Der Schie­be­kon­den­sa­tor – end­lich eine brauch­ba­re Version

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:

Der Schie­be­kon­den­sa­tor in Betrieb

Alle Bewe­gun­gen sind in der Ori­gi­nal­ge­schwin­dig­keit gezeigt. Die SMA-Buch­se dient zu den nach­fol­gend gezeig­ten Messungen.

Mess­ergeb­nis­se

Hier wer­den jetzt eini­ge Mess­ergeb­nis­se dokumentiert.

Mes­sun­gen am Schiebekondensator

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.

Umhau­sung für die Fräse

Seit einem Jahr betrei­be ich nun mei­ne neue Frä­se, eine Basic Line 1005 von Sor­otec. Der Tisch ist noch ein Pro­vi­so­ri­um und er soll gele­gent­lich durch eine Sieb­druck­plat­te ersetzt wer­den, die auf zwei klei­nen Unter­stell­ti­schen liegt. Immer­hin wiegt die Frä­se samt der Alu­mi­ni­um-Nuten­plat­te fast 100 kg.

So eine Frä­se macht ja lei­der eine Men­ge Dreck und bevor ich einen Tisch dafür baue, soll­te eine pas­sen­de Umhau­sung zumin­dest geplant wer­den, um nicht hin­ter­her den Tisch wie­der zu ent­sor­gen, weil er nicht passt. Die Umhau­sung der alten Frä­se hat­te ich aus Sperr­holz gebaut. Ein ähn­li­cher Auf­bau für die neue Frä­se kommt aus Gewichts­grün­den nicht in Fra­ge. Außer­dem ist es hilf­reich, wenn man bei geschlos­se­ner Umhau­sung den Fräs­vor­gang beob­ach­ten kann. Daher sol­len die Wän­de jetzt aus Acryl­glas (PMMA) sein und für die Struk­tur sol­len 20 mm x 20 mm und 20 mm x 40 mm Alu­mi­ni­um­pro­fi­le ver­wen­det werden.

Da ich in den letz­ten Wochen viel mit Python und Free­CAD gear­bei­tet habe, bot es sich an, die Umhau­sung mit Free­CAD zu pla­nen und auch zu Übungs­zwecken ein Python Macro dafür zu schrei­ben. Damit kann man ein drei­di­men­sio­na­les Modell und außer­dem noch eine Stück­li­ste erstel­len las­sen. Als Schman­kerl wird dann auch noch das Gewicht für den Kor­pus und die Hau­be aus­ge­rech­net. Das soll hier kurz doku­men­tiert werden.

Zunächst ein Blick auf die geplan­te Konstruktion:

Der Kasten wird 148 cm lang und 94 cm breit (Außen­ma­ße). Der Kor­pus ist 64 cm und der Deckel 24 cm hoch. In die Pro­fi­le wer­den Acryl­plat­ten ein­ge­baut. Die vor­de­re Sei­ten­wand des Kor­pus soll ver­schieb­bar sein (hier vor­ne links gezeigt) und die vor­de­re und hin­te­re Wand (schma­le Sei­te) des Kor­pus wird nach oben her­aus­nehm­bar. Der Deckel soll nur auf­lie­gen. Er wird durch Stif­te in den obe­ren Nuten des Kor­pus gegen Ver­rut­schen gesichert.

Nach der jet­zi­gen Pla­nung wie­gen Kor­pus und Hau­be jeweils etwa 14 kg. Das hängt natür­lich sehr von der Dicke des ver­wen­de­ten Acryls ab. Im Moment pla­ne ich 2 mm für die senk­rech­ten Wän­de und 4 mm für die Oberseite.

Hier ist das Python-Makro zum Erstel­len des Modells mit Free­CAD. Es muß in das FreeCAD-Makro-Verzeichnis

c:\Users\<username>\AppData\Roaming\FreeCAD\Macro\

kopiert wer­den und kann dann unter dem Free­CAD Menü­punkt Makro/Makros aus­ge­führt wer­den. Dabei bit­te nicht die Geduld ver­lie­ren, es braucht schon eini­ge Sekun­den. Beim ersten Auf­ruf sogar noch deut­lich län­ger, weil offen­sicht­lich eini­ge wei­te­re Makros erst gela­den wer­den müssen.

Am Beginn des Makros ste­hen eini­ge Defi­ni­tio­nen zu den gewünsch­ten Dimen­sio­nen. Im Grun­de sind belie­bi­ge Wer­te mög­lich, aber ich habe für die Innen­ma­ße Län­gen im 10-cm-Raster gewählt, weil die ent­spre­chen­den Stan­dard­pro­fi­le am preis­gün­stig­sten zu besor­gen sind. Auch mit der Dicke der Acryl­plat­ten kann man expe­ri­men­tie­ren. Mein Ziel war, daß ich bei­de Tei­le der Umhau­sung ohne Hil­fe tra­gen kann. Das dürf­te schon wegen der etwas unhand­li­chen Abmes­sun­gen nicht ganz ein­fach sein.

Wer wesent­lich grö­ße­re oder klei­ne­re Dimen­sio­nen plant, muß wahr­schein­lich wei­te­re Zwi­schen­stre­ben ein­fü­gen oder wel­che weg­las­sen. Das macht das Makro nicht auto­ma­tisch. Die Anpas­sung der ent­spre­chen­den Maße kann etwas ner­ven­auf­rei­bend sein. Zum Debug­gen kann man im Makro die Gene­rie­rung eini­ger Ele­men­te unter­bin­den, damit man die Bema­ßung optisch prü­fen kann.

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.