Nach einigen lehrreichen Versuchen mit festen (hier und hier) und elektromechanisch einstellbaren Kondensatoren (hier und hier), habe ich nun einen funktionsfähigen und brauchbaren Prototypen gebaut. Als Bauart habe ich mich für den ursprünglich geplanten Schiebekondensator aus einem Stator und einem Schieber mit jeweils mehreren Lamellen entschieden. Die aus einem Aluminiumblock gefräste Version mit parallelgeschalteten Zylinderkondensatoren ist zwar originell und prinzipiell auch machbar, aber für einen Hobbyfräser doch eine ziemliche Herausforderung.
Hier nun zunächst die 3D-Ansicht des real aufgebauten und nachfolgend vorgestellten Prototypen:
Der Schieber ist an einem Block befestigt, der eine Trapezgewindemutter trägt. Sie wird von einem Schrittmotor über eine Trapezgewindespindel angetrieben.
Designziele
Es handelt sich hier immer noch um einen Prototypen, der zeigen soll, daß der Weg prinzipiell der richtige ist, also ein proof-of-concept. Als grobes Ziel soll ein Einstellbereich von etwa 10 pF bis etwa 500 pF erreicht werden. Die Spannungsfestigkeit soll bei 2 kV liegen und die Güte soll möglichst hoch sein. Aus früheren Versuchen ist zu erwarten, daß eine Güte von 1000 nicht erreicht werden kann, aber 100 sollte das Minimum sein. Dann wird bei 100 Watt Sendeleistung ein Watt in Wärme umgesetzt, was vertretbar erscheint. Es sei hier in Erinnerung gerufen, daß die Güte definitionsgemäß frequenzabhängig ist und mit steigender Frequenz abnimmt.
Zur Abschätzung der Kapazität und der Spannungsfestigkeit dient dieses Spreadsheet. Man wählt ein Dielektrikum aus der Liste, gibt die Dimensionen und die Anzahl der Kondensatorplatten an und erhält die Gesamtkapazität und die Spannungsfestigkeit. Die tatsächliche Kapazität des Prototypen liegt leider nur bei etwa 70% des errechneten Wertes. Das kann viele Ursachen haben, von einem Fehler in der Berechnung bis zu Ungenauigkeiten bei der Dielektrizitätskonstanten. Ich bin dem nicht auf den Grund gegangen, die Abschätzung genügt mir.
Zweck des Prototypen ist die Messung der erzielten Eigenschaften: des Einstellbereichs der Kapazität, der Selbstresonanzfrequenz als Folge seiner parasitären Induktivität und die Messung der Güte. Darüberhinaus sollen natürlich die mechanischen Eigenschaften ausprobiert werden, insbesondere der Antrieb durch den Schrittmotor. Die Frage war, ob sein Drehmoment ausreicht um den Schieber beliebig hin- und herzuschieben, ohne daß etwas verklemmt. Ansonsten wäre ein etwas größerer Stepper vonnöten, beispielsweise die Größe NEMA 17.
Entwicklung und Fertigung der Kondensatorplatten
Erste Prototypen der Kondensatorplatten wurden aus doppelseitig kupferbeschichtetem Leiterplattenmaterial gefräst. Das funktioniert natürlich, ist aber mühsam. In Zeiten, in denen man 30 Stück solcher Platten für etwa 15 Euro in China fertigen lassen kann, lohnt dieser Aufwand nicht. Also habe ich mit KiCad die Stator- und die Schieberplatten entworfen und davon lagen nach gut einer Woche jeweils 30 Stück in meinem Briefkasten. So sehen sie aus:
Hier die beiden KiCad-Projekte. Beide Platten sind durchkontaktiert und die aktiven Flächen sind frei von Lötlack. Als Dicke habe ich nominal 0,5 mm gewählt, mit der Mikrometerschraube nachgemessen sind es letztlich 0,55 mm. Die Platten werden einfach oder mehrfach mit dem Dielektrikum beklebt und gefräste Abstandshalter halten beide Platten auf dem festen Abstand. In meinem Fall sind es statt der nominalen 1,00 mm gemessene 1,07 mm. Auch solche Abweichungen können zu der Diskrepanz zwischen errechneter und gemessener Kapazität führen. Ich hätte übrigens auch gerne 0,75 mm oder 0,8 mm dicke Abstandshalter gefräst, habe aber zumindest ohne große Suche kein passendes Rohmaterial gefunden.
Die überstehenden Lötlaschen beider Platten sollen von oben bis unten mit einem durchgezogenen Draht verlötet werden. Elektrisch würde natürlich ein einziger Draht genügen, aber die Idee ist, den Wirkwiderstand gering und damit die Güte hochzuhalten. Außerdem hoffe ich darauf, daß die parasitäre Induktivität dadurch niedrig gehalten wird. Besonders beim Schieber ist es auch denkbar, per Relais nur einen Teil der Platten zuzuschalten. Das sollte die minimale Kapazität niedrig halten und falls nötig eine feinere Einstellung zu erlauben. Die nicht verwendeten Laschen können dann einfach abgebrochen werden.
Auswahl des Dielektrikums
Bei gegebenem Abstand der Platten bestimmt das Dielektrikum die Kapazität, die Güte und die Spannungsfestigkeit des Kondensators. Das oben gezeigte Spreadsheet erlaubt die Auswahl aus verschiedenen Materialien. Am einfachsten ist natürlich Luft, wie bei einem Drehkondensator. Die Dielektrizitätskonstante ist allerdings nur 1, so daß die Kapazität gering bleibt. Außerdem ist die Spannungsfestigkeit ziemlich undefiniert, denn sie hängt erheblich von der Luftfeuchtigkeit ab, die beim Außeneinsatz trotz Gehäuse auch mal nahe an der Sättigungsgrenze sein kann. Luft als Dielektrikum erfordert auch eine präzise Führung des Schiebers, so daß der Plattenabstand gleichbleibt. Das ist auch nicht ganz trivial.
Bei meinen Versuchen hat es sich bewährt, auf eine Klebefolie zu setzen. Durch Bekleben der Ober- und Unterseite jeder Platte an einem Stück, wird jeweils eine vollständige Isolation auch an den Kanten erreicht. Die Schieberplatten haben beidseitig einen 1 mm breiten Rand, der auch überklebt wird. Spannungsüberschläge sollten damit ausgeschlossen sein.
Die weitverbreiteten Polypropylen-Klebebänder (Tesafilm) scheiden schon wegen des Klebstoffs aus. Der verrottet nach kurzer Zeit. Als Dielektrikum gut geeignet ist PTFE (Teflon), aber mit den Klebebändern habe ich keine gute Erfahrung gemacht. Die gemessene Güte ist wahrscheinlich wegen des Klebers nicht so gut, wie erwartet. Außerdem macht die Dicke der Klebebänder von 180 µm die Verarbeitung nicht ganz so leicht. Ich bin aber auch nicht sicher, ob das, was einem als PTFE verkauft wird, wirklich auch PTFE ist. Letztlich habe ich mich für Polyimid-Folien entschieden, die unter dem Handelsnamen Kapton verkauft werden. Mit 50 µm Dicke sind sie gut zu verarbeiten und sie gleiten gut aufeinander. Gegebenenfalls kann man auch problemlos mehrere Schichten übereinander kleben. Polyimid hat eine relativ hohe Dielektrizitätskonstante von 3,5 und eine Spannungsfestigkeit von 23 kV/mm. Der Verlustfaktor ist „mittelprächtig“, viel besser als der von PVC und FR‑4, aber auch viel schlechter als der von PTFE.
Erstellen des 3D-Modells
Ein Screenshot des 3D-Modells wurde eingangs schon gezeigt und soll hier nochmal wiederholt werden:
Man erkennt das Paket aus sechs Statorplatten (dunkelgrün) und fünf Schieberplatten (braun). Der Schrittmotor ist an den Seitenwänden befestigt und treibt über eine Trapezgewindespindel und dazugehörige Trapezgewindemutter den Schieber an. In der Wand gegenüber dem Schrittmotor ist ein Kugellager eingebaut. Es hat 16 mm Außendurchmesser und 8 mm Innendurchmesser. Es ist nicht unbedingt notwendig, denn die Trapezgewindespindel wird ja auch von dem Schieberblock gehalten. Die Spindel wird mit einer passenden Kupplung an den Schrittmotor geschraubt. Diese Kupplung kann einen geringen Versatz der Achsen ausgleichen.
Die vordere Seitenwand ist hier ausgeblendet. An der hinteren Seitenwand ist ein Referenzschalter montiert, damit beim Einschalten der Nullpunkt gefunden werden kann. Die Anzahl der Stator- und Schieberplatten ist in gewissen Grenzen frei wählbar. Die hier gezeigte Konfiguration erlaubt es, eine Kapazität zwischen knapp 10 pF und etwa 650 pF einzustellen (siehe Messergebnisse).
Hier ist das Python-Makro für FreeCAD, mit dem das oben gezeigte Modell erstellt wurde. Die Seitenteile, Füße und Führungen wurden mit einem 3D-Drucker erstellt und aus dem hier generierten Modell exportiert. Einige Parameter sind im Quelltext wählbar, z.B. die Anzahl der Platten.
Ansteuerung des Schrittmotors
Die Ansteuerung für den Prototypen basiert auf dem schon früher hier vorgestellten ATMEGA644-Board und preisgünstigen A4988-Modulen.
Hier als Referenz der Schaltplan im PDF-Format und das KiCad-Projekt.
Für diesen Schiebekondensator wird nur einer der bis zu drei Treiber für Schrittmotoren benötigt.
Die Software ist im Moment recht unausgereift, zumindest noch nicht soweit, daß ich sie hier veröffentlichen wollte. Der Schrittmotor wird im Halbschritt-Modus angesteuert und die Schrittimpulse werden in einem Interrupt-Handler mit 500-µs-Intervall generiert. Eine provisorische Beschleunigungs- und Abbremsphase ist auch implementiert. Beim Einschalten wird eine Referenzfahrt durchgeführt, so daß die Startposition bekannt ist. Durch Drücken der Tasten SW1 oder SW4 kann der Schieber aus- oder eingefahren werden. An den Grenzen wird automatisch gestoppt. Über Modbus-Kommandos kann auch eine bestimmte Position angefahren werden.
Die verwendete Trapezgewindespindel hat eine Steigung von 8 mm pro Umdrehung und der gesamte Fahrweg ist 50,8 mm lang. Bei 400 Halbschritten pro Umdrehung ergeben sich damit 2540 Schritte. Abgesehen von der Beschleunigungs- und Abbremsphase braucht jeder Schritt das doppelte der oben genannten 500 µs, weil ein Intervall zum Einschalten des Schrittimpulses und ein zweites zum Ausschalten benötigt wird. Eine komplette Fahrt dauert somit also etwa 2,5 Sekunden. Das wäre bei Bedarf sicherlich zu verbessern, am einfachsten durch Umstieg auf Vollschritte. Gegebenenfalls muß dann aber ein Schrittmotor mit höherem Drehmoment eingesetzt werden, der dann wiederum eine höhere Versorgungsspannung benötigt, also beispielsweise 24V statt der hier verwendeten 12V.
Betrieb des Prototypen
Hier ist ein kurzes Video, das den Prototypen bei der Arbeit zeigt:
Alle Bewegungen sind in der Originalgeschwindigkeit gezeigt. Die SMA-Buchse dient zu den nachfolgend gezeigten Messungen.
Messergebnisse
Hier werden jetzt einige Messergebnisse dokumentiert.
Die Messungen wurden mit dem VNWA von SDR-Kits bei 1 MHz durchgeführt. Der Schiebekondensator ist über die oben gezeigte Ansteuerung und über einen USB-RS232-Konverter an einen PC angeschlossen. Von dort wird er direkt mit QModMaster bedient, indem das dafür vorgesehene Register direkt beschrieben wird. Die Schrittgrenzen sind mit 0 und 2540 fest einprogrammiert. Auch wenn ein Wert außerhalb dieses Bereiches eingegeben wird, fährt der Motor nur bis zu dieser Grenze.
Im Video wird mehrmals an dieselbe Position gefahren, um die Wiederholgenauigkeit zu testen. Zu beachten ist, daß die Messung auch bei stehendem Schieber um etwa 1 pF schwankt und der gezeigte Wert vom Augenblick des Screenshots abhängt. Die Abweichung beim Anfahren derselben Position liegt in derselben Größenordnung. Der Gütemessung sollte man keine allzugroße Bedeutung zumessen. Auch dieser Wert schwankt sehr stark, denn er ist ja der Quotient aus dem hohen Blindwiderstand und dem niedrigen Wirkwiderstand.
Wie man sieht, ist der Kondensator von etwa 8 pF bis knapp 670 pF einstellbar. Nachfolgend noch ein paar Messungen über einen Frequenzbereich zwischen 1 MHz und 99 MHz bei den Schieberstellungen 0, 500, 1000, 1500, 2000 und 2500.
Aus der Selbstresonanzfrequenz errechnet sich die parasitäre Induktivität zu etwa 60 bis 80 nH. Sie ist im eingefahrenen Zustand niedriger, weil dann die von den Testleitungen umspannte Fläche geringer ist.
Verwendete Bauteile
Der hier eingesetzte Schrittmotor ist ein NEMA-FLAT02, der beispielsweise bei Reichelt zu beziehen ist. Die Trapezgewindespindel ist 100 mm lang und vom Typ T8x2x8. Sie hat einen Durchmesser von 8 mm und eine Steigung von 8 mm pro Umdrehung. Sie hat eine 2‑mm-Teilung, also insgesamt 4 Gänge. Dazu habe ich eine passende Trapezgewindemutter aus Messing eingesetzt. Genau wie die Kupplung und das Kugellager sind diese Bauteile über die bekannten Verkaufsplattformen im Internet zu beziehen.