Automatischer KW Tuner

die Abstimmung

jetzt haben wir eine Induktivität von z.B. 25uH schaltbar in Schritten von 50nH, oder auch eine Rollspule. Und wir haben einen Kondensator von z.B. 6nF schaltbar in Schritten von 25pF, oder einen Drehko.

Diese Teile schalten wir als L-Glied zusammen und fügen es zwischen Sender und Antenne ein. Damit können wir die meisten (nicht alle) Antennen abstimmen und Funkbetrieb durchführen.

Aber wie ? Nur durch probieren ? Das ist eher frustrierend. Man braucht die richtige Vorgehensweise, und wenn man einen Controller baut, so muss man diese Vorgehensweise genau kennen um sie dann programmieren zu können. Um dieses Thema soll es hier gehen:

Die Tunerkonfiguration:

wie auf der Seite "Konfiguration" beschrieben, gibt es verschiedene Schaltmöglichkeiten für das L und das C. Wir haben den Tuner als L-Glied mit Serien-C und Parallel-L aufgebaut:

daher bezieht sich die folgende Beschreibung auf obige Schaltung. Diese zeigt einen symmetrischen Tuner. Baut man einen unsymmetrischen, so gilt exakt die gleiche Beschreibung, nur dass C1 entfällt und die Spule unten auf Masse angeschlossen ist.

Wenn man einen Serien-L und Parallel-C Tuner baut, so gilt diese Beschreibung sinngemäß auch, nur dass die Vorgehensweisen und die Bilder im Smith-Diagramm spiegelverkehrt sind.

Zwei verschiedene Vorgehensweisen zur Abstimmung:

der erste sehr wichtige Punkt ist, dass es zwei verschiedene Methoden gibt um die richtige Einstellung des Tuners zu finden. Man kann diese aber nicht nach belieben wählen, sondern die Impedanz der Antenne gibt und vor welche der beiden Methoden angewandt werden muss.

Das folgende Bild zeigt diese beiden Bereiche:

die Bereiche sind für den Serien-C und Parallel-L Tuner dargestellt. Bei einem Serien-L und Parallel-C Tuner ist die schwarze Linie vertikal gespiegelt.

Das schöne an dieser Konfiguration als Serien-C und Parallel-L Tuner ist, dass die meisten Antennen im Bereich 2 liegen. Man wird also meist hier abstimmen. Nur in seltenen Fällen liegt einen Antenne in Bereich 1.

In der Mitte des Diagramms ist der 50 Ohm Punkt. Der rote Kreis welcher rechts liegt und durch diesen Punkt geht, ist der 50 Ohm Kreis, alles innerhalb dieses Kreises ist größer als 50 Ohm. Dieser 50 Ohm Kreis ist komplett in Bereich 2. Jede Antenne welche mehr als 50 Ohm hat, liegt also in Bereich 2, egal wieviel kapazitiven oder induktiven Anteil sie hat. Man wird bestrebt sein Antennen zu bauen, welche mehr als 50 Ohm haben, da diese einen besseren Wirkungsgrad haben als niederohmige Antennen, natürlich darf man es auch nicht übertreiben, hi.

Was es zu vermeiden gilt sind sehr niederohmige Antennen, meist sind diese sehr kurz und der Wirkungsgrad schlecht. Auch sehr hochohmige müssen vermieden werden (z.B. Lamda/2 lange Antennen sind hochohmig), man wird diese nicht mehr Abstimmen können da sie extreme L oder C im Tuner brauchen würden. Ebenfalls sollte man vermeiden dass die Antenne genau 50 Ohm hat, auch hier hat ein Tuner Probleme da extreme Werte notwendig werden.

Abstimmung in Bereich 2:

Angenommen wir haben eine Antenne die einen reellen Widerstand von 40 Ohm und einen kapazitiven Anteil von 289 pF hat. Wir möchten diese auf 10 MHz abstimmen. Zunächst brauchen wir den kapazitiven Widerstand bei 10 MHz das ist: 1 / (2 * pi* f * C) = 55 Ohm. Die Schreibweise dafür ist: 40+j-55.

Im Smithdiagramm tragen wir also den Ausgangpunkt bei reell 40 Ohm, das ist ein wenig links vom Mitelpunkt der auf 50 Ohm liegt. Und dann gehen wir die Y-Koordinate hinunter bis -55, im Smithdiagramm ist Y gekrümmt, also gehen wir kreisförmig hinunter, etwas links vom 50 Ohm Kreis.

Hier im Bild ist dieser Ausgangspunkt gekennzeichnet:



Mit SimSmith kann man das sehr einfach nachvollziehen.

Im grünen Kreis befindet sich das Ausgangspunkt, das ist die Impedanz der Antenne. Unser Ziel ist es diese Impedanz auf den 50 Ohm Punkt in der Mitte des Diagramms zu legen. Dazu haben wir den Tuner so geschaltet:



(wie gesagt, bei einem unsymmetrischen Tuner entfällt C1 und die Spule liegt unten auf Masse, sonst änder sich nichts an der Vorgehensweise).

Abstimm-Schritt - 1:

die Abstimmung erfolgt in 2 Schritten.

Als erstes stellen wir alle Elemente, also die Spulen und die Kondensatoren auf ihre MAXIMAL-Werte. Der Tuner hat dann kaum eine Wirkung, das ist unser Ausgangspunkt.

Im ersten Abstimmschritt wird die Spule verändert:

Man reduziert die Induktivität, dabei wandert der Abstimmpunkt hinauf:



er wandert entlang der violetten Linie aufwärts. Unser Ziel ist der rote 50-Ohm Kreis oben, also oben beim positiven Phasenwinkel (induktiv). Wir verkleinern also die Induktivität unseres Tuners solange, bis eine Impedanz von 50 Ohm vorliegt. Dazu muss man natürlich in der Lage sein die Impedanz und den Phasenwinkel während des Abstimmvorgangs zu messen, was z.B. mit DIESER Schaltung wunderbar geht.

Abstimm-Schritt - 2:

sobald wir am 50 Ohm Kreis oben angelangt sind, ist die Spule korrekt abgestimmt, weiter geht es mit dem Kondensator:



wir verkleinern den Kondensator, dabei wandert der Abstimmpunkt entlang des 50 Ohm Kreises hinunter. Man reduziert also solange die Kapazität bis man genau in der Mitte am 50 Ohm Punkt bei Phasenwinkel = 0 angelangt ist.

FERTIG, der Tuner ist abgestimmt.

Die Möglichkeit die Impedanz und den Phasenwinkel zu messen macht aus dem Abstimmvorgang ein Kinderspiel. Kein wildes herumprobieren sondern ein klares nachvollziehbares Einstellen des Tuners. Auch manuelle Tuner könnte man mit so einer Messschaltung nachrüsten um die Einstellung zu vereinfachen.

Die Abstimmung in Bereich-1 oder die Abstimmung eines Serien-L/Parallel-C Tuners ist grundsätzlich genauso, nur teilweise spiegelverkehrt. Mit dem hervorragenden Programm SimSmith kann man das sehr einfach nachvollziehen und ein gutes Verständnis für diese Vorgehensweise bekommen.

Die Praxis:

Obige Beschreibung klingt sehr einfach. Aber die Praxis wäre nicht die Praxis wenn es nicht noch einige Haken und Fallstricke gäbe.

Das Problem sind parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten. Diese sind unvermeidlich, denn sie kommen vom Aufbau und der Verdrahtung. Vor allem große Tuner für die 1kW Bereich haben großzügig dimensionierte Teile und lange Anschlussleitungen und haben dadurch besonders hohe und störende parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten.

Das ganze ist viel lästiger als man zunächst glaubt. Selbst die geringe Induktivität der Verbindungsdrähte vom Kondensator oder der Spule, von einigen 100 nH, haben bereits deutliche Auswirkungen auf die Abstimmung. Das ganze kann so katastrophal werden, dass obige schön einfache Prozedur in der Praxis nicht mehr nachvollziebar ist.

Unser Tuner hatte anfangs einen großen Drehkondensator mit Schrittmotorsteuerung, und war wirklich ein´ganz edles und feines Teil. Damit er 1kW aushält war er recht groß. Die Induktivität der Leitungen, Stangen und anderen Elemente dieses Drehkos war so hoch, dass an eine nachvollziehbare Abstimmung nicht zu denken war. Der Drehko musste leider wieder entfernt werden und wurde durch eine Relaisplatine mit Festkondensatoren ersetzt welche ein optimales Layout für minimale parasitäre Werte hat. Damit hatten wir schließlich Erfolg, auch wenn die Messfehler immer noch deutlich merkbar sind.

Abstimmung in der Praxis:

Wenn man das Bild oben mit der violetten und grünen Abstimmlinie ansieht, so ist dieses ein idealisiertes Bild und nur in der Theorie gültig.

In der Praxis sieht das z.B. so aus:

mit dem Kondensator (grüne Linie) will man von oben, dem 50 Ohm Kreis folgend, auf den 50Ohm Punkt kommen.

Man reduziert also die Kapazität. Leider folgt der Abstimmpunkt nicht dem 50 Ohm Kreis aufgrund der parasitären Induktivitäten unseres Aufbaus. Der Abstimmpunkt entfernt sich relativ schnell von der 50 Ohm Linie. Daher darf man mit dem Kondensator nur kleine Änderungen machen und muss die Impedanz prüfen. Hat man sich um mehr als 10 Ohm entfernt (<40 oder >60), so muss man die Spule nehmen und den Abstimmpunkt wieder auf die 50 Ohm zurückführen.

Das macht natürlich der Controller des Auto-Tuners per Software. Es ist ein Schlingern um den 50 Ohm Kreis bis schießlich der Mittelpunkt erreicht wird.

Auch im ersten Abstimmschritt (mit der Spule) gehts nicht so unbedingt schön aufwärts. Die Linie kann deutlich nach rechts abdriften. In dem Fall muss man durch Reduktion des Kondensators nachhelfen.

Fazit:

Die Fehler durch den Aufbau und die Leitungen im Tuner kann man per Software ausgleichen. Das geht aber nur bis zu einem gewissen Grad. Werden die Fehler zu groß, so ist keine sinnvolle Messung mehr möglich und die Software weiß einfach nicht mehr was sie tun soll.

Daher ist es das wichtigste: beim Bau des Tuners darauf achten, dass alle unerwünschten Induktivitäten und Kapazitäten so klein wie nur irgendwie möglich sind.

Dazu noch ein Hinweis: parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten stören nicht die Funktion des Tuners. Selbst bei hohen störenden Werten kann so ein Tuner eine Antenne wunderbar abstimmen. Das was gestört wird ist die obige Vorgehensweise um schnell zum 50 Ohm Punkt zu finden. Wer auf eine schnelle Abstimmung keinen Wert legt und minutenlanges Herumprobieren in Kauf nimmt, kann auch mit einem ungünstig aufgebauten Tuner zum Ziel kommen.