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Relais­trei­ber: eine wei­te­re Revision

Auch wenn ich erst kürz­lich ein neu­es Relais­trei­ber-Board vor­ge­stellt habe, muss­te nun eine wei­te­re Revi­si­on fol­gen. Der Grund ist, daß ich die Ver­sor­gungs­span­nung erhö­hen will.

Das Pro­blem mit der Versorgungsspannung

Die Außen­ge­rä­te, z.Zt. nur ein Anten­nen­um­schal­ter und ein Anten­nen­tu­ner, wer­den vom Shack aus mit ihrer Betriebs­span­nung ver­sorgt. Das geschieht über preis­wer­te CAT5-Kabel mit vier paar­wei­se ver­drill­ten Adern. Eines die­ser Paa­re über­trägt die Daten über eine bidi­rek­tio­na­le RS485-Schnitt­stel­le und ein wei­te­res Adern­paar über­trägt die Ver­sor­gungs­span­nung. Es blei­ben also zwei Paa­re unge­nutzt als Reserve.

Bis­her wer­den die außen­sei­ti­gen Gerä­te mit 12 VDC ver­sorgt. Das funk­tio­niert auch ganz gut. Es kom­men an den Modu­len etwas über 11 Volt an, weil eine in Fluß­rich­tung gepol­te Schott­ky-Diode als Ver­po­lungs­schutz ein­ge­baut ist und weil ein paar Mil­li­volt an den Lei­tun­gen abfal­len. Das reicht, um ein 12-V-Relais zu schal­ten, aber ele­gan­ter wäre es natür­lich, wenn die Betriebs­span­nung direkt im Modul erzeugt wür­de. Das CPU-Board hat­te ich beim letz­ten Rede­sign schon mit einem Schalt­reg­ler aus­ge­stat­tet, so daß es pro­blem­los mit Span­nun­gen bis 30 V betrie­ben wer­den kann, mit einem klei­nen Umbau auch mehr.

Als wei­te­rer Anstoß für eine Über­ar­bei­tung des Trei­ber-Boards kam nun hin­zu, daß ich die für einen neu­en Anten­nen­um­schal­ter vor­ge­se­he­nen bista­bi­len Relais nur in der 24-V-Vari­an­te bekom­me. So fiel die Ent­schei­dung, die Ver­sor­gungs­span­nung soweit zu erhö­hen, daß lokal im Modul eine Span­nung von bis zu 24 V erzeugt wer­den kann. Dann kann man einen Simp­leS­wit­cher von TI im SOT-23-Gehäu­se als Buck-Kon­ver­ter ein­set­zen. Die ursprüng­li­che Idee, wegen der Ver­füg­bar­keit geeig­ne­ter Stecker­netz­tei­le gleich auf 36 V zu gehen, habe ich wie­der ver­wor­fen. Es ist mir zu nahe an der Span­nungs­fe­stig­keit der ver­bau­ten Abblock­kon­den­sa­to­ren (50 V). Als Zwi­schen­wert bie­ten sich 28 V an, wofür es auch pas­sen­de Stecker­netz­tei­le gibt, wenn auch mit gerin­ge­rer Aus­wahl. 28 V rei­chen auch völ­lig, um 24 V oder jede ande­re nied­ri­ge­re Span­nung zu generieren.

Das neue Design

Hier zunächst der Schaltplan:

20240929_RS485_Driver_V13Her­un­ter­la­den

…und hier das gesam­te KiCad-Pro­jekt.

Die 3D-Vor­schau zeigt, wie die fer­ti­gen Modu­le aus­se­hen sollen:

Relaistreiber Version 1.3 - Unterseite
Relais­trei­ber Ver­si­on 1.3 – Unterseite
Relaistreiber Version 1.3 - Oberseite
Relais­trei­ber Ver­si­on 1.3 – Oberseite

Gefer­tigt wird wie­der bei JLCPCB in Chi­na, 10 Modu­le für weni­ger als 100 Euro. Aller­dings wird nur die Unter­sei­te bestückt, die Ober­sei­te und die Stift­lei­sten muß ich sel­ber auflöten.

Kurz­be­schrei­bung

Als Schalt­reg­ler wird ein TI Simp­leS­wit­cher vom Typ LMR16006X ein­ge­setzt. Sein etwas höher getak­te­ter Bru­der mit Y‑Suffix wird bereits im CPU-Board ver­wen­det. Die Y‑Variante ist aber eigent­lich ab 24 V nicht mehr ver­wend­bar, daher habe ich mich hier für die X‑Variante ent­schie­den. Das ein­ge­bau­te Wider­stands­netz­werk erzeugt 12 V, wenn man R11 ent­fernt, wer­den 24 V gene­riert. Ande­re Span­nun­gen erfor­dern die Bestückung pas­sen­der Wider­stän­de auf der Ober­sei­te (R17 und R18). 300 mA soll­ten dau­er­haft ent­nom­men wer­den kön­nen. Der Schalt­reg­ler könn­te auch 600 mA lie­fern, dafür ist aber die Spei­cher­dros­sel etwas unter­di­men­sio­niert. Kurz­zei­tig geht es den­noch, aber im Dau­er­be­trieb wird die Dros­sel dann zu warm.

Der Glät­tungs­kon­den­sa­tor C10 ist ein Tan­tal­kon­den­sa­tor, der manu­ell auf der Ober­sei­te auf­ge­lö­tet wird. Hier ist das übli­che „Vol­ta­ge Dera­ting“ zu beach­ten. Tan­tal­kon­den­sa­to­ren dür­fen nur lang­sam auf ihre maxi­mal zuläs­si­ge Betriebs­span­nung auf­ge­la­den wer­den, sonst wer­den sie zer­stört. Die im Schalt­plan ange­ge­be­nen 35 V rei­chen nicht aus, wenn 24 V erzeugt wer­den (durch eige­ne Ver­su­che erhär­tet). Die Span­nungs­fe­stig­keit soll­te min­de­stens dop­pelt so hoch sein, wie die gene­rier­te Span­nung (50% vol­ta­ge dera­ting). Bei 24 V muß also zwin­gend ein 50-V-Typ ein­ge­setzt werden.

Anders als bei der vor­he­ri­gen Ver­si­on wur­de dies­mal ein TBD62083A im SSOP-18-Gehäu­se als low-side-Trei­ber ein­ge­setzt. Das lag ein­fach dar­an, daß der ULN2803 im QFN-Gehäu­se beim Lei­ter­plat­ten­her­stel­ler JLCPCB gera­de nicht ver­füg­bar war.

Als Schutz­di­ode gegen Über­span­nun­gen wur­de eine SMBJ36A ein­ge­setzt. Sie wird laut Daten­blatt bei min­de­stens 40V lei­tend, wäre also für ein 36-V-Netz­teil mit 10% Tole­ranz geeig­net. Im CPU-Board ist ein SMBJ28A ver­baut, der bei mehr als 28 V Ver­sor­gungs­span­nung getauscht wer­den müss­te. Auch das ist ein Grund, bei 28 V zu bleiben.

Die­ser Relais­trei­ber ist inzwi­schen auf einem Anten­nen­um­schal­ter in Betrieb, der die oben erwähn­ten 24-V-Relais ver­wen­det. Das Pro­jekt wer­de ich in Kür­ze beschreiben.

Neue CPU- und Relaistreiber-Boards

Nach­dem ich mich im ver­gan­ge­nen hal­ben oder drei­vier­tel Jahr mit dem Erwerb und Auf­bau einer neu­en CNC-Frä­se (eine Sor­otec BL1005) und der dazu­ge­hö­ri­gen Steue­rung beschäf­tigt habe, muss­te ich end­lich mal wie­der „etwas elek­tro­ni­sches“ machen. Die Frä­se läuft inzwi­schen, aber es fehlt noch drin­gend eine Umhau­sung und eine Min­der­men­gen­schmie­rung ins­be­son­de­re zum Frä­sen von Alu­mi­ni­um. Da steht noch eini­ges an Arbeit an. Aber das ist ein ganz ande­res The­ma, das ich gele­gent­lich auch noch beschrei­ben werde.

Für einen dem­nächst geplan­ten neu­en Anten­nen­tu­ner sol­len mehr als 16 bista­bi­le Relais ange­steu­ert wer­den. Das erfor­dert einen erwei­ter­ten Relais­trei­ber. Und wo wir schon dabei sind, kann auch das CPU-Board einen Update ver­tra­gen. Nötig gewe­sen wäre der aller­dings nicht.

Relais­trei­ber V1.2

Das alte Relais­trei­ber Board funk­tio­niert ein­wand­frei, hat aber nur vier high-side Trei­ber und acht low-side Trei­ber. Damit las­sen sich bei ent­spre­chen­dem Mul­ti­plex­ing bis zu 32 Relais­spu­len trei­ben. Beim Ein­satz bista­bi­ler Relais mit jeweils zwei Spu­len redu­ziert sich das dann aller­dings auf maxi­mal 16 Relais. Das reicht für einen Anten­nen­tu­ner mit acht geschal­te­ten Kon­den­sa­to­ren und acht geschal­te­ten Spu­len aus, aber sobald man auch nur die Kon­fi­gu­ra­ti­on zwi­schen L‑C und C‑L umschal­ten will, feht min­de­stens ein Relais. Daher habe ich ein neu­es Relais­trei­ber Board mit dop­pel­ter Anzahl an high-side Aus­gän­gen gebaut. Damit kön­nen nun bis zu 32 bista­bi­le Relais ange­steu­ert werden.

Durch die Aus­wahl einer vier­la­gi­gen Lei­ter­plat­te, den Ein­satz kleinst­mög­li­cher Gehäu­se­bau­for­men und Aus­nut­zung der Design-Regeln konn­ten fast alle Bau­tei­le auf einer Sei­te plat­ziert wer­den. Für Wider­stän­de und Kon­den­sa­to­ren wur­de fast durch­ge­hend die 0402 Packungs­grö­ße gewählt, ein ULN2803 low-side Trei­ber mit acht Kanä­len kommt im QFN-Gehäu­se zum Ein­satz. Kein Pro­blem bei auto­ma­ti­scher Bestückung. Wegen des Platz­ge­winns konn­te nun zusätz­lich noch ein 5 V‑Fest­span­nungs-Schalt­reg­ler ein­ge­baut wer­den. Es ist ein TI Simp­leS­wit­cher vom Typ LMR50410, der bis zu 36 V Ein­gangs­span­nung ver­trägt. Wegen der not­wen­di­gen Span­nungs­fe­stig­keit wur­den an des­sen Ein­gang etwas grö­ße­re Kon­den­sa­to­ren der Bau­form 0603 ein­ge­setzt. Die tat­säch­lich ver­wen­de­te Ein­gangs­span­nung wird 24 V nicht über­stei­gen. Daher wur­de eine SMBJ28A TVS-Schutz­di­ode ein­ge­baut, die zusam­men mit einer Siche­rung vor Span­nungs­spit­zen und Ver­po­lung schützt.

Durch den ULN2803 auf der auto­ma­tisch bestück­ten Sei­te bleibt nun auf der Gegen­sei­te genug Platz für zwei high-side Trei­ber vom Typ BTS724G, die dann aber hän­disch auf­ge­lö­tet wer­den müs­sen. Bei 50 mil Pin-pitch ist das kein Pro­blem. Außer­dem müs­sen die Prüf­pins und die Stift- und Sockel­lei­sten von Hand gelö­tet werden.

Hier nun die 3D-Ansich­ten von bei­den Sei­ten, der Schalt­plan im PDF-For­mat und die KiCad-Dateien.

Relaistreiber V1.2, handbestückte Seite
Relais­trei­ber V1.2, hand­be­stück­te Seite
Relaistreiber V1.2, automatisch bestückte Seite
Relais­trei­ber V1.2, auto­ma­tisch bestück­te Seite

Für die Spei­cher­dros­sel L33 und die Siche­rung F1 ist lei­der z.Zt. kein 3D-Modell vor­han­den, sie sind aber bestückt.

Relais­trei­ber V1.2Her­un­ter­la­den
Relais­trei­ber V1.2, KiCad DesignHer­un­ter­la­den

ATMEGA644PA CPU-Board V1.2

Auch das ATMEGA644PA-CPU Board V1.1 habe ich über­ar­bei­tet. Die­ses Board hat zwar auch zuver­läs­sig funk­tio­niert, aber die Bestückung von Hand ist doch müh­sam und feh­ler­an­fäl­lig. Außer­dem hat es den klei­nen Nach­teil, daß es mit einem Line­ar-Fest­span­nungs­reg­ler bestückt ist, der nur bis zu 18 V Ein­gangs­span­nung ver­trägt (abs max). Für die ursprüng­lich geplan­ten maxi­mal 12 V ist das völ­lig aus­rei­chend, aber inzwi­schen kam der Wunsch auf, auch 24 V Ein­gangs­span­nun­gen zu ver­wen­den und wenn mög­lich sogar mehr. Selbst die 12 V erzeu­gen eine unnö­ti­ge Ver­lust­lei­stung von 350 mW, wenn die CPU 50 mA Strom zieht. Das ist zwar kei­ne Lei­stung, die signi­fi­kant auf die Strom­rech­nung durch­schlägt, sich aber doch bei Dau­er­be­trieb doch auf immer­hin 3 kWh im Jahr auf­sum­miert. Das kostet bei den aktu­el­len Strom­prei­sen mehr als 1 € pro Jahr. Wer hät­te das gedacht?

Den­noch, das grö­ße­re Pro­blem ist die Erwär­mung des Boards und dadurch eine Ver­fäl­schung der Tem­pe­ra­tur­mes­sung. Es muss­te also wie beim Relais­trei­ber ein Schalt­reg­ler her. Hier fiel die Wahl auf einen ein­stell­ba­ren Schalt­reg­ler, den LMR16006YQ. Auch das ist ein Simp­leS­wit­cher von Texas Instru­ments, der im Bau­tei­le­ar­se­nal von JLCPCB als „Exten­ded Com­po­nent“ gegen einen ein­ma­li­gen Auf­preis zur Ver­fü­gung steht. Er ver­trägt sogar bis zu 60 V Ein­gangs­span­nung und kann durch exter­ne Beschal­tung mit pas­sen­den Wider­stän­den den gesam­ten Betriebs­span­nungs­be­reich des ATMEGA644PA von 1,8 V bis 5,0 V abdecken. Er lie­fert einen Aus­gangs­strom von bis zu 600 mA.

Hier die KiCad 3D-Ansicht des Boards:

ATMEGA644PA CPU Board V1.2, automatisch bestückte Seite
ATMEGA644PA CPU Board V1.2, auto­ma­tisch bestück­te Seite
ATMEGA644PA CPU Board V1.2, manuell bestückte Seite
ATMEGA644PA CPU Board V1.2, manu­ell bestück­te Seite

der Schalt­plan als PDF-Datei:

ATMEGA644PA CPU-Board, Schalt­planHer­un­ter­la­den

und die KiCad Designfiles:

ATMEGA644PA CPU-Board, KiCad DesignHer­un­ter­la­den

Das Wider­stands­netz­werk des Schalt­reg­lers ist so dimen­sio­niert, daß eine Aus­gangs­span­nung von 5 V erzeugt wird. Durch optio­na­le Bestückung eines wei­te­ren Wider­stands auf der Ober­sei­te der Pla­ti­ne, kann eine nied­ri­ge­re Aus­gangs­span­nung von bei­spiels­wei­se 3,3 V erzeugt wer­den. Es wur­de ein 18,432 MHz Quarz ein­ge­baut, der die Aus­wahl aller Stan­dard-Baud­ra­ten gestat­tet und auch eine exak­te 1ms- und 10ms-Inter­rupt-Peri­ode erzeugt. Das ist für den Erhalt von Datum und Uhr­zeit wichtig.

Betriebs­span­nun­gen und Einschränkungen

Alle ver­bau­ten Kom­po­nen­ten kön­nen mit Betriebs­span­nun­gen zwi­schen 3.0 V und 5.5 V betrie­ben wer­den. Bei Betriebs­span­nun­gen unter­halb von 3.0 V ist die Funk­ti­on des MAX14783 RS485-Trans­cei­vers nicht mehr gewähr­lei­stet. Unter­halb von 2.7 V sind auch der Tem­pe­ra­tur­sen­sor TMP275 und die Span­nungs­re­fe­renz REF5025 außer­halb ihrer Spe­zi­fi­ka­ti­on. Der Mikro­con­trol­ler kann zwi­schen 2.7 V und 5.5 V mit 10 MHz Takt­fre­quenz betrie­ben wer­den, ab 4.5 V mit bis zu 20 MHz. Sein full-swing Quarz­os­zil­la­tor arbei­tet von 2.7 V bis 5.5 V bis 20 MHz. Der ein­ge­bau­te 18,432 MHz Quarz funk­tio­niert also sowohl bei 3,3 V als auch 5.0 V nomi­na­ler Betriebs­span­nung. Unter­halb von 4,5 V muß dann aber die Takt­fre­quenz über die CLKDIV8 Fuse auf ein Ach­tel davon ein­ge­stellt wer­den. Die CPU läuft dann mit 2,304 MHz los und kann anschlie­ßend durch Schrei­ben des Clock Pre­s­ca­le Regi­sters CLKPR auf einen Tei­lungs­fak­tor von 2 ein­ge­stellt wer­den. Damit kann das Board bei 3.3 V mit 9,216 MHz betrie­ben werden.

Betriebs­span­nungATMEGA64418,432 MHz OszillatorMAX14783TMP275REF5025
1,8 V ~ 2,7 V
inter­nal osc, max 4 MHz
2,7 V ~ 3,0 V
Clk÷2
3,0 V ~ 4,5 V
Clk÷2
4,5 V ~ 5,5 V
Ein­schrän­kun­gen bei ver­schie­de­nen Betriebsspannungen

Der Con­trol­ler funk­tio­niert ab 1.8 V, dann aber nur mit maxi­mal 4 MHz Takt­fre­quenz und einer ande­ren Takt­quel­le als dem full-swing Oszil­la­tor. Das kann bei­spiels­wei­se einer der inter­nen Oszil­la­to­ren sein.

Ein­stel­len der Betriebsspannung

Die Aus­gangs­span­nung des Schalt­reg­lers wird durch das Wider­stands­netz­werk R6||R9 und R8 ein­ge­stellt. Auf dem Board ist R6 mit 56 kΩ bestückt, R8 mit 10 kΩ und R9 ist unbe­stückt. In der nach­fol­gen­den Glei­chung wer­den die par­al­lel­ge­schal­te­ten Wider­stän­de R6 und R9 als RA bezeich­net und UA ist die gewünsch­te Aus­gangs­span­nung. Dann ist RA fol­gen­der­ma­ßen zu wählen:

RA = ((UA * R8) / 0,765) – R8
oder
RA = ((UA * 10.000) / 0,765) – 10.000

Unter die­sen Bedin­gun­gen errech­net sich R9 zu:

R9 = R6 * RA / (R6 – RA)
oder
R9 = 56.000 * RA / (56.000 – RA)

Solan­ge R9 unbe­stückt bleibt, errech­net sich eine Betriebs­span­nung von 5.0 V. Für eine Betriebs­span­nung von 3.3 V muß R9 mit einem 82 kΩ Wider­stand bestückt werden.

Strom­auf­nah­me

Die Strom­auf­nah­me des gesam­ten CPU-Boards liegt bei höch­stens 50 mA. Der Schalt­reg­ler wur­de daher für etwa 100 mA aus­ge­legt, was auch noch die Ver­sor­gung eines spar­sa­men exter­nen Boards ermög­licht. Der Schalt­reg­ler kann bis zu 600 mA lie­fern. Falls deut­lich mehr Strom als 100 mA benö­tigt wird, soll­te eine wei­te­re Spei­cher­dros­sel auf L5 bestückt wer­den. Sie ist zur ein­ge­bau­ten Spei­cher­dros­sel par­al­lel­ge­schal­tet. Zur Berech­nung ihrer Induk­ti­vi­tät soll­te das Daten­blatt zu Rate gezo­gen wer­den. Eine Grö­ßen­ord­nung von 10 ~ 22 µH ist ein guter Anhalts­punkt. Der Schalt­reg­ler wird übri­gens mit 2,1 MHz getaktet.

Bat­te­rie­be­trieb

Das Board kann mit einer Stütz­bat­te­rie betrie­ben wer­den, die die Span­nungs­ver­sor­gung bei Netz­aus­fall über­nimmt. Für die­sen Fall muß R1 ent­fernt und die Dop­pel­schott­ky­di­ode D3 auf der Ober­sei­te bestückt wer­den. Die Bat­te­rie­span­nung darf nicht höher als die Ver­sor­gungs­span­nung sein. Es ist zu beach­ten, daß die Ver­sor­gungs­span­nung aller Kom­po­nen­ten in die­sem Fall um die Dioden­span­nung von 0,3 ~ 0,5 V sinkt.

Anten­nen­tu­ner Ver­si­on 1.2

Nach­dem die erste Ver­si­on des Anten­nen­tu­n­ers (hier und hier) seit einem Jahr sehr zufrie­den­stel­lend läuft, soll­te nun eine neue Ver­si­on mit ver­bes­ser­ten Funk­tio­nen gebaut wer­den. Die erste Ver­si­on ist ein gefrä­ster Pro­to­typ, der jeweils nur sechs Spu­len und Kon­den­sa­to­ren schal­ten kann. Das ist aus­rei­chend, denn eine unge­nü­gen­de Anpas­sung bis zu einem Steh­wel­len­ver­hält­nis von 3 kann der ein­ge­bau­te Tuner im IC-7300 gut kom­pen­sie­ren. Nun soll­te eine mecha­nisch kom­pa­ti­ble Lei­ter­plat­te ent­wickelt wer­den, die auf­grund ihrer pro­fes­sio­nel­len Fer­ti­gung enge­re Lei­ter­bahn­füh­run­gen und somit letzt­lich auch jeweils acht Spu­len und Kon­den­sa­to­ren schal­ten kann. Sie passt damit in das bereits am Anten­nen­mast mon­tier­te alte Gehäuse.

Als Steue­rung wird wie­der das ATMEGA644PA-AU Board (bzw. die gering­fü­gig über­ar­bei­te­te Vari­an­te V1.1) und der dazu pas­sen­de Relais­trei­ber in der Ver­si­on 1.1 ein­ge­setzt. Sie haben sich inzwi­schen bei­de gut bewährt und sie sind recht immun gegen HF-Stö­run­gen. Auf einem oder zwei Bän­dern gibt es bei maxi­ma­ler Aus­gangs­lei­stung Kom­mu­ni­ka­ti­ons­feh­ler, die nach Abschal­ten der HF wie­der ver­schwin­den. Auch Maus und Tasta­tur am PC haben sol­che Aus­set­zer. Das könn­ten Direkt­ein­strah­lun­gen von der nur weni­ge Meter ent­fern­ten Draht­an­ten­ne sein, es könn­te auch an dem man­gel­haf­ten Man­tel­wel­len­fil­ter liegen.

Antennentuner Version 1.2, Oberseite
Anten­nen­tu­ner Ver­si­on 1.2, Oberseite
Antennentuner Version 1.2, Unterseite
Anten­nen­tu­ner Ver­si­on 1.2, Unterseite
Anten­nen­tu­ner V1.2 – KiCad 3D Vorschau

Hier ist der Schalt­plan des Tuners:

20220919_Antennentuner – V1.2Her­un­ter­la­den

Und hier das gesam­te KiCad V6.0 Projekt:

20220919_Antennentuner – V1.2Her­un­ter­la­den

Die Induk­ti­vi­tä­ten und Kapa­zi­tä­ten ver­dop­peln sich mit jeder Schalt­stu­fe (unge­fähr), daher gibt der klein­ste Wert jeweils die Schritt­wei­te an. Für die Kon­den­sa­to­ren wur­de eine Kas­ka­de von 2,5 pF bis 330 pF gewählt, für die Spu­len 80 nH bis 10,24 µH. Wegen der unver­meid­li­chen para­si­tä­ren Kapa­zi­tä­ten und Induk­ti­vi­tä­ten, sind die nied­rig­sten ein­stell­ba­ren Wer­te aber jeweils höher, als die Schritt­wei­te. Die höch­sten ein­stell­ba­ren Impe­dan­zen sind jeweils die Sum­me der Ein­zel­ele­men­te, zuzüg­lich der dann nicht mehr ins Gewicht fal­len­den para­si­tä­ren Impedanzen.

Die Spu­len wur­den alle als kern­lo­se Spu­len gewickelt, die­je­ni­gen mit hohen Induk­ti­vi­tä­ten zwei­la­gig. Dazu waren die hier gemach­ten Erfah­run­gen hilf­reich. Kern­lo­se Spu­len haben gegen­über Spu­len mit Fer­rit­kern gene­rell den Vor­teil höhe­rer Güte und höhe­rer Belast­bar­keit. Man muß sich um die magne­ti­sche Sät­ti­gung kei­ne Gedan­ken machen. Anders als Fer­rit­kern­spu­len haben kern­lo­se Spu­len aber den Nach­teil, daß sie wegen der höhe­ren Win­dungs­zahl und damit höhe­ren para­si­tä­ren Kapa­zi­tä­ten eine nied­ri­ge­re Selbst­re­so­nanz­fre­quenz haben. Gera­de bei den höhe­ren Kurz­wel­len­bän­dern sind daher die gro­ßen Spu­len nicht mehr nutz­bar, nor­ma­ler­wei­se aber auch nicht notwendig.

Der Tuner ist ganz sim­pel auf­ge­baut, nur als jeweils acht kas­ka­dier­te Spu­len und Kon­den­sa­to­ren. Es gibt kei­nen Richt­kopp­ler, mit dem ein auto­ma­ti­scher Abgleich mög­lich wäre. Wider­stands- und Kon­den­sa­tor­kas­ka­de kön­nen unab­hän­gig von­ein­an­der mit der Kom­mu­ni­ka­ti­ons­soft­ware am PC ein­ge­stellt wer­den. Ein wäh­rend des Abgleichs mit­lau­fen­der VNWA zeigt sofort die resul­tie­ren­de Impe­danz an. Liegt die mög­lichst nahe bei 50 Ohm, wer­den die Ein­stel­lun­gen für das jewei­li­ge Band gespei­chert und spä­ter im Funk­be­trieb wie­der gele­sen und ein­ge­stellt. Damit ist es mit einem 20 m lan­gen Anten­nen­draht auf allen Kurz­wel­len­bän­dern, inklu­si­ve der WARC Bän­der und inklu­si­ve der 4 m und 6 m Bän­der gelun­gen, das Steh­wel­len­ver­hält­nis auf unter 3, mei­stens sogar unter 1,5 zu bekom­men. Die ein­zi­ge Aus­nah­me ist das 160 m Band, für das ein 20 m lan­ger Draht ein­fach zu kurz ist. Ein Steh­wel­len­ver­hält­nis von 3 oder weni­ger kann der ein­ge­bau­te Anten­nen­tu­ner im IC-7300 kom­pen­sie­ren. Im soge­nann­ten Emer­gen­cy Mode gelingt sogar eine not­dürf­ti­ge Anpas­sung auf dem 160 m Band. Damit ist immer­hin Betrieb mit der hal­ben Maxi­mal­lei­stung mög­lich, also 50 Watt. Über den Wir­kungs­grad die­ser Anten­ne soll­te man sich frei­lich kei­nen Illu­sio­nen hingeben.

Hier noch ein paar Fotos des fer­tig auf­ge­bau­ten Tuners

Fertig bestückter Antennentuner V1.2, Oberseite
Fer­tig bestück­ter Anten­nen­tu­ner V1.2, Oberseite
Fertig bestückter Antennentuner V1.2, Unterseite
Fer­tig bestück­ter Anten­nen­tu­ner V1.2, Unterseite
Fertig bestückter Antennentuner V1.2, Unterseite
Fer­tig bestück­ter Anten­nen­tu­ner V1.2, Unterseite
Fertig bestückter Antennentuner V1.2, eingebaut im wetterfesten Gehäuse
Fer­tig bestück­ter Anten­nen­tu­ner V1.2, ein­ge­baut im wet­ter­fe­sten Gehäuse
Fertig bestückter Antennentuner V1.2, fertig montiert am Mast
Fer­tig bestück­ter Anten­nen­tu­ner V1.2, fer­tig mon­tiert am Mast
Fertig bestückter Antennentuner V1.2, fertig montiert am Mast
Fer­tig bestück­ter Anten­nen­tu­ner V1.2, fer­tig mon­tiert am Mast
Fer­tig bestück­ter Anten­nen­tu­ner V1.2

Seit ein paar Tagen läuft der Tuner nun im Pro­be­be­trieb und zeigt bis­her kei­ne Auffälligkeiten.

Der Voll­stän­dig­keit hal­ber hier noch der Quell­code für den ATMEGA644:

20220919_Antennentuner_V1.2Her­un­ter­la­den

und der Quell­code für die Host-Kommunikationssoftware:

20220919_HamCommHer­un­ter­la­den

Für den ATMEGA ver­wen­de ich z.Zt. Micro­chip Stu­dio V 7.0 und für die Host Soft­ware Visu­al Stu­dio 2022. Bei­de Tool­pa­ke­te sind kosten­los von den Web­sites der Anbie­ter (Micro­chip bzw. Micro­soft) herunterzuladen.

Relais­trei­ber, Ver­si­on 1.1

Das hier beschrie­be­ne Relais­trei­ber-Board wur­de im Anten­nen­tu­ner ein­ge­setzt und funk­tio­niert mit klei­nen Ein­schrän­kun­gen sehr gut. Die SMD-Mon­ta­ge der eigent­lich für Loch­mon­ta­ge vor­ge­se­he­nen 100-mil-Sockel ist aber feh­ler­an­fäl­lig. Beim Ein­satz hat sich her­aus­ge­stellt, daß das seit­li­che Abbie­gen der Pins des Sockels zu Kon­takt­feh­lern führt. Ein­rei­hi­ge Sockel für die SMD-Mon­ta­ge scheint es nicht zu geben, zumin­dest habe ich kei­ne gefun­den. Außer­dem wur­de durch einen Design­feh­ler das Sta­tus-Signal des BTS724G Bau­steins auf PB3 gelegt, der aber auf dem ATME­GA644-Board fest mit dem Tem­pe­ra­tur­sen­sor ver­bun­den ist.

Das allei­ne sind eigent­lich kei­ne Grün­de für ein Rede­sign, aber ich woll­te schon seit län­ge­rem den in Chi­na ange­bo­te­nen Ser­vice einer Teil­be­stückung der Lei­ter­plat­te aus­pro­bie­ren. Man kann zwar SMD-Pla­ti­nen sel­ber bestücken und ich habe das auch oft gemacht, aber es gibt Gren­zen. Mein per­sön­li­ches Limit beim Hand-Bestücken sind 0805er Bau­grö­ßen, auch mal das ein oder ande­re 0603er Bau­teil, aber nicht in Men­gen. Außer­dem habe ich für die­se Bau­tei­le immer das Foot­print zum sel­ber Löten, also mit dem Suf­fix „Hand­sold­e­ring“ gewählt, weil es etwas grö­ßer ist, als das regu­lä­re Foot­print. Lässt man die Pla­ti­ne jedoch (Teil-) bestücken, dann kann man das klei­ne­re regu­lä­re Foot­print aus­wäh­len und außer­dem die klein­ste ver­füg­ba­re Bau­form, näm­lich 0402 aus­wäh­len. Das gibt einer­seits einen beacht­li­chen Platz­ge­winn, ande­rer­seits sind die klei­nen Bau­tei­le für Anwen­dun­gen im Hoch­fre­quenz­be­reich weit­aus bes­ser geeig­net, weil ihre Selbst­re­so­nanz­fre­quen­zen deut­lich höher lie­gen, als bei den grö­ße­ren Bau­tei­len. Zu beach­ten ist aber, daß Kon­den­sa­to­ren in die­ser Bau­grö­ße meist nur gerin­ge Betriebs­span­nun­gen ver­tra­gen, man­che nur 6 V oder 10 V und die SMD Dros­seln in der zuläs­si­gen Strom­stär­ke begrenzt sind, weil ihr ohm’scher Wider­stand höher ist, als bei grö­ße­ren Bauformen.

Als Her­stel­ler habe ich mir die Fir­ma JLCPCB aus­ge­sucht, ein­fach weil mehr­fach über deren Ser­vice berich­tet wur­de, zuletzt in einer der jüng­sten Aus­ga­ben des „Funk­ama­teur“. Es gibt ande­re Her­stel­ler, die sicher­lich genau­so­gut sind. JLCPCB hat einen gro­ßen Lager­be­stand an benutz­ba­ren Bau­tei­len, laut Web­site über 40.000 Stück. Vie­le davon kön­nen ohne Auf­preis benutzt wer­den, weil sie stän­dig auf dem Bestückungs­au­to­ma­ten ein­ge­legt sind. Wählt man ande­re Bau­tei­le aus, die soge­nann­ten „exten­ded parts“, dann zahlt man ein­ma­lig pro Auf­trag und pro exten­ded part $ 3,00 oder € 2,40 als Auf­wands­ent­schä­di­gung für den­je­ni­gen, der dann die neue Rol­le aus dem Lager holen und ein­le­gen muß. Dar­über­hin­aus zahlt man natür­lich die Fer­ti­gung der Lei­ter­plat­te, einen gerin­gen Grund­preis für die Bestückung und jedes Bau­teil. Bei den pas­si­ven Bau­tei­len, Wider­stän­den, Kon­den­sa­to­ren und Spu­len sind die Bau­teil­ko­sten ver­nach­läs­sig­bar. Sie wer­den im Bau­tei­le­ka­ta­log ange­zeigt und kosten meist weni­ger als 1 ct, mit­un­ter nur 0,1 ct. Dabei ist 0402 oft die preis­gün­stig­ste Variante.

Unter die­sen Rand­be­din­gun­gen habe ich dann ein Rede­sign des Relais­trei­bers gemacht und bei JLCPCB fer­ti­gen las­sen. Die gerin­ge Bau­teil­grö­ße gestat­te­te viel mehr Dros­seln und ein paar mehr Kon­den­sa­to­ren auf der Lei­ter­plat­te unter­zu­brin­gen, als auf der ersten Ver­si­on. Die Abmes­sun­gen der neu­en Lei­ter­plat­te sind gleich­ge­blie­ben: 30,5 mm x 43,0 mm (1,2″ x 1,7″). Lei­der ist sie den­noch nicht kom­pa­ti­bel, weil ich die Buch­sen­lei­ste nicht mehr als SMD bestücken woll­te, son­dern als durch­kon­tak­tier­tes Bau­teil. Damit muss­te der Abstand der Lei­sten lei­der um 100 mil grö­ßer wer­den. Weil es ohne Auf­preis mög­lich war, habe ich dies­mal blau­en Löt­stopp­lack gewählt. Hier die Kicad 3D-Vorschau:

  • Relaistreiber V1.1
    Relais­trei­ber V1.1 von unten
  • Relaistreiber V1.1
    Relais­trei­ber V1.1 von oben

Und hier der zuge­hö­ri­ge Schalt­plan als PDF.

Das Vogel­fut­ter auf der Unter­sei­te habe ich bis auf die gro­ßen SMD-Bau­tei­le D1, F1 und L1 bestücken las­sen. Zum manu­el­len Bestücken blei­ben also die bei­den Trei­ber auf der Ober­sei­te und die Prüf­pins, die Pin- und Sockel­lei­sten oben und unten und die drei schon erwähn­ten SMD-Bau­tei­le auf der Unter­sei­te. An „guten Tagen“ ist sowas in 20 Minu­ten erledigt.

Was hat das gan­ze nun geko­stet? Genau €28.52 für zehn Lei­ter­plat­ten. Die Kosten beinhal­ten die Fer­ti­gung der dop­pel­sei­ti­gen Lei­ter­plat­ten, die Teil-Bestückung wie oben beschrie­ben, die Bau­tei­le­ko­sten und die Zusatz­ko­sten für ein „exten­ded Part“. Außer­dem beinhal­tet der Preis die Lie­fe­rung nach Deutsch­land in das Ver­teil­zen­trum von JLCPCB, die Ver­zol­lung und den Wei­ter­ver­sand vom Ver­teil­zen­trum zu mir nach Hau­se. Der Gesamt­preis teilt sich übri­gens fol­gen­der­ma­ßen auf: Mer­chan­di­se Total: €17.73, Ship­ping Char­ge: €10.78. Die Lie­fer­zeit war 12 Tage, Sonn­tag­abend bestellt und Frei­tags geliefert.

Auch der Ser­vice war her­vor­ra­gend. Ich hat­te am Sonn­tag­nach­mit­tag mehr­fach ver­sucht, die Bestel­lung online ein­zu­ge­ben und es kam immer wie­der eine unver­ständ­li­che Feh­ler­mel­dung beim Über­neh­men in den Waren­korb. Dar­auf konn­te ich mir kei­nen Reim machen, also mal im Online For­mu­lar um Hil­fe gebe­ten. Ich erhielt sofort eine auto­ma­ti­sche Email-Ant­wort, daß im Moment nie­mand ver­füg­bar sei und man sich sobald wie mög­lich mel­det. Ja klar, es muss­te in Chi­na auf Mit­ter­nacht zuge­hen, die Ant­wort wird dann wohl am Mon­tag­mor­gen kom­men. Zu mei­ner Ver­wun­de­rung dau­er­te es kei­ne Stun­de, bis mir jemand per Email freund­lich und in gutem Eng­lisch erklär­te, daß ich ver­mut­lich eine Kom­bi­na­ti­on gewählt hät­te, die sie nicht anbie­ten. Sie ken­nen das Pro­blem, der Dia­log auf der Web­site wür­de nicht alle Ein­ga­be­feh­ler abfan­gen. Ich hat­te 1,2 mm Lei­ter­plat­ten­stär­ke bei blau­em Löt­stopp­lack gewählt, blau geht aber nur bei 1,6 mm Stärke.

Unglaub­lich, da kann und will kein euro­päi­scher Her­stel­ler mit­hal­ten, ganz davon abge­se­hen, daß die hier noch nie an Bast­lern inter­es­siert waren. Die waren immer nur lästig. Wo führt das hin? Ganz klar zu immer wei­te­rer Abhän­gig­keit von Chi­na. Unse­re Fer­ti­gung macht dicht und irgend­wann wer­den wir jeden Preis zah­len müs­sen, weil wir es nicht mehr kön­nen. Viel­leicht wird ja Gen­der­ga­ga und Kli­ma­hy­ste­rie unser neu­er Exportschlager.