Archiv der Kategorie: Messgeräte

(M)eine kleine Wetterstation mit einem Raspberry Pi (Teil 5)

Vorbereitung für die Ausgabe der Daten

Node-Red Sicherheit

Sobald die Wetterstation aus dem lokalen Netzwerk auch im Internet erreichbar ist, kann jeder, der die IP-Adresse kennt und Zugriff auf den Port hat, die Bedienoberfläche erreichen und alle Veränderungen in meinen Programmierungen vornehmen, die er möchte. Damit das nicht passiert, sichere ich den Zugang mit einem Benutzernamen und Kennwort ab. Beschrieben wird der Vorgang auf der Seite Node-RED : Security unter diesem Link: https://nodered.org/docs/security Die erforderliche Einstellung dazu wird in der Datei ~/.node-red/settings.js vorgenommen. Zusätzlich habe ich dazu Tool node-red-admin installiert. Das ist übrigens auf der Seite Node-Red : Command-line Administration unter diesem Link beschrieben: https://nodered.org/docs/node-red-admin.

Raspberry Pi aus dem Internet erreichbar

In meinem Router gebe ich für den Raspberry Pi den (Standard-) Port 1880 frei. Nach einem Neustart von Node-Red mit

oder Neustart des Raspberry Pi ist der Zugang zur Entwicklungsoberfläche aus dem Internet nun über diesen Link erreichbar: dl8aap.ddns.net:1880. Wie man eine solche DynDNS-Adresse einrichtet. steht in vielen Beiträgen im Internet und soll nicht Bestandteil meiner Aufbaubeschreibung sein.

Installation Node-Red-Dashboard

Damit Daten auf einer Webseite im Internet dargestellt werden können, muss das Node-Red-Dashboard nachinstalliert werden.

Ich melde mich mit meinen Zugangsdaten an der Entwicklungsoberfläche an und installiere das Dashboard über den Paletten-Manager:

Über die Seite Palette wähle ich den Tab Install (1) und suche nach dashboard (2). Ich wähle den Eintrag node-red-dashboard und klicke auf den kleinen Button install (3). Das dauert nun eine Weile, bis der Button Close erscheint. 

Mit Close (4) schließe ich den Palettenmanager, und es stehen jetzt die Dashboard-Elemente zur weiteren Verwendung zur Verfügung. Im Grunde sind dies alles Elemente, die zur Darstellung auf (m)einer Internetseite benutzt werden können. Es stehen einige Tausend Nodes zum Download bereit. Es dürfen auch eigene Nodes erstellt werden.

Bei jeder Änderung wechselt der Button Deploy auf rot.

Mit einem Klick auf Deploy (1) werden dann die Änderungen gespeichert und übernommen und die neue Ausgabe erzeugt. Diese Ausgabe kann ich mir anschauen mit Klicken auf das Grafik-Symbol (2) und auf das Link-Symbol (3).

Da ich noch keine Elemente (UI nodes) hinterlegt bzw. programmiert habe, begrüßt mich Node-Red entsprechend und weist mich freundlich darauf hin noch einige Elemente in einen Flow hinzuzufügen und auszuliefern.

Der erste Flow

Ein erster Test könnte so aussehen:

Aufgabe: Gib mir jede Sekunde die aktuelle Rechnerzeit aus.

Lösung: Dazu platziere ich einen inject-node und einen debug-node auf die Arbeitsoberfläche und verbinde die beiden Nodes.

Ich öffne mit einem Doppelklick den inject-node. Im Edit-Fenster ändere ich den Repeat-Modus auf interval und stelle auf every 1 seconds. Die blauen Punkte zeigen an, dass eine Veränderung an diesem Knoten vorgenommen, aber noch nicht gespeichert wurde. Ein Klick auf Done, und der Node ist programmiert. 

Der debug-node ist schon passend vorbereitet, um eine Nachrichtenladung msg.payload vom inject-node im Debugfenster darzustellen.

Mit einem Klick auf Deploy wird dieser kleine Flow 1 gespeichert und ausgeliefert.

Jetzt erscheint im Debug-Fenster jede Sekunde die Ausgabe der aktuellen Rechnerzeit. Aber 1536668952289? Das ist die Unix-Zeit in Tausendstel Sekunden beginnend mit 1.1.1970 00:00 Uhr, die im Raspberry Pi läuft. Umgerechnet ist das 11.09.2018 14:32:03.289 Uhr.

 

Test des Internet-Dashboard

Aufgabe: Gib mir alle 7 Sekunden den Rückgabewert eines Internet-Ping von www.google.de und zeige den aktuellen Wert in einem Gauge-Knoten, sowie die Werte der letzten 12 Stunden in einer Liniengrafik auf dem Dashboard (für das Internet).

Lösung: Zunächst muss eine Oberfläche für das Dashboard vorbereitet werden. Node-Red weiß sonst nicht, wohin es die Elemente platzieren soll.

In der Sektion dashboard den Tab Layout wählen. Nun den Button +tab klicken. Damit wird quasi eine neue Seite erzeugt. Hinter diesem neuen Tab 1 kann man mit edit die Eigenschaften dieses Tabs anpassen. Ich wähle den Namen Home und bestätige dies mit Klick auf Update. Hinter dem neuen Home-Tab klicke ich auf +group. Es wird eine quasi eine Matrix für die neue Seite angelegt. Hierauf können die Ausgabe-Knoten ausgerichtet werden.

Jetzt platziere ich die notwendigen Nodes. Ein Ping-Node, ein Gauge-Node und ein Chart-Node und verbinde sie untereinander.

Doppelklick auf den Ping-Node öffnet den Edit-Modus. Hinter Target gebe ich ein: www.google.de. Hinter Ping (S) gebe ich ein: 7 und bestätige mit Done. Dieser Knoten sendet einen Internet-Ping alle 7 Sekunden an Google.de

Doppelklick auf den Gauge-Node öffnet den Edit-Modus. Hinter Group wähle ich aus der Auswahlbox den Eintrag Group 1 [Home]. Damit wird dieses Element auf die zuvor erzeugte Matrix gesetzt. Hinter Units gebe ich ein: ms, weil der Ping seine Nachrichtenladung in Millisekunden übergibt. Die Range bestimme ich mit min=0 und max=300. Bestätigung mit Done.

Doppelklick auf den Chart-Node öffnet den Edit-Modus. Hinter Group wähle ich aus der Auswahlbox den Eintrag Group 1 [Home]. Damit wird dieses Element ebenfalls auf die zuvor erzeugte Matrix gesetzt. Hinter x-axis gebe ich ein: last 12 hours. Hinter Y-axis gebe ich für min=0 und max=300 ein. Bestätigung mit Done.

Nun den Flow mit Deploy ausliefern und das fertige Ergebnis über das Link-Symbol anschauen.

Die Aufgabe ist somit erfüllt, das Dashboard funktioniert zur vollen Zufriedenheit.

Node-Red bietet die Möglichkeit den entwickelten Flow zu Speichern bzw. als Backup auszugeben. Das geht über den Menü-Button, Export und Clipboard. Der Flow wird damit in die Zwischenablage exportiert.

Über die Funktion Import kann so ein vollständiger Flow z.B. von Dritten oder aus einem Backup importiert werden.

In der folgenden Box ist das “Skript” für den obigen Flow enthalten. Per Copy & Paste kann der Flow importiert werden.

Für alle weiteren Aktivitäten mit Node-Red empfehle ich das Studium des Node-Red Kochbuchs hinter diesem Link: https://cookbook.nodered.org/

Im Internet finden sich auch eine Menge Beiträge, die die unterschiedlichsten Themen zum Node-Red behandeln. Auch ich bin hier für ein paar spezielle Dinge schnell fündig geworden, die ich im weiteren Verlauf meines Installationsberichtes gerne weitergebe.

Ich denke es ist nun an der Zeit mit meiner Beschreibung im Teil 6 mit der Auswahl der passenden Sensoren am Raspberry Pi und die Verbindung mit dem Node-Red fortzufahren.

 

 

Durchgangsprüfer für empfindliche elektronische Bauteile – Beeper

Für unsere Bauprojekte mit SMD- und empfindlichen CMOS-Bauteilen haben wir uns einen einfachen und genialen Durchgangsprüfer zusammen gebaut. Von Harold, W4ZCB haben wir uns das Schaltungsdesign besorgt und noch ein wenig modifiziert. Weil wir als SMD-Baustein keinen passenden Piezosummer bekommen haben, haben wir einen weiteren OpAmp aus dem LM339 für einen kleinen Tongenerator benutzt.. Zusätzlich wurde eine Auto-Power-Off-Schaltung nach VK3YC gleich mit eingeplant.

An den Prüfspitzen steht eine Spannung von weniger als 100 mV an. Der Kurzschlussstrom ist kleiner als 1 mA. Der Beeper ignoriert sogar Werte über etwa 60-70 Ohm. Mit diesen Voraussetzungen kann eigentlich kein CMOS-Bauteil beschädigt werden, auch nicht auf bestückten Platinen.

Hier das Originalschaltbild von W4ZCB:

Durchgangssummer nach W4ZCB

Automatische Abschaltung des Durchgangsprüfers nach VK3YC

Automatische Abschaltung nach VK3YC

Oszillator für den Piezosummer

Oszillator zur Ansteuerung eines Piezosummers

Stefan, DG4AAE hat nach der nun modifizierten Schaltung eine kleine Platine mit SMD-Bestückung entworfen und anfertigen lassen. Die Platine passt in ein kleines Flachgehäuse (Etui-Halbschalengehäuse) von Strapubox mit 9V-Batterie-Fach. Und wir haben nicht an den Messspitzen gespart. Stefan hat da wirklich tolle Profispitzen gefunden und bestellt. Bedruckte Folie drauf und fertig…

Durchgangsprüfer fertig im Gehäuse

 

Sinus-Generator / Funktionsgenerator

Mal zugegeben… einen Sinusgenerator im NF-Bereich ohne Induktivitäten aufzubauen… da war ich doch recht skeptisch, musste aber sein. Nur durfte ich mich eines besseren belehren lassen, denn das Zauberwort heißt hier Wien-Robinson-Oszillator. Dabei wird ein Operationsverstärker mit RC-Gliedern zum Rückkoppeln am nichtinvertierenden Eingang gebracht. Bei diesen RC-Gliedern handelt es sich jeweils um einen Hoch- und einen Tiefpass, Die Amplitudenstabilisierung wird durch eine Glühlampe vorgenommen, die als PTC dient. Anleitungen und Funktionsweise findet man im Internet auf unzähligen Seiten.

Prinzip-Schaltbild der Wien-Robinson-Brücke

Prinzip-Schaltbild der Wien-Robinson-Brücke

Bei den Recherchen nach einer geeigneten Schaltung fand ich zwei annehmbare Exemplare aus denen ich die Vorteile beider Schaltungen heraus arbeitete. Beide nutzen hier den OP TL084. Dieser ist mit vier OP-Amps bestückt und liefert genau das, was ich benötige, Nämlich einen klirrarmen Sinusgenerator. Zunächst habe ich eine Schaltung auf einem Breadboard aufgebaut und diese dann nach getesteter Funktion auf eine Lochrasterplatine übertragen. Ein geeignetes Gehäuse habe ich in der Bucht gefunden. Leider war es doch etwas kleiner, als ich dachte. Aber die Bedienelemente habe ich doch noch unterbringen können.

Die Schaltung verbraucht nicht mehr als 15mA bei 10V Betriebsspannung. Somit ist dann auch der Betrieb mit einer 9V-Batterie möglich. Ein entsprechender Umschalter steuert das.

In vier sich überlappenden Bereichen steht ein verzerrungsarmes Sinussignal von etwa 10 Hertz bis 60 kHz mit bis zu 6Vss an einem 600 Ohm-Ausgang zur Verfügung. Diesem Ausgang können noch bis zu ±2V Gleichspannung regelbar hinzugefügt werden. Ein weiterer Op-Amp erzeugt aus dem eingeschwungenen Sinusoszillator ein Rechtecksignal der selben Frequenz, dessen Pulsweite von etwa 5…95% geregelt werden kann.

Die Schaltung auf dem Breadboard wurde fast ausschließlich aus Beute-Teilen aus der Kramkiste angefertigt und im wilden Drahtverhau auf die Lochrasterplatine in das Gehäuse übertragen. Es hat sich schon auf dem Breadboard gezeigt, dass besonders im hohen kHz-Bereich die Verkabelung schon eine gewisse Bedeutung zum Anschwingen des Oszillators erhält. Hier spielen Eigenkapazitäten eine große Rolle, die es gilt zu vermeiden. Darum habe ich versucht die Kabel so kurz wie möglich zu halten, nur leider ist es an Hand der vielen Bedienelemente an der Frontplatte nicht immer möglich. Wichtig ist auch einen (!) Massepunkt festzulegen, um Rauschen und Brummeinstreuungen entgegen zu wirken.

Ich gelobe, dass der zweite Aufbau schöner wird und schließlich noch eine ansprechende Frontplatte erhält.
Das Ziel: Die Platine mit SMD-Bauteilen ist direkt an den Bedienelementen (Schalter, Potis) angelötet und montiert.

Dieses kleine Helferlein hat mir bei einigen Versuchen und Reparaturen bereits auf dem Breadboard gute Dienste geleistet.

Hier die Fotodokumentation:

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Die Schaltung verbraucht nicht mehr als 15 mA

Die Schaltung verbraucht nicht mehr als 15 mA

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Der Spannungsregler wird auch gegen die Gehäusemasse abgeschirmt. Doppelseitiges Klebeband geht prima.

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Dummerweise habe ich mir mit dieser Einbaubuchse den ersten IC zerstört. Der Minuspol der Stromversorgung ist hier mit der Gehäusemasse verbunden. Jedoch wird die negative Versorgungsspannung des ICs virtuell erzeugt, indem die im Gerät benutzen 10 Volt geteilt werden in +5 V und -5 V. Also raus damit…

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Neue Einbaubuchse für die Stromversorgung, getrennt von der Gehäusemasse.

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Einsatzbereit – beim nächsten Exemplar wird die Anordnung und die Frontplatte schöner.

Bedienelemente von links nach rechts und oben nach unten:

  • Frequenzbandschalter (in rot)
    A: 10 Hz … 100 Hz,
    B: 100 Hz … 1000 Hz,
    C: 1 kHz … 10 kHz,
    D: 10 kHz … 100 kHz (theoretisch, praktisch in dieser Schaltungsanordnung bis etwa 60 kHz)
  • Stufenloser Frequenzregler (in rot)
  • Wahlschalter für Sinus (oben) oder Rechtecksignal (unten)
  • Stufenlose Einstellung des Tastverhältnisses des Rechtecksignals ( ca. 5-95%)
  • Pegeleinstellung 0 … 6 Vss
  • Signal-Ausgang mit 600 Ohm Impedanz
  • Stufenlose Regelung einer Gleichspannung von +/- 2 Volt zum Ausgangssignal
  • Wahlschalter für AC (unten) oder DC (oben) gekoppelter Ausgang

Der Schaltplan kann gerne angefordert werden.

Mal ganz schnell Hochfrequenz…

Für die kommenden Projekte (wie z.B. den Spektrumanalyzer) habe ich mir einen kleinen Baustein angeschafft, der mir zwei unabhängige Oszillatoren auf drei Ausgänge (50 Ohm) erzeugt. Hierauf ist ein Si5351 mit einem 25 MHz Takt verbaut. Durch eine geschickte Frequenzteilung werden an den Ausgängen Rechtecksignale im Bereich von 8 kHz bis 160 MHz mit einer Ausgangsspannung von 3 VSS erzeugt. In einem Langzeittest hat sich die Schaltung auf meinem Werktisch als sehr stabil erwiesen, obwohl der Steuerquarz keine Temperaturstabilisierung hat.

Programmiert wird dieser Baustein über einen Arduino Nano oder Mini. Die erforderliche Bibliothek ist bei Adafruit erhältlich. Ein paar Zeilen Programmcode und in den Arduino hochgeladen, und schon steht die programmierte Frequenz am gewünschten Ausgang zur Verfügung.

Hier der Minimal-Code für den Arduino:

Arduino und Si5351

Arduino und Si5351

Si5351 mit 400 Hz Offset

Si5351 mit 400 Hz zuviel – kann aber über eine Correction-Funktion angepasst werden

Der Si5351 "stört" sogar auf der richtigen Frequenz

Der Si5351 “stört” sogar auf der richtigen Frequenz

Arduino Code für den Si5351

Arduino Code für den Si5351

Wenn man also mal ganz schnell eine Frequenz benötigt – so wie ich für 64 MHz, so ist man mit Kosten von insgesamt weniger als 15 € für die beiden Bausteine bestens ausgestattet.

Noch mehr im Sachen im Internet rund um den Si5351:

 

Transistor ausbrennen – Reparatur Signalgenerator SG 31

Ein Senior-OM vermachte mir aus seiner Kramkiste einen Signalgenerator, von dem er meinte, dass er statt HF nur noch NF produziert. Beide Signalarten werden getrennt nach außen geführt. Der Hersteller oder Händler des Gerätes deutet lt. Aufkleber auf CTR-Elektronik in Nürnberg und wurde in den 60er Jahren als “SIGNALGENERATOR SG 31” benannt.

Signalgenerator SG31Auf den ersten Blick erkannte ich, dass mit diesem Gerät einst Signale im Bereich von etwa 150 kHz bis über 300 MHz in acht Bereichen erzeugt wurden. Das NF-Signal kann sogar auf die HF moduliert werden. Auch kann die HF über einen Abschwächer reduziert werden. Wie man später noch sehen wird, handelt es sich hierbei um einen einfachen LC-Generator, der ungefiltert und unstabilisiert jeweils ein NF- und ein HF-Signal an die Frontbuchsen gibt. Und das im Stil der 60er.

EDIT 22.07.2016:
Mittlerweile habe ich durch puren Zufall das Original samt Schaltplan gefunden. Er wurde unter dem Namen “Signal Generator 31” der Firma Nombrex Ltd. (Exmouth, Devon, England) veröffentlicht. Die Beschreibung mit Schaltplan kann bei mir angefragt werden.

NF-Signal am Ausgang des SG31

NF-Signal am Ausgang des SG31

Vorsichtig steckte ich die Zuleitung in die Steckdose, es knallte nichts, es ging auch nichts in Rauch auf. Dann schaute ich mir die Ausgangssignale am Oszilloskop an. Das NF Signal von ca. 600 Hz liegt mit einer Spannung von ca. 7 Volt am Ausgang. Auch habe ich schon sauberere Signale gesehen. Belastet man den Ausgang, z.B. mit einem Aktivlautsprecher,  geht das Signal schon sehr in die Knie. Also kann man hier im Inneren auch keine großartigen Mechanismen zur Auskopplung erwarten.

Am HF-Ausgang war auch nicht mit Drehen und Würgen der Knöpfe und Schalter irgendein Signal zu erkennen.

Also schraubte ich das Gerät erst mal auf…

Platine SG31Wie schon erwartet, sind hier Bauteile aus den frühen 60er Jahren verbaut. Geschockt vom Anblick der für heute recht unüblich anmutenden Kondensatoren und Widerstände fielen mir neben dem großen Umschalter der Frequenzbänder und dem Drehkondensator zwei Transistoren auf. Auch ein Netzteil wurde offensichtlich als Eigenbau nachträglich eingebaut. Messungen ergaben hier eine Betriebsspannung von 13,7 Volt, stabilisiert mit einer Kombination aus Zenerdiode 9v1 und PNP-Transistor 2N2905 (???), was ja irgendwie nicht so ganz stimmen kann. Dazu später aber mehr. Ein Batteriehalter für 9V-Blöcke lässt vermuten, dass der Signalgenerator auch mobil eingesetzt werden könnte. Davon war im Gerät aber nichts mehr zu erkennen.

HF-Teil SG31 mit Transistor CV7089

HF-Teil SG31 mit Transistor CV7089

NF-Teil SG31 mit Transistor 2G371A

NF-Teil SG31 mit Transistor 2G371A

Frequenzbandumschalter SG31

Frequenzbandumschalter SG31

 

 

 

 

 

 

Bei den Transistoren handelt es sich um Germanium-Transistoren vom Typ 2G371A und CV7089. Internetrecherchen ergaben nun:

Originaltyp

Ersatztyp

Zweck

2G371, 2G371A AC126, 2N2431 NF-Transistor in Audio- und Videogeräten
CV7089 OC171, AF114-AF117, AF124-127 HF-Transistor, Grenzfrequenz bei ca. 75 MHz

Bevor ich mich aber zuerst um die aktiven Komponenten kümmerte, wollte ich mir ein Bild vom Zustand der Leiterbahnen und Lötpunkte machen. Ich entfernte die Knöpfe, die die Platine von hinten an der Frontplatte halten. Profilaktisch lötete ich zunächst alle Lötpunkte nach und nahm das Gerät mit einem Oszilloskop am HF-Ausgang wieder in Betrieb. Der Ausgang blieb stumm. So baute ich dann den CV7089 aus und miss ihn durch. Die Werte waren ok, auch im Transistortester meines Multimeters zeigte der Transistor einen brauchbaren hFE-Wert an. Also baute ich ihn wieder ein und ging nochmal auf die Suche. Ich bemerkte beim Schalten des Bandschalters, dass ab und zu mal ein Signal vorhanden war. Und plötzlich hatte ich Signal am HF-Ausgang. Waren die Schaltkontakte korrodiert? Nein, denn die hatte ich zuvor mit etwas Spray gereinigt. Plötzlich war das Signal auch wieder weg und der Oszi (nicht zu verwechseln mit einem Ossi) zeigte wieder eine Nulllinie.

Ich maß die Spannungen am Transistor und stellte fest, dass die Versorgungsspannung am Emitter fehlte, die im ausgebauten Zustand des Transistor noch die vollen 9 Volt anzeigte. Ich hatte es hier offensichtlich mit einem klassischen Kurzschluss zu tun. Aber wo?

Parallel zu meinem Kurzschluss bewegte ich mich im Internet auf den verschiedensten Seiten und Foren. Der CV7089 ist nicht mehr erhältich, lediglich der Ersatztyp OC171. In England bestellte ich mir erst mal zwei Stück für unter 10 Euro. Nach und nach kam ich über diverse Foren auch auf Seiten, die sich mit einem offensichtlichen Geheimnis dieser Transistortypen in diesen TO-7-Gehäusen beschäftigten. Dort waren die Symptome ähnlich wie bei meinem Transistor. Ich nahm mir den Transistor also nochmal unter die Lupe und maß den Widerstand zwischen den Beinchen und dem Abschirmgehäuse. Es zeigte sich ein Widerstand von 24 Ohm vom Kollektor zum Gehäuse. Das ist nicht weiter schlimm, weil das vierte Beinchen des Transistors für das Gehäuseblech abgekniffen war. Es zeigte sich aber auch ein Widerstand von etwa 16 Ohm zwischen Emitter und Gehäuse. War der Transistor defekt? Er funktionierte doch kurzzeitig und sogar auch ein zweites mal, aber dann halt auch wieder nicht mehr.

Das Geheimnis, die Ursache:

Alten Hasen wird das Folgende nichts Neues mehr sein. Diese Transistoren bilden im Laufe der Zeit kleine leitende Kristallnadeln, sog. Whiskers, die sich in einer Art Gel von der Gehäusewand zu den Elektroden ausbilden. Dabei müssen die Transistoren noch nicht einmal in Betrieb (gewesen) sein. Jetzt erklärte sich auch der “Kurzschluss” zwischen den Elektroden. Bei den Ersatztypen, wie OC171, sollen sich diese Whiskers angeblich auch gebildet haben. Jedoch bei den AF-Typen sind keine solchen Probleme bekannt geworden. Übrigens hat die NASA um die Erforschung der Whiskers einige Präsentationen im Internet veröffentlicht. Wiki’s Pedia ist hier eine sehr gute Adresse zum Nachschlagen.

Auch dieser Link könnte helfen: http://nepp.nasa.gov/whisker/index.html

Die Lösung – Ausbrennen:

Man kann die Kristalle elektrisch “ausbrennen”. Dazu habe ich die drei Beinchen für E-B-C zusammen gedrillt und mit einer Spannung von 30 Volt aus meinem Labornetzteil zwischen den Beinchen und dem Gehäuse versehen. Dabei ist es egal, wo Plus und Minus anliegen. Ich vermutete nun einen kleinen Ruck, aber es kam nichts. So legte ich nochmal die Spannung von jedem einzelnen Anschluss gegen das Gehäuse. Auch jetzt war nichts zu spüren. Alles war wohl sauber vom Gehäuse getrennt, keine Kurzschlüsse mehr. Ich lötete den Transistor nun wieder an seinen Platz und schaltete das Gerät ein.

Nun war endlich wieder ein Signal an der HF-Ausgangsbuchse zu vernehmen, und ich konnte in allen acht Bereichen schalten und bekam mehr oder weniger saubere (Sinus-) Signale auf den Schirm. Mein Oszilloskop hat leider eine Grenzfrequenz bei 20 MHz. Deshalb habe ich mal den USB-Stick als Spektrumanalysator mit dem Signal gespeist. Hier ein Signal im 144 MHz Bereich.

144 MHz Spekttrum SG31

Ich befestigte eine Hohlbuchse für eine externe Spannungsversorgung und speiste die Schaltung zunächst von meinem Labornetzteil mit 9 Volt. Die gesamte Schaltung benötigt in Volllast übrigens nicht mehr als 15 mA. Als ich aber am Versorgungskabel wackelte, machte sich das sofort als Frequenzsprünge bemerkbar. Dies ist also keine gute Lösung. Auch ein Klopfen am Gehäuse erzeugt ein hörbares NF-Signal in der Demodulation.

Spektrum 144 MHz Beeinflussungen

12V Netzteil SG31Das alte (angebliche) 9V-Netzteil (mit 13,7V Ausgang) war lediglich in das Gehäuse eingeklebt und bröckelte auch schon auseinander. Auch war der ursprüngliche NPN-Transistor durch einen 2N2905 PNP-Typ ersetzt.

Auf einer Lochrasterplatine habe ich nun das Netzteil neu aufgebaut. Dabei stellte ich fest, dass der falsche PNP-Transistor und die 9,1V Zenerdiode kaputt waren. Durch die Schlüsse wurden immerhin 13,7V aus dieser Stromfabrik erzeugt. Also einmal schütteln und nach Lösung suchen. Leider hatte ich in meiner Kiste nur eine 10V-Zenerdiode und einen 2N5901 Leistungstransistor. Dieser ist eigentlich ein HF-Transistor mit einem Frequenzgang bis 1200 MHz und irgendwie viel zu schade für eine solche simple Schaltung, aber es ist der einzige, den ich grad zur Hand hatte. Also baute ich das kleine Netzeil nach diesem Plan auf:

2016-01-20 13_31_47-Dokument1 - Microsoft WordFür den C2 kann man auch einen 220µF Elko einsetzen. Der Widerstand R2 wird leicht warm, er sollte mit etwas Abstand von der Platine befestigt werden.

Jetzt ist die HF am Ausgang durch die fehlenden externen Einflüsse wesentlich stabiler. Im übrigen funktioniert die Schaltung zwischen 8V und 18V Betriebsspannung. In der Galerie können noch weitere Bilder vom Oszi betrachtet werden.

 

Weiter werde ich an der Rückseite noch aktuell gängige Anschlussbuchsen anbringen, um die Originalansicht der Frontplatte nicht zu zerstören.

Einfache HF-Rauschbrücke zur Impedanzanalyse (Teil 3)

Hier der dritte Teil des Selbstbaus einer HF Rauschmessbrücke. Soweit erstmal fertig. Das Gehäuse aus Platinenmaterial ist zusammengebaut und darf auch gerne lackiert sein. Auch eine schöne Skala würde gut aussehen. Es fehlt lediglich eine 2,1 mm Hohlbuchse, die ist zur Zeit nicht lieferbar.

HF Rauschbrücke

HF Rauschbrücke

HF Rauschbrücke

HF Rauschbrücke

Schaltungsbeschreibung

Die Schaltung ist relativ einfach und schon vielfach in den letzten Jahrzehnten veröffentlicht. Immer leicht abgewandelt, so hat sie doch vier zentrale Elemente:

  1. Rauschquelle
    Die Zener-Diode hat von Natur aus bereits einen breitbandigen Eigenrauschpegel von etwa 40µV im Bereich von 10 bis 30 MHz, der hier mehrfach verstärkt werden soll.
  2. Verstärkerstufe
    Dieses breitbandige Rauschen wird über einen dreistufigen Verstärker gebildet durch Q1, Q2 und Q3 und seinen einfach dimensionierten Widerständen an den Auskoppeltrafo geführt. Die Hochfrequenz wird durch Koppelkondensatoren zwischen den einzelen Stufen weiter gereicht.
  3. Auskopplung
    Der Auskoppeltrafo Tr1 wurde auf einen Ringkern (eigentlich) trifilar mit 9 Windungen aus 0,5 mm Cu-Lackdraht gewickelt.
    Platine Koppeltrafo Montagehilfe

    Montagehilfe Trafo

    Dabei ist unbedingt auf eine saubere Symmetrie zu achten, damit die Messbrücke später nicht “schielt” und ein sauberes Brückennull erzeugt. Falls man dies im Abgleich später feststellt, so ist der Trafo noch einmal neu zu wickeln. Ich habe die drei Drähte nicht verdrillt, sondern zusammen parallel nebeneinander gewickelt. Dieser Trafo bestimmt auch die Lautstärke des Rauschsignals im Empfänger. Bei mir am Kenwood TS-870S erzeugt diese Schaltung von 160m – 10m fast durchgängig ein Signal von mind. S9+10 bis +40dB. Der Trafo wurde nach einem Vorschlag von Dipl.-Ing. Max Perner, DL7UMO aus einem Artikel der Zeitschrift Funkamateur 8/95 entnommen. Ebenso die kleine Platinenvorlage zum Verbinden der Drahtenden als Montage- und Verdrahtungshilfe. Hier oben im Bild.

  4. Messbrücke
    Um nur den Wirkwiderstand zu ermitteln reicht eigentlich das Potentiometer P1 aus. Um aber auch die Blindwiderstände zu auszuweisen, wurden die Kondensatoren C1 und C2 hinzugefügt. Ich habe sie in Parallelschaltung geschaltet, sie können aber auch genauso gut in Serie geschaltet werden. Dabei ist auf folgendes zu achten:P1 ist so zu wählen, dass 50 Ohm in einem weiten Bereich zu erreichen sind. Hier ist der Vorschlag 100 Ohm. Ich habe aber ein 250 Ohm Poti gewählt, dann kann man auch höhere Wirkwiderstände ermitteln. Mit dem Messobjekt (Antenne) eines 50 Ohm Systems befindet sich dann der Regler bei Brückennull (Rauschminimum) eben auch in der 50 Ohm Stellung. Höhere Werte für das Poti sind nicht zu empfehlen.C2 ist abhängig von C1. Er ist halb so groß, wie der Drehkondensator C1. Ich habe hier einen AM/FM-Drehko von etwa 265pF genommen. Danach habe ich dann den C2 ausgemessen und einen 122pF Keramikkondensator (Aufdruck 150pF) gefunden. Damit bekomme ich dann etwa auf der Hälfte des Regelbereiches die Nullstellung der Kondensatorbrücke.

Schaltplan

HF Rauschmessbrücke Schaltplan

HF Rauschmessbrücke Schaltplan

Das Gerät kann entweder über ein 12V-Netzteil oder einer 9V-Batterie mit Strom versorgt werden.

Abgleich

Der Messeingang ist mit einem 50 Ohm Widerstand kurzzuschließen. In der 50 Ohm-Stellung des Potentiometers R und Mittelstellung des Drehkondensators C ist auf allen Frequenzen ein Rauschminimum zu ermitteln. Hier sollte die Messbrücke im Gleichgewicht sein. Die Skalenwerte habe ich zunächst mit Multimetern ermittelt, grob eingestellt und dann nach obigem Abgleich fixiert. Die Voreinstellung war also schon ganz gut.

Bestimmen der Resonanzfrequenz von (50 Ohm-) Antennen

An der Messbuchse X schließt man nun eine Antenne an. Die Rauschbrücke sollte dabei direkt am Speisepunkt der Antenne angeschlossen werden. Da das in der Praxis in der Regel nicht möglich ist, behilft man sich hier mit einem 50 Ohm-Kabel, das auf der erwarteten Resonanzfrequenz die halben Wellenlänge oder ein Vielfaches davon aufweist. Damit wird dann der Fußpunktwiderstand im Speisepunkt zum anderen Ende des Kabels – meistens im Shack – transportiert.

In der Mittenstellung beider Regler, bzw. dort, wo 50 Ohm Wirkwiderstand R und Stellung 0 des Kondensators C ermittel wurde, wird nun das Rauschminimum im Empfänger ermittelt. Hier befindet sich dann die Resonanzfrequenz der Antenne. Sollte die Resonanzfrequenz nun außerhalb des gewünschten Amateurfunkbandes liegen oder möchte man die Antenne innerhalb eines Bandes auf eine gewünschte Resonanzfrequenz trimmen, so verfährt man wie im nächsten Absatz beschrieben.

Abstimmen von Antennen

Wenn man die Antenne auf eine gewünschte Frequenz abstimmen möchte, so wird der Empfänger auf die gewünschte Frequenz eingedreht. Mit der Rauschbrücke wird nun an beiden Reglern abwechselnd das Rauschminimum eingestellt. Optimalerweise sollte dies die zuvor ermittelte Mittenstellung der Regler sein (R=50, C=0).

Meine Bazooka für das 40m-Band z.B. zeigt am Ende des Kabels (ich weiß gar nicht wie lang es ist) einen Fußpunktwiderstand von 120 Ohm und eine induktive Reaktanz (XL). Dies bedeutet, dass die Antenne nicht gut angekoppelt ist und man könnte überlegen, ob man hier einen 1:2 Balun am Speisepunkt einfügt. Und es bedeutet, dass die Antenne noch zu lang ist. Bei der vorigen Messung habe ich die Resonanzfrequenz bei etwa 6490 kHz ermittelt, anstatt bei 7100 kHz. Natürlich kann ich erst eine sauberere Messung bekommen, wenn ich das Zuleitungskabel auf auf die halbe Wellenlänge getrimmt habe. Das wird auch die erste Aktion sein, sobald die Temperaturen es draußen wieder zulassen.
Erfahrungsgemäß soll ein solcher Dipol frei hängend in etwa ¼λ Höhe gespannt sein. Denn der Fußpunktwiderstand am Speisepunkt beträgt erst in dieser Höhe 50 Ohm. Das kann bei einem 80m-Dipol schon mal 20m sein.

Die Formel hierzu lautet:

\displaystyle \boxed{ L = \frac{150 \cdot V_{k} \cdot n}{f}}

wobei
150 = Wert der Lichtgeschwindigkeit (300) / 2
L = geometrische Länge in Meter [m]
Vk = Verkürzungsfaktor des verwendeten Antennenkabels (RG58, 213 = 0,663)
n = Multiplikator für das Vielfache der halben Wellenlänge
f = Frequenz in Megahertz [MHz]

Besipiel:

L = 150 * 0,663 * 1/ 7,0 = 14,207m
L = 150 * 0,663 * 1/ 7,1 = 14,007m
L = 150 * 0,663 * 1/ 7,2 = 13,813m

Ist diese Länge des Kabels nicht ausreichend, so errechnet man hiervon die Vielfache, um auf die gewünschte Länge zu kommen. Hier also bei 7,1 MHz 28,01m, 42,02m, 56,03m usw. Wenn die minimale Länge des Kabels 60m sein muss, so beträgt das nächste passende Vielfache 70,04m.

Um die Möglichkeit des Kürzens zu berücksichtigen, nimmt man statt des Verkürzungsfaktors von 0,663 einen höheren Wert, z.B. 0,7. Dann kann man immer noch etwas kürzen.

Halbwellenkabel

Natürlich kann man das Zuleitungskabel selbst auch mit der Rauschmessbrücke ausmessen und trimmen. Dazu hängt man das vermeintliche Halbwellenstück etwas über dem Boden ausgestreckt auf (ca. 1m) und schließt es am Ende kurz. Man dreht das R auf 0 Ohm, C in die 0-Stellung, und den Empfänger auf die zu erwartende Frequenz. Nun dreht man C solange, bis am Empfänger das Rauschen auf Minimum springt. Achtung, das Rauschminimum kann hier sehr schmal sein, vielleicht nur wenige 10 Hz.

Viertelwellenkabel

Man verfährt hier genauso, wie mit dem Ausmessen des Halbwellenkabels, jedoch lässt man hier das Ende offen und erhält somit Rauschminimum. In die Formel ist dann für die Lichtgeschwindigkeit der Wert 75 statt 150 einzusetzen.

Weitere Einsatzmöglichkeiten (nach DH3KH)

  • Messung von Schwingkreisen und somit
    • Berechnung von unbekannter Induktivität L (bei bekanntem C)
    • Berechnung von unbekannter Kapazität C (bei bekanntem L)
  • Messung von Anpassgliedern auch Matchbox-Tuning
  • Messung von Eingangswiderständen über den Messbereich der Rauschbrücke hinaus durch Kunstgriff möglich, z.B. über Lambda/4 Leitung oder zusätzlichem Ohmschen Widerstand, siehe hierzu Rothammel Anwendungsbeispiele Antennaskop.
  • Messung des Wellenwiderstandes von Speiseleitungen.

Abschließend

NIE die Sendetaste drücken, solange die Rauschbrücke am Antenneneingang angeschlossen ist. Dies führt unweigerlich zur Zerstörung der Rauschbrücke und ist für den Sender ebenfalls nicht gesund!

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Einfache HF-Rauschbrücke zur Impedanzanalyse (Teil 2)

Es war nicht einfach entsprechende Bauteile für eine funktionierende Mechanilk zu finden. Weiter unten die Links für einige Bauelemente. Hier ist nun erstmal der noch nicht verdrahtete Prototyp der Rauschmessbrücke. Nach dem Studium des neuen Rothammel Antennenbuches entdecke ich auch dort die Schaltung für den Rauschgenerator.

Rauschmessbrücke Prototyp

Rauschmessbrücke Prototyp

Rauschmessbrücke Prototyp Frontansicht

Rauschmessbrücke Prototyp Frontansicht

Rauschmessbrücke Prototyp

Rauschmessbrücke Prototyp

Rauschmessbrücke Prototyp Rückansicht

Rauschmessbrücke Prototyp Rückansicht

Die passiven elektronischen Bauteile sind allesamt aus der Grabbelkiste, wie auch der Ringkern. Der Kuperlackdraht für den HF-Trafo ist gewonnen aus alten Computernetzteilen (Drosseln, Spulen, etc.). Jetzt geht’s an die Verdrahtung.

Fertig verdrahtet und abgeglichen. Erster Einsatz erfolgreich. Das Gerät rauscht von 160m – 10m. Es sind deutliche Rauschminima auf den (manchmal nicht) zu erwartenden Frequenzen zu erkennen.

Rauschmessbrücke fertig abgeglichen

Rauschmessbrücke fertig abgeglichen

Rauschmessbrücke fertig verdrahtet

Rauschmessbrücke fertig verdrahtet

Linkliste von Lieferantenquellen

Drehkondensator AM/FM 2x260pF / 2x20pF
Verlängerungsachse 6mm für Drehko
Achsverlängerung
Drehknöpfe
AK Modul Bus
http://www.ak-modul-bus.de
Achsdurchführung
Kupplungsmuffe 6mm/6mm
Voelkner
http://www.voelkner.de
2N2222
220 Ohm Poti
Distanzhülsen Metall Sechskant
Platinenmaterial
N-Koax-Buchsen
Reichelt
http://www.reichelt.de
Widerstände
Kondensatoren
6,8V Zener Diode
1N4001
Ringkern
Schrauben
Grabbelkiste
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Einfacher Frequenzzähler bis 1,5 GHz für 70 Euro

Von SEC Digital habe ich mir auf der Interradio 2013 in Hannover einen kleinen Frequenzzähler als fertig aufgebauten Bausatz ohne Gehäuse beschafft. Er funktioniert mit einem kleinen PIC-µController und einem Eingangsteiler. Seine Bezugsfrequenz erhält er von einem 20 MHz-Quarz. Dieser kann mit einem Trimmerkondensator zum Abgleich noch gezogen werden. Der PIC zeigt die Frequenz in Hertz auf einem LCDisplay mit Hintergrundbeleuchtung an. Dazu habe ich mir ein Halbschalen-Gehäuse besorgt und die 2mm-Aluminium-Frontplatte entsprechend bearbeitet. Das Loch für das Display habe ich mit einer geliehenen el. Dekupiersäge grob ausgesägt und mit einer flachen Schlüsselfeile die Feinarbeiten erledigt.

Zum Abgleich des Gerätes habe ich mit meinem Kenwood TS-870S Trägerfrequenzen an einem Dummyload erzeugt und den Zähler danach abgeglichen. Der TS-870S ist bereits an WWV-Signalen abgeglichen.

Dieser Mini-Counter ist nicht geeicht und deshalb für anspruchsvolle Prüfzwecke auch nicht geeignet, er zeigt mir aber im Rahmen seiner Toleranzen Frequenzen und Frequenzänderungen an bis ins 70cm-Band an. Hier meine Sendefrequenz meines Standard C500 für das Relais DB0ABB (Ausgabe auf 439.100 kHz, Eingabe auf 431.500 kHz):

Frequenzzähler während einer Sendung auf 70cm

Frequenzzähler während einer Sendung auf 70cm

Das Gerät zeigt mir also schon an, dass ich etwa 2 kHz neben der Frequenz liege. Da kann man später sicher was dran drehen – an der Handfunke natürlich. Die Frontplatte soll noch mittels einer entsprechend angefertigten Folie beschriftet werden.

Alle Teile zusammen landen auf der Preisskala bei etwa 70,- € – Eigenleistung nicht mitberechnet.

 

Einfache HF-Rauschbrücke zur Impedanzanalyse (Teil 1)

Ein kleines Weihnachtsprojekt 2013:

Aus Beuteteilen (Ausschlachteteile) habe ich mir eine Rauschbrücke zum Bestimmen von Antennenimpedanzen etc. zusammengelötet. Dazu haben mir viele Anleitungen und Veröffentlichungen im Internet geholfen.

Der Sinn einer Rauschbrücke ist mittels eines Rauschgenerators und einer Brückenschaltung ein Gleichgewicht von bekannten Real- und Blindwiderstänen ein unbekanntes Messobjekt zu bestimmen. In den meisten Fällen ist das natürlich ein unbekanntes Antennengebilde.

Zuerst hier der bildliche Aufbau:

HF-Rauschbrücke im fliegenden Aufbau Vorderseite

HF-Rauschbrücke im fliegenden Aufbau Vorderseite

HF-RauschbrüHF-Rauschbrücke im fliegenden Aufbau Rückseite

HF-Rauschbrücke im fliegenden Aufbau Rückseite

Großes Augenmerk ist auf den Ausgangsübertrager zu legen. Dieser ist das zentrale Element, das das hochfrequente Rauschen an die Messbrücke einkoppelt. Dieser fliegende Aufbau muss dringend in ein HF-dichtes Gehäuse eingesetzt werden, da die Signale extrem verstärkt sind. Außerdem benötige ich noch einen richtigen regelbaren Widerstand von etwa 250 Ohm.

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Cantenne – Dummy-Load mit Öl-Kühlung

Dieser Beitrag beschreibt einen im Amateurfunk üblichen Eigenbau einer künstlichen Last von 50 Ohm (Dummyload) für 100 Watt mit Ölkühlung in einer Weißblechdose mit Spannungsmessung (=Leistungsmessung).

So habe ich mir nach einigen Vorgaben aus dem Internet einen kleinen Lastwiderstand (Dummyload) für 50 Ohm gebaut, der etwa 100 Watt HF abfangen darf. Das Prinzip ist nicht neu und schon seit den 60er Jahren bekannt. Mit seiner legendären Heathkit Cantenna hatte man einen 50 Ohm Widerstand in einer geschlossenen Dose mit Öl zur Kühlung untergebracht. Nach diesem Prinzip habe ich nun folgende Bauanleitung zusammen getragen.

Material

In diesem Fall habe ich 20 Stück Metallfilmwiderstände von jeweils 1 kOhm parallel geschaltet und erhalte somit 50 Ohm. Die Belastbarkeit sollte 2 Watt nicht unterschreiten, besser 3 Watt. Ich habe lediglich die 2 Watt Version bekommen und multipliziere dies mit 20 parallelen Widerständen und erhalte eine Gesamtbelastbarkeit von 40 Watt im ungekühlten Zustand. Durch die Ölkühlung wird die Belastbarkeit auf über das doppelte ansteigen. Mein Bauchgefühl sagt mir etwa 100 Watt, was für kurzzeitige Einstellungen und Messungen an gängigen Kurzwellen-Transceivern völlig ausreichend ist! Sollte sich der Widerstand im Laufe der Zeit erhöhen, so hat man erfolgreich Widerstände frittiert. Bei der Dose handelt es sich um eine einfache saubere und leere Farbdose aus Weißblech (0,75l..1l), die für die notwendige HF-Dichtigkeit sorgt. Diese habe ich von einem benachbarten Malermeister geschenkt bekommen. Um die HF in die Dose zu bekommen braucht man eine SO239-Buchse oder BNC-Buchse. Ich hatte noch eine BNC-Einbaubuchse mit zentraler Verschraubung. Die Widerstände habe ich mit zwei doppelseitig kaschierten Platinenresten (jeweils 40 mm im Quadrat) miteinander verlötet. Der Bohrplan ist weiter unten.

Für die Möglichkeit eine Leistung zu messen, wurden zwei Anschlüsse nach draußen geführt, über die die mittels einer Diode (BAV21) und eines 10nF/500V Scheibenkondensator gleichgerichtete Spannung über der 50 Ohm Last gemessen werden kann. Diese Spannung wird an zwei Bananenbuchsen (rot und schwarz) herausgeführt. In der weiter unten stehenden Tabelle kann die Leistung anhand des Spannungswertes abgelesen werden. Eine Idee für ein weiteres neues Projekt wäre die Leistungsangabe mittels eines Mikrocontrollers.

Schaltung

Circuit Diagram Dummyload

Circuit Diagram Dummyload

Cantenne Bohrschablone Verbindungsplatten

Bohrschablone für die Verbindungsplatten der Widerstände

Nach diesem Schema sind zwei Platinenreste mit 40 mm im Quadrat auszusägen und zu bohren. Die Ecken können abgesägt werden, müssen aber nicht. Die eine Platine bekommt eine große Bohrung in der Mitte von etwa 8 mm Durchmesser. Dies ist dann die Masseplatte. Die zweite “heiße” Platte wird in der Mitte durch eine 1,2 mm Bohrung versehen. Hier wird nachher der Mittelleiter angelötet. Alle anderen 20 Bohrungen sind für die Widerstände von 0,8 mm.

Berechnung der Leistung nach der gemessenen Spannung

\displaystyle P [W]= \frac{(\frac{U_{eff}+U_{fwd}}{\sqrt{2}})^2}{Impedanz}

 

Mit eingesetzten Werten: 

Gemessene Spannung = 99,6 V
Verlustspannung der Diode = 0,4 V
Impedanz = 50 Ω

\displaystyle P = \frac{(\frac{99,6+0,4}{\sqrt{2}})^2}{50} = 100

 

Hier die Excel-Formel für Copy & Paste in die Zelle B5:    =POTENZ(((A5+$B$1)/WURZEL(2));2)/$B$2

Alle anderen Werte in die Zellen eintragen, wie unten ersichtlich.

Excel-Formel

Excel-Formel

Berechnung der Leistung

Berechnung der Leistung

 

Und nun viel Spaß beim Nachbau