Ein­stell­ba­rer Kon­den­sa­tor im Eigen­bau – Die ersten Prototypen

Schon in frü­he­ren Bei­trä­gen (hier, hier und hier) habe ich über Ver­su­che zum Selbst­bau von Kon­den­sa­to­ren geschrie­ben. Das Ziel war immer das glei­che, einen span­nungs­fe­sten, induk­ti­vi­täts­ar­men und elek­tro­me­cha­nisch ein­stell­ba­ren Kon­den­sa­tor mög­lichst hoher Güte zu bau­en, der in einem Anten­nen­tu­ner Anwen­dung fin­den soll. Die Mecha­nik soll dabei zuver­läs­sig genug sein, um ihn in einem Gehäu­se im Außen­be­reich ein­zu­set­zen, in dem es im Som­mer bei direk­ter Son­nen­ein­strah­lung 60°C oder 70°C warm wer­den kann und im Win­ter auch mal ‑20°C mög­lich sind.

Als plau­si­ble Ziel­wer­te soll ein Ein­stell­be­reich von 10 pF bis etwa 200 pF ange­strebt wer­den. Die Span­nungs­fe­stig­keit soll­te über 1 kV lie­gen, bes­ser 2 bis 3 kV, denn gera­de bei hoch­oh­mi­gen Anten­nen tritt auch bei nur 100 W Aus­gangs­lei­stung schon eine recht hohe Span­nung auf. Wäre schön, wenn die Güte bei min­de­stens 1000 läge und die Selbst­in­duk­ti­vi­tät bei weni­ger als 30 nH. Ob die­se Wün­sche erfüll­bar sind, muß dann ein Pro­to­typ zeigen.

Aus­wahl der Materialien

Das Dielek­tri­kum

Der ein­fach­ste Auf­bau ver­wen­det ein Luft­di­elek­tri­kum. Das wur­de aber ver­wor­fen, weil Luft im ungün­stig­sten Fall nur eine Durch­schlags­fe­stig­keit von 400 V/mm und eine Dielek­tri­zi­täts­kon­stan­te von 1 hat. Das wür­de einen Abstand von über 2 mm bedeu­ten, was eine zu gerin­ge Kapa­zi­tät oder zu hohe Bau­grö­ße bedeu­ten wür­de. Ver­brei­te­te Kunst­stof­fe wie PVC, PC oder PE haben einen schlech­ten Ver­lust­fak­tor, soweit über­haupt ver­trau­ens­wür­di­ge Wer­te dafür zu fin­den sind. So bleibt als preis­wer­tes und gut erhält­li­ches Dielek­tri­kum prak­tisch nur PTFE übrig.

Der Kon­den­sa­tor­block

Um eine mög­lichst hohe Güte zu errei­chen, muß der Kon­den­sa­tor­block aus gut lei­ten­dem Mate­ri­al sein. Am besten wäre wohl Kup­fer, es hat aber den Nach­teil der Kor­ro­si­ons­an­fäl­lig­keit. Dies­be­züg­lich ist Alu­mi­ni­um über­le­gen und sei­ne Leit­fä­hig­keit steht dem Kup­fer kaum nach. Außer­dem ist das Frä­sen von Alu­mi­ni­um zumin­dest für Anfän­ger wie mich eine ech­te Her­aus­for­de­rung. Daher soll zumin­dest im Pro­to­typ Alu­mi­ni­um ein­ge­setzt wer­den. Im Erfolgs­fall könn­te eine Vari­an­te aus Kup­fer folgen.

Fest­le­gung der Bauform

Ein­stell­ba­re Kon­den­sa­to­ren sind übli­cher­wei­se als Dreh­kon­den­sa­to­ren mit meh­re­ren Plat­ten und Luft­di­elek­tri­kum aus­ge­führt. Das führt bei der ange­streb­ten Kapa­zi­tät und Span­nungs­fe­stig­keit zu recht gro­ßen Abmes­sun­gen, die wie­der­um die Selbst­in­duk­ti­vi­tät in die Höhe trei­ben. Der Eigen­bau aus meh­re­ren Plat­ten und zwi­schen­ge­leg­ten PTFE-Foli­en erscheint mir mecha­nisch schwie­rig, beson­ders weil die bei­den Blöcke induk­ti­vi­täts­arm und kor­ro­si­ons­fest ver­schraubt oder ver­lö­tet wer­den müssen

Daher soll der Ver­such mit vie­len par­al­lel­ge­schal­te­ten Zylin­der­kon­den­sa­to­ren gemacht wer­den, die über eine Gewin­de­stan­ge von einem Schritt­mo­tor ver­scho­ben wer­den kön­nen. Sie sol­len aus einem Alu­mi­ni­um­block gefräst wer­den und somit die Kon­tak­tie­rungs­pro­ble­me mini­mie­ren. Die Abmes­sun­gen und damit die Selbst­in­duk­ti­vi­tät kön­nen so im Rah­men gehal­ten wer­den. Die unten gezeig­ten 3D-Model­le sol­len die Idee verdeutlichen.

Die bei­den Blöcke wer­den nach alter Väter Sit­te als Männ­chen und Weib­chen bezeich­net. Wie im rich­ti­gen Leben bekom­men die Männ­chen Kon­do­me, aller­dings nicht aus Latex. PTFE-Schläu­che mit einem Innen­durch­mes­ser von 3 mm und einem Außen­durch­mes­ser von 4 mm sind leicht und preis­wert erhält­lich. Damit ist dann der Abstand der Kon­den­sa­tor­zy­lin­der auf 0,5 mm zuzüg­lich einer klei­nen Tole­ranz von etwa 0,2 mm festgelegt.

Wenn ein sol­cher Stift mit 3 mm Durch­mes­ser und PTFE-Über­zug 15 mm in sein Gegen­stück ein­ge­führt wird, hat die­ser Zylin­der­kon­den­sa­tor eine Kapa­zi­tät von etwa 4 pF. Fünf­zig par­al­lel­ge­schal­te­te Kon­den­sa­to­ren die­ser Art kom­men dann zusam­men auf 200 pF. Die para­si­tä­re Induk­ti­vi­tät der Kon­den­sa­to­ren ist auch par­al­lel­ge­schal­tet, was in Sum­me zu einer rela­tiv nied­ri­gen Induk­ti­vi­tät füh­ren soll­te. Bei 200 pF und 30 nH soll­te die Selbst­re­so­nanz­fre­quenz bei über 60 MHz lie­gen, also außer­halb der klas­si­schen Kurzwellenbänder.

Ein aller­er­ster Prototyp

Einen aller­er­sten Pro­to­ty­pen, der gleich­zei­tig eine Ein­füh­rung in die Grund­la­gen des Alu­mi­ni­um­frä­sens war, zeigt das nach­fol­gen­de Foto. Es ist ein „Pro­of of Concept“.

Die Mes­sun­gen zei­gen eine Kapa­zi­tät von 15 pF bei ganz ein­ge­scho­be­nem Kon­den­sa­tor und gut 4 pF bei fast kom­plett aus­ge­zo­ge­nem Kondensator.

Die Selbst­re­so­nanz­fre­quenz liegt bei 330 MHz, was eine para­si­tä­re Induk­ti­vi­tät von etwa 15 nH bedeutet.

Leh­ren zum Frä­sen von Aluminium

Es gibt vie­le ver­schie­de­ne Alu­mi­ni­um­le­gie­run­gen und etli­che davon sind schwie­rig zu Frä­sen. Das liegt im wesent­li­chen dar­an, daß sie einen nied­ri­gen Schmelz­punkt haben und ohne Küh­lung und Schmie­rung ganz schnell den Frä­ser ver­kle­ben. Ich habe mich für die rela­tiv preis­gün­stig erhält­li­che Legie­rung AW-5083 (AlMg4,5Mn) ent­schie­den. Davon habe ich zwei Plat­ten der Abmes­sung 200 mm x 300 mm besorgt, eine 15 mm dick, die ande­re 20 mm.

AW-5083 gilt als gut zer­span­bar. Das kann ich bestä­ti­gen, wenn man die Spä­ne gründ­lich absaugt und so auch durch den Luft­strom des Staub­saugers für Küh­lung sorgt. Wenn die Taschen aber tie­fer wer­den und die Spä­ne nicht schnell genug abge­saugt wer­den, geschieht das Unglück, der Frä­ser ver­klebt. Wenn man die Frä­se über den Not-Aus­schal­ter sofort stoppt, hat man eine Chan­ce den Frä­ser und das Werk­stück zu ret­ten. Das Her­aus­krat­zen des nun wie­der erstarr­ten Alu­mi­ni­ums ist aber kein Ver­gnü­gen und scha­det natür­lich auch den Schnitt­kan­ten des Frä­sers. Man­cher Frä­ser war danach schrottreif.

Küh­len hilft. Man­gels Min­der­men­gen­schmie­rung sit­ze ich dann mit einer Sprüh­fla­sche mit rei­nem oder mit Was­ser ver­dünn­tem Iso­pro­pa­nol dane­ben und sprü­he alle paar Sekun­den den Frä­ser ein. Der Nach­teil ist dabei, daß die Spä­ne nicht mehr ganz so leicht abzu­sau­gen sind, also auch nicht ide­al. Am besten wird wohl eine Min­der­men­gen­schmie­rung funk­tio­nie­ren, die mit viel Luft­druck die Spä­ne weg­bläst und durch Zuga­be gerin­ger Men­gen Schmier­stoffs den Frä­ser schmiert und kühlt. Das wird eine mei­ner näch­sten Anschaf­fun­gen sein, bedingt aller­dings eine Umhau­sung, wenn man nicht anschlie­ßend das gan­ze Zim­mer rei­ni­gen will.

Der zwei­te Prototyp

Die Idee beim zwei­ten Pro­to­typ war nun, zu Boh­ren statt zu Frä­sen. Die Hoff­nung war, daß dadurch die Spä­ne bes­ser weg­trans­por­tiert wer­den, beson­ders bei tie­fe­ren Boh­run­gen. Die Fräs­spin­del ist für einen nor­ma­len HSS-Boh­rer zu schnell, also habe ich die Bohr­ma­schi­ne ein­ge­spannt. Sie hat die­sel­be 43-mm-Euro­hals­auf­nah­me wie die Spin­del. Das kann man als tota­len Fehl­ver­such beur­tei­len. Die Bohr­ma­schi­ne ist deut­lich weni­ger sta­bil als die Fräs­spin­del und der HSS-Boh­rer ist zu lang und läuft weg. Die Bohr­lö­cher lie­gen damit zu weit außer­halb der Tole­ranz. Den­noch soll das Ergeb­nis hier gezeigt wer­den, auch aus Fehl­ver­su­chen lernt man.

Schiebekondensator 50x50mm
Schie­be­kon­den­sa­tor 50x50mm

Auf dem Foto nicht ganz deut­lich zu erken­nen ist, daß die Boh­run­gen um geschätzt bis zu einem hal­ben Mil­li­me­ter neben der gewünsch­ten Posi­ti­on lie­gen. Die Männ­chen sind deut­lich maß­hal­ti­ger, denn sie sind mit der Spin­del gefräst, nicht gebohrt. Aber an den Rie­fen sieht man, daß sich dann doch ein Stück Alu am Frä­ser fest­ge­setzt hat. Die Zustel­lung betrug 1 mm und so sieht man alle 1 mm eine Rie­fe, die auch beim Schlicht­durch­gang nicht mehr ent­fernt wer­den konn­te. Naja, kein Mei­ster­werk, noch lan­ge nicht.

Die Maß­hal­tig­keit ist so schlecht, daß nicht alle Stif­te mit einem Schlauch über­zo­gen wer­den kön­nen. Bei den gezeig­ten vier über­zo­ge­nen Stif­ten las­sen sich die Tei­le aber gut ein­stecken und wie­der aus­zie­hen, ohne daß es zu Kurz­schlüs­sen kommt. Damit kann auch die­ser Pro­to­typ aus­ge­mes­sen werden.

Bei kom­plett ein­ge­scho­be­nem Kon­den­sa­tor sind die Stif­te etwa 15 mm tief ein­ge­steckt. Bei der gezeig­ten Mes­sung sind nur vier Zylin­der mit PTFE über­zo­gen, die ande­ren haben Luft als Dielek­tri­kum. Es ergibt sich eine Kapa­zi­tät von etwa 160 pF und eine Selbst­re­so­nanz­fre­quenz von 76 MHz, ent­spre­chend einer para­si­tä­ren Induk­ti­vi­tät von knapp 30 nH. Mit PTFE auf allen Stif­ten soll­te die Kapa­zi­tät auf etwa 250 pF stei­gen und die Induk­ti­vi­tät müss­te annä­hernd gleich­blei­ben. Die Selbst­re­so­nanz­fre­quenz sinkt damit unter knapp 60 MHz, was für den geplan­ten Ein­satz­zweck rei­chen soll­te. Die Ergeb­nis­se sind also ermutigend.

Ver­bes­se­run­gen für den näch­sten Durchgang

Für das Weib­chen scheint Boh­ren die ein­zi­ge mach­ba­re Metho­de zu sein. Ich habe VHM-Boh­rer mit pas­sen­dem Durch­mes­ser von 4,2 mm besorgt und wer­de es mit der Fräs­spin­del statt der Bohr­ma­schi­ne pro­bie­ren. Küh­lung und Schmie­rung sind sicher unbe­dingt nötig, sonst sind die Boh­rer schnell hin­über. Wenn not­wen­dig, kann man am Ende noch einen Schlicht­ar­beits­gang mit einem pas­sen­den Frä­ser anfü­gen. Da fal­len nicht mehr vie­le Spä­ne an.

Beim Männ­chen kann man prin­zi­pi­ell auch durch Boh­ren schon eine Men­ge Mate­ri­al abtra­gen, bevor man mit dem Frä­sen beginnt. Das dau­ert aller­dings, daher ist der oben gezeig­te Pro­to­typ kom­plett gefräst, ohne vor­her zu Boh­ren. Das ging mit einem Zwei­schnei­der von 3mm Durch­mes­ser und einer Schnei­den­län­ge von 20 mm auch ganz gut. Die Spä­ne müs­sen aller­dings sofort abge­saugt wer­den, was hier nicht ganz gelun­gen ist. Beim näch­sten Ver­such wer­de ich die Abstän­de etwas ver­grö­ßern, näm­lich auf 6,2 mm so daß eine Schlicht­zu­ga­be von 0,2 mm mög­lich ist.

Wird fort­ge­setzt…

Yoo­CNC Con­trol­ler mit ESTLCAM

Seit etwa zehn Jah­ren betrei­be ich eine klei­ne chi­ne­si­sche CNC-Frä­se mit Yoo­CNC Con­trol­ler. Schritt­ver­lu­ste beglei­ten mich dabei von Anfang an. Ich konn­te sie auf ein erträg­li­ches Maß redu­zie­ren, indem ich ein paar im CNC-Forum emp­foh­le­ne Modi­fi­ka­tio­nen durch­ge­führt habe. Inzwi­schen betrei­be ich die Frä­se nicht mehr mit Mach3, son­dern bin auf den ESTLCAM CNC-Con­trol­ler umge­stie­gen, die ESTLCAM CAM-Soft­ware benut­ze ich schon von Anfang an.

Zum Testen der Frä­se habe ich ein klei­nes CAM-File geschrie­ben, das ein­fach nur fünf­zig­mal alle Ach­sen nach­ein­an­der von ihrer Mini­mal­po­si­ti­on zur Maxi­mal­po­si­ti­on und zurück fährt. Das nut­ze ich übri­gens auch nach dem gele­gent­li­chen Ölen der Spin­deln und Füh­rungs­schie­nen zum Ver­tei­len und „Ein­mas­sie­ren“ des Öls. Vor und nach dem Test­lauf füh­re ich eine Refe­renz­fahrt aus und ESTLCAM zeigt nach der zwei­ten Refe­renz­fahrt die Schritt­ver­lu­ste in Schrit­ten und in Mil­li­me­ter an. Schritt­ver­lu­ste im ein­stel­li­gen Bereich sind dabei zu ver­nach­läs­si­gen, denn deren Ursa­che ist wohl die Unge­nau­ig­keit der End­schal­ter. Ver­lu­ste um Mil­li­me­ter­bruch­tei­le oder gar um meh­re­re Mil­li­me­ter sind nicht hinnehmbar.

Bei die­sem Test­lauf pas­siert es immer wie­der, daß der Y‑Schrittmotor unter lau­tem Rat­tern nahe­zu ste­hen bleibt. Er dreht sich zwar noch sehr lang­sam, aber nicht mehr mit der ange­leg­ten Schritt­fre­quenz. Er hat offen­sicht­lich aus irgend­ei­nem Grun­de abge­bremst oder ganz gestoppt und kann nun nicht mehr ohne Beschleu­ni­gung mit der Takt­fre­quenz mit­hal­ten. Da ich den Schritt­mo­tor im Leer­lauf von Hand durch­dre­hen kann, ohne daß irgend­wo ein erhöh­ter Wider­stand zu bemer­ken wäre, habe ich die Steue­rung in Ver­dacht. Dem wider­spricht aller­dings, daß der Feh­ler auf der­sel­ben Ach­se auf­tritt, wenn ich die Aus­gän­ge wech­se­le. Wahr­schein­lich hat das Pro­blem meh­re­re Ursachen.

Beim Frä­sen der Klam­mern für mei­nen neu­en Anten­nen­mast habe ich mich aber nun der­art geär­gert, daß ich mich ent­schlos­sen habe, einen neu­en Con­trol­ler mit pro­fes­sio­nel­len End­stu­fen auf­zu­bau­en. Das soll dann auch der Ein­stieg für eine neue Frä­se sein. Das wer­de ich dem­nächst in einem sepa­ra­ten Arti­kel beschreiben.

Der Ärger und die Pla­nung für den neu­en Con­trol­ler hat dazu geführt, daß ich mir den alten Yoo­CNC-NT65-3X-Con­trol­ler noch­mal genau­er ange­schaut habe. Mit Logik­ana­ly­sa­tor und Oszil­lo­skop bewaff­net, habe ich mir die Signa­le direkt an den Steu­er­pins des TB6560AHQ ange­schaut und auch den Feh­ler­fall beob­ach­tet. Ergeb­nis: alle Schritt­im­pul­se kom­men kor­rekt auf den Signal­pins an. Auch im Feh­ler­fall fehlt kein ein­zi­ger Impuls und auch die Impuls­län­ge ist immer kor­rekt. Die Schritt­ver­lu­ste pas­sie­ren also am Aus­gang der Trei­ber oder eben doch in der Mecha­nik des Step­pers oder der Spindel.

Wie im oben ver­link­ten Forum emp­foh­len, habe ich die 24V Span­nungs­ver­sor­gung noch­mal geglät­tet, indem ich in der Y‑Endstufe den 1000µF Elko ersetzt habe und zwei neue 1µF und 0,1µF Kera­mik­kon­den­sa­to­ren par­al­lel geschal­tet habe. Außer­dem habe ich die ESTLCAM Ein­stel­lun­gen ange­passt. Der TB6560AHQ ver­langt in der Stan­dard­kon­fi­gu­ra­ti­on eine mini­ma­le Impuls­brei­te von 30µs. Außer­dem soll der CLK-Ein­gang für die Schritt­im­pul­se im Ruhe­zu­stand auf high lie­gen, denn nach einer Mil­li­se­kun­de schal­tet die Yoo­CNC-Steue­rung dann die Strom­stär­ke auf 20% her­un­ter, womit die Lei­stungs­auf­nah­me auf 4% sinkt. Die Schritt­mo­to­ren erwär­men sich dadurch deut­lich weniger.

Nach allen genann­ten Maß­nah­men ist die Feh­ler­häu­fig­keit nun erheb­lich gesun­ken, lei­der nicht ganz auf null. Da der Feh­ler nur auf der Y‑Achse auf­tritt, habe ich den maxi­ma­len Vor­schub für die­se Ach­se nied­ri­ger ein­ge­stellt. Die fol­gen­den ESTLCAM Ein­stel­lun­gen funk­tio­nie­ren nun mit dem Yoo­CNC Con­trol­ler im wesent­li­chen fehlerfrei:

X-, Y- und Z-Achse:
Schritte je Umdrehung: 1600 Achtelschritte (1,8° pro Puls, 200 Vollschritte, je 8 Mikroschritte)
Weg je Umdrehung: 4 mm (die Spindeln haben 4 mm Steigung)
Maximalvorschub X: 2200mm/min
Maximalvorschub Y: 1500mm/min
Maximalvorschub Z: 2200mm/min
Trägheit: 85% (default, nicht geändert)

Richtung umkehren: X:nein, Y und Z: ja

Für alle Achsen:
Beschleunigungsweg: 4 mm
Startvorschub: 60 mm/min
Schrittimpulslänge: 32µs (min: 30µs)
Schrittpause: 1
Schrittsignal invertieren: nein (wird durch eingebauten 74HC14 invertiert)

Der Aus­druck „im wesent­li­chen“ soll andeu­ten, daß es alle Jubel­jah­re lei­der doch noch einen Feh­ler gibt, immer auf der Y‑Achse. Das ist aber so sel­ten, daß ich damit arbei­ten kann. Die höhe­re Vor­schub­ge­schwin­dig­keit auf den X- und Z‑Achsen ver­ur­sacht kei­ne Pro­ble­me. Ob die Pro­ble­me auf der Y‑Achse tat­säch­lich von der Vor­schub­ge­schwin­dig­keit abhän­gen, ist nicht gesichert.

Die hier ein­ge­stell­te maxi­ma­le Vor­schub­ge­schwin­dig­keit wird von ESTLCAM beim Ver­fah­ren der Frä­se im Leer­lauf ver­wen­det. Beim Frä­sen gel­ten die beim Erstel­len des CAM-Files ange­ge­be­nen Wer­te, die natür­lich die hier ein­ge­stell­ten Maxi­mal­wer­te nicht über­schrei­ten dürfen.