ruhestellung geschlossen) ergaben sich
C0 ~ 17pF und
L0 ~ 200nH.

Mit der hier gezeigten Dimensionierung ergibt sich damit ein Einstellbereich von
C = 17 bis 815pF
L = 0,2 bis 33 µH.

Damit lässt sich nicht jede beliebige Antenne, insbesondere eine extrem kurze mit abenteuerlichen Fußpunktimpedanzen anpassen. Bei Dipolantennen, und dafür ist der symmetrische Tuner gedacht, muss ggf. auch mit der Länge der Hühnerleiter experimentiert werden, um innerhalb des Einstellbereiches noch anpassen zu können. Die doch relativ grobe 8 Bit-Stufung setzt hier Grenzen. Zur Not – nicht schön, aber machbar – kann in Stellung Tiefpass in den unteren Bändern ein weiterer (spannungsfester und stromresistenter!) Kondensator parallel an die Antennenbuchsen geklemmt werden.

2.5   Zusammenbau

Abb. 2.14: Ansicht der Remote Unit.

Es werden insgesamt fünf Platinen verwendet, zwei für die beiden L-Züge, zwei für die beiden C-Züge und die fünfte für die Umschaltung Hoch-/Tiefpass mit Balun. Die C- bzw. L-Platinen werden mit Gewindestangen als "Doppeldecker" verschraubt. Es wurde darauf geachtet, dass für die Zuschnitte Euro-Karten (160x100 mm) ausreichen. Die Verbindung der Steuerleitungen untereinander und zur Remote Unit erfolgen mit Flachbandkabel und Zehnfach-Pfostensteckern. 2,5 qmm Autolitze lässt eine freitragende HF-Verkabelung zu. Die Controller-Platine in der Remote Unit ist in einem aus doppelseitigem Platinenmaterial zusammengelöteten Gehäuse untergebracht, um Empfangsstörungen und HF-Einstrahlungen zu vermeiden.

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