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Rollspulen für Eigenbau-Antennentuner

Tunerbau ist gar nicht so schwer, wenn man geeignete Bauteile verwendet. Drehkondensatoren erhält man relativ problemlos. Tipps für die Beschaffung und Auswahl veränderlicher lnduktivitäten gibt dieser Beitrag.

Man kann natürlich eine schaltbare Induktivität, also eine Luft- oder Ringkernspule mit vielen Anzapfungen selbst bauen, eleganter ist aber eine Rollspule (für große Leistungen) oder ein Variometer (für mittlere und kleine Leistungen). Außer auf Flohmärkten, wo man gebrauchte große Rollspulen oder Variometer erstehen kann, muss man lange suchen, wenn man neue, ungebrauchte Rollspulen kaufen will. So wird man ab und an im Kleinanzeigenteil von Amateurfunk-Zeitschriften fündig.

So kamen bei mir schon drei Rollspulen zusammen. Bild 1 zeigt sie. Das reizte, einen Vergleichstest durchzuführen.


Bild 1: Die drei Roffspulen von oben betrachtet.

Die Spulen näher betrachtet

Sehen wir uns zunächst die Testkandidaten etwas näher an!

GHFT-Rollspule

Diese Rollspule wurde in der CQ DL für € 56,34 plus Versandkosten angeboten. Die Spule kam sauber verpackt in einem Karton an und machte einen optisch guten Eindruck. Sie besitzt eine Induktivität von 32 µH und ist laut Hersteller mit 100 W Belastbarkeit speziflziert. GHFT ist die Abkürzung für Güntner HF-Technik (Königsbergerstr. 9, 85386 Eching, Fax: 0 89/3197 16 07).

Der Spulenkörper ist sauber gefräst, besteht aus gut isolierendem und weitgehend wärmeresistenten GFK-Material und ist mit versilbertem 1 -mm- Kupferdraht bewickelt. Der Windungsabstand beträgt 1 mm. Rollrad, Kontaktachse und Anpressachse bestehen aus Messing.

Die beiden Seitenflächen sind aus solidem 3 mm dicken GFK-Material gefertigt.

Annecke-Rollspule

Dies ist eine hei vielen Funkamateuren bekannte Rollspule. Da die Firma nicht mehr existiert, ist die Spule nicht mehr lieferbar. Ihre Induktivität beträgt 34 µH, als Strombelastbarkeit wurden 3 A genannt. Für Antennentuner, die mit dieser Spule ausgerüstet waren, wurde laut Annecke-Katalog eine Leistung von 300 W PEP garantiert.

Der Spulenkörper besteht aus einem Hartgewebe ähnlichen Material, das sich nach einiger Zeit und bei voller Belastung schon mal bräunlich verfärben kann und dann auch unangenehm nach erhitztem Hartgewebe riecht.


Bild 2: Links die Annecke-, rechts die GHFT-Rollspule.

Bild 2 gestattet einen optischen Vergleich zwischen GHFT- und Annecke-Spule. Eine Besonderheit ist die beidseitige breitflächige Lagerung des Rollrads bei der GHFT-Spule. Dadurch wird ein besonders guter Kontakt zur Kontaktachse hergestellt. Die Annecke Spule hat nur eine einseitige Führung und dadurch eine kleinere Kontaktierungsfläche zur Achse. Dies sehen wir deutlich in Bild 3.


Bild 3: Ein scharfer Blick auf die Kontakte.

Keramik-Rollspule

Diese Spule wurde auf einem Amateurfunk-Flohmarkt erstanden. Seitenteile und Spulenkörper sind aus soliden Keramikmaterial. Die Spule trägt keinerlei Bezeichnung oder sonstige Angaben.

Die gemessene Induktivität ist 40 µH, die HF-Strombelastbarkeit dürfte auf Grund der Abmessungen und der Drahtstärke bei etwa 15 A liegen. Der Draht hat einen annähemd rechteckigen Querschnitt mit 1 x2,5 mm. Besonders solide ist die Kontaktierung vom Rollrad zum rechteckförmigen Draht; hier sind noch zwei zusätzliche Schleifkontakte erkennbar (Bild 4 und 5).


Bild 4: Die Rollrodkontakte aus der Nähe betrachtet.


Bild 5: Detailansicht der Kontaktstange.

Messungen

Mit diesen drei Spulen wurden verschiedenen Tests und Messungen durchgeführt, um besonders die GHFT-Spule auf ihre Verwendbarkeit in Antennentunern zu testen. Dabei interessierten vor allern folgende Parameter:


Bild 6: Messschaltung zur Güteermittlung.

Güte

Diese Messung ist für die rechnerische Bestimmung des Verlustwiderstands der Spule erforderlich. Kennt man ihn, kann man aus der zugeführten Leistung den HF-Strom berechnen.

Die Güte wird mit Hilfe einer verlustannen Kapazität parallel zur gesamten Wicklung der Rollspule bestimmt. Zweckmäßigerweise ist die Kapazität ein normaler Rundfunk-Drehkondensator.

Bild 6 zeigt die Messschaltung. Man sendet mit dem Transceiver ein CW-Signal über die eigene Stationsantenne. Es genügen bereits wenige Watt. Die Rollspule mit der Parallelkapazität wirkt wie eine Empfangsantenne in Resonanz, die das Signal mit der nätigen losen Kopplung empfängt.

Achtung, eine Spulengüte ist in der Regel stark von der Frequenz abhängig. Beginnen wir also auf 160 m! Bei dieser niedrigen Frequenz von etwa 1.850 kHz ist die Schwingkreisgüte auf Grund der geringen Spulenverluste hoch. Dann messen wir im nächsthöheren Amateurband und so fort, bis keine Resonanz mehr erreichbar ist.

Mit dem Drehkondensator wird immer sorgfältig auf Resonanz abgestimmt und die entsprechende Frequenz notiert. Nun wird der Spitze-Spitze-Wert am Oszilloskop abgelesen und die Sendefrequenz am Transceiver so weit nach oben und unten verstellt, bis die Spannung jeweils um 3 dB entsprechend rund 30 % abfällt. Wurden hei Resonanz beispielsweise sechs Kästchen erreicht, so dürfen an diesen -3-dB-Punkten nur noch reichlich vier Kästchen erreicht werden. Oder sind es bei Resonanz acht Kästchen am Bildschirm, dann dürfen es bei -30 % nur noch rund fünf-einhalb Kästchen sein. Die beiden -3-dB-Frequenzen werden ebenfalls notiert. lhre Differenz ist die Bandbreite. Teilt man die Resonanzfrequenz durch die Bandbreite, hat man die Schwingkreisgüte. In unserem Fall entspricht diese in guter Näherung der Leerlaufgüte der Spule.

Beispiel: Resonanzfrequenz 1.850 kHz, -3-dB-Frequenzen 1.845 und 1.855 kHz, Bandbreite 10 kHz, errechnete Güte 180. Bei dieser Messung wurden im 160-m-Band folgende Werte ermittelt:


Bild 7. Messschaftung zur Strombelastbarkeit.


Bild 8: Messaufbau zur Ermittiung der Strombelastbarkeit.

HF-Strombelastbarkeit

Will man die Form- und Wärmebeständigkeit des Spulenkörpers und der Wieklung testen, gibt es eine elegante Messmethode, hei der man mit 100 W Sendeleistung auskommt. Für diese Messung benötigt man einen Vakuum- oder sonstigen Drehkondensator mit 300 pF Endkapazität und mindestens 5 kVeff Spannungsfestigkeit.

Man erkennt im Vordergrund die Rollspule, als sie mit beachtlichen 4 A bei ungefáhr 40 W Transceiverleistung im 160-m-Band belastet wurde. Im Hintergrund der gewaltig anmutende Vakuumdrehkondensator 1.000 pF/10 kV. Dieses "Monster" ist übrigens relativ preiswert (€ 80) auf Amateurfunk-Flohmärkten erhältlich. Beim Kauf sollte man darauf achten, dass die Keramikbefestigungen für die massiven Flansche nicht fehlen.

Das Messprinzip nutzt den hohen Kreisstrom von mehreren Ampere bei Parallelresonanz, obwohl der Ansteuerstrom über das Rollrad bei 40 W nur 900 mA beträgt. Dieser Wert ergibt sich, wenn man folgerichtig die Wurzel aus dem. Verhältnis von Leistung zu Widerstand (40 W/50 Ω = 900 mA) zieht. Die 50 Ω bedeuten Anpassung in den Kreis. Dazu muss allerdings der hohe Resonanzwiderstand des Parallelschwingkreises herabtransformiert werden. Dies erfolgt durch induktive Spannungsteilung, wozu sich das Rollrad bestens anbietet. Man stellt es so ein, dass man hei Parallelresonanz exakt 50 Ω reell in den Kreis messen kann. Dies bedeutet, dass ein Transceiver mit 50 Ω Innenwiderstand an den Parallelschwingkreis leistungsangepasst ist, man kann am SWR-Meter keinen Rückfluss erkennen, das SWR beträgt 1. Dies gilt allerdings nur für die Resonanzfrequenz.

Bei dieser Messung kann man nicht die Strombelastung des Rollrads messen, denn dieses überträgtja nur die Transceiverleistung von maximal 100 W an den transformierten Resonanzwiderstand von 50 Ω, also 1,4 A.

Der Resonanzkreis selbst besteht nur aus der Spule mit ihren geringen Verlusten und dem nahezu verlustlosen Kondensator; die eingespeiste Leistung fließt in diesern Resonanzkreis mit beachtlicher Stromstärke in den nahezu Ohmschen Verlustwiderstand. Man kann den Strom mit einem Hitzdrahtinstrument messen oder aber auch nur berechnen. Dazu benötigt man den Verlustwiderstand. Dieser ist - als Reihenwiderstand angenommen - niederohmig, weil um die Güte geringer als der Spulen-Blindwiderstand XL = 6,28 x f x L.

Bei einer Güte von 230 bei 1,8 MHz und für 32 gH erhält man 1,5 Ω. Es sind dies die gesamten Kreisverluste, die sich allerdings im Wesentlichen bei der Spule finden. Kennt man die Leistung aus dem Transceiver, dann kann man auch den Resonanzstrom ausrechnen. Vorsichtshalber wollen wir errechnen, was bei höchster Leistung zu erwarten wäre: Für 100 W erhäult man dann einen HF-Strom von 8 Aeff! Die Resonanzspannung Ures errechnet sich zu XL x LHF = 6,28 x 1,8 MHz x 32 µH x 8 A = 2.900 Veff! Diese Spannung liegt direkt zwischen den Wieklungsenden der Spule.

Deshalb müsen wir vorsichtig messen und erst mit kleiner Leistung beginnen, etwa eine Minute messen, wieder abschalten, die Temperatur und den Zustand der Spule kontrollieren und danach mit höherer Leistung fortfahren.

Ergebnisse

Die Spulen wurden mit einem 40-W-Dauerträger, also mit 5 A HF-Strom, jeweils 3 min lang betrieben. Dieser Stromwert wurde auch am HF-Strommesser abgelesen.

Die GHFT-Spule erreicht nach drei Minuten bei 5 A eine Temperatur von 60 °C. Das Spulenmaterial verfärbte sich dabei nicht, es kam auch zu keiner Geruchsentwicklung.

Der Versuch wurde dann unterbrochen und nach Abkühlung der Spule mit 100 W kurzzeitig fortgesetzt. Es wurde 5 s lang getestet, ohne dass der HF-Strom von 8 A eine Zerstörung der Spule bewirkte. Es kam auch zu keinen Überschlägen von Windung zu Windung bei der beachtlichen Spannung von über 2,5 kV.

Bei der Annecke-Spule konnte mit 8 A nicht mehr getestet werden, denn nach 3 min bei 5 A begann das Spulenkörpennaterial unangenehm zu riechen und verfärbte sich bräunlich. Hier waren ebenfalls keine Spannungsüberschläge zu beobachten. Bei der Keramikspule konnte nur eine leichte Erwärmung auf Handwärme nach 3 min bei 5 A festgestellt werden. Der Test bei 8 A konnte über mehrere Minuten ohne spikbaren weiteren Temperaturanstieg durchgeflihrt werden. Auch hier keine Spannungsüberschläge.


Bild 9: Messaufbau zum Test der Roftradkontaktierung.


Bild 10: Messaufbau für den Test der Rollradkontaktierung.

Strombelastung der Rollradkontaktierung

Bei dieser Messung ist der Aufwand größer, es muss vom Sender ein beachtlicher HF-Strom erzeugt werden, der über das Rollrad und den Rest der Spule in den Lastwiderstand fließt. Das Messprinzip beruht diesmal auf der Serienresonanz (Bild 9 und 10). Bekanntlich wird ein Serienresonanzkreis bei Resonanz niederohmig. Der Gesamtwiderstand ist infolge der zusätzlichen Verluste durch das Rollrad etwas größer als der bei Parallelresonanz errechnete. Sein genauer Wert ist aber für die Berechnung nicht erforderlich.

Allerdings kann dieser niederohmige Widerstand nicht ohne Weiteres an den Transceiver angepasst werden.

Man kann also nur über diesen niederohmigen Resonanzwiderstand in einen 50 Ω Abschlusswiderstand einspeisen. Hat man eine Endstufe mit 1.000 W, kann man dabei einen HF-Strom von 4,5 Aeff erreichen. Dieser Strom fließt nun über das Rollrad sowie den sich daran anschließenden Spulenteil. Es kann somit die Kontaktgabe vom Rollradmechanismus zurn Spulendraht untersucht werden.

Bei der GHFT-Spule konnte nach 3 min bei 1.000 W Dauerstrich eine Erwärmung auf etwa 40 °C festgestellt werden. Ansonsten war keine Reaktion erkennbar. Das Amperemeter zeigte 4 Aeff an.

Bei der Annecke-Spule konnte im Testzeitraum ebenfalls auBer einer Erwärmung auf 40 °C keine Reaktion festgestellt werden. Der angezeigte HF-Strorn betrug ebenfalls 4 Aeff

An der Keramikspule konnte bei 4 Aeff nur eine Erwärmung auf knapp 30 °C festgestellt werden.


Bild 11: So wird der Rollrad-Glekhstromwiderstand ermittelt.


Bild 12: Messautbau für die Ermittiung des Gleichstromwiderstands.

Rollrad-Gleichstromwiderstand

Als letzte Messung wurde die Gleichstrombelastung der Rollradkontaktierung getestet. Diesen Messaufbau zeigen die Bilder 11 und 12.

Man benötigt ein Amperemeter bis 20 A, ein Voltmeter sowie einen Monozellen-Akku. Die Messung erfolgt nach der Strom-Spannungs-Methode; der Stromkreis muss mit dicken kurzen Kabeln oder mit kurzen Stücken leicht erhältlicher, breiter Entlötlitze aufgebaut werden. Die Verbindung zum Voltrneter kann mit dünnen Drähten erfolgen, hier fließen ja nur Mikroarnpere zurn Voltmeter.

Schließt man die Monozelle kurzzeitig an, liefert sie einen Strom von 15 bis 20 A über die Rolle sowie den Kontakt und die Führungsstangen. Diesen Strom liest man am Amperemeter ab. Die bei der Messung an dem Rollenwiderstand abfallende Spannung ist gering und beträgt etwa 300 mV. Die einfache Rechnung U/L ergibt den Rollradwiderstand bei 15 A von 20 mΩ.

Rollradwiderstand ohne Spule

Das Rollrad befindet sich am Anfang der Spulenwicklung, der Strom fließt über die Kontaktfahne der Spule, über das Rollrad, die Führungsstange und die Kontaktstange.

Rollradwiderstand mit gesamter Spule

Das Rollrad befindet sich am Ende der Spule, der Strom fließt über die Kontaktfahne der Spule, durch die gesamte Spule, sodann über das Rollrad, die Fürungsstange und die Kontaktstange.


Bild 13: Annecke-Tuner im Originafzustand.


Bild 14: Annecke-Tuner mit GHFT-Spule.

Ersatz GHFT- gegen Annecke-Spule

Die beiden Spulen haben etwa die gleichen Frontabmessungen, die Baulänge ist bei der Annecke-Spule 2 cm geringer. Man kann aber die GHFT-Spule ohne Weiteres gegen eine Annecke-Spule austauschen. Es sind lediglich zwei Abstandsbolzen um etwa 2 cm zu kürzen sowie zwei 3,5-mm-Löcher dort zu bohren, wo die beiden Bolzen dann mit dem Gehäuse verschraubt werden.

Bild 13 zeigt den Annecke-Tuner mit der Annecke-Spule, Bild 14 den Annecke-Tuner mit der GHFT-Spule. Man erkenm die Größenverhältnisse; Bild 7 zeigt die Messschaltung. Die beiden Spulen wurden zur Demonstration der Größenverhältnisse in nur in den Tuner hineingelegt. Später wurde dann mit dem Annecke-Tuner und der eingebauten GHFT-Spule auf maximale Leistang bei diversen Antennenfortnen und Frequenzen getestet.

Zusammenfassung

Für den Eigenbau kann man entweder auf gebrauchte relativ große "Flohmarktspulen" zurückgreifen oder die GHFT-Spule verwenden. Diese stellt zur Annecke-Spule eine gute Alternative für Leistungen bis 400 W PEP dar. Es konnte mit dieser Rollspule sowie zwei 400-pF-Drehkondensatoren mit 2 mm Plattenabstand in T-Schaltung, also die Spule in der Mitte zwischen den beiden Kondensatoren gegen Masse, ein Sender mit 400 W PEP an diverse Antennenformen angepasst werden.

Mit geeigneten Drehkondensatoren ist eine Abstimmung auf sämtlichen KW-Amateurfünkbändern möglich.

Das gleiche Ergebnis zeigte sich mit dem Annecke-Tuner, einern sogenannten Transmatch-Tuner, bei dem die Original-Rollspule durch die GHFT-Rollspule ersetzt wurde.


Bild 15: Schmankerl zum Schluss: So baut man einen echten symmetrischen Tuner.

Ein "echter" symmetrischer Antennentuner

Denkbar ist auch der Bau eines "echten" symmetrischen Antennentuners mit Hilfe von zwei GHFT-Rollspulen sowie geeigneten Kondensatoren.

Die Rollspulen können über Zahnriemenscheiben und Zahnflachriemen, erhältlich bei Conrad, gekoppelt werden (s. Conrad Modellbaukatalog 2002/2003, S. 265). In Anbetracht der Preise von symmetrischen Kopplem (falls überhaupt erhältlich), ist dies eine Überlegung wert.

Bild 15 zeigt die Schaltung. Im Prinzip handelt es sich urn ein Doppel-Collins-Filter für symmetrische Anpassung. Anders als bei den pseudo-symmetrischen Abstimmgeräten, wo ein 4:1-Balun im Ausgang liegt, wird hier ein 1:1-Balun im Eingang eingesetzt. Dadurch "sieht" dieser Balun immer exakt 50 Ω auf der symmetrischen Seite, nachdem die Antenne durch die Abstimmelemente an diese Impedanz angepasst wurde. Die Umsetzung auf 50 Ohm unsymmetrisch erfolgt deshalb mit hohem Wirkungsgrad optimal und breitbandig. Anders ist dies beim Balun im Ausgang, der je nach verwendeter Antenne sowohl hohe als auch niedrige Impedanzen an das Koppelnetzwerk transformieren muss. Hier kann es besonders bei hohen Antennenimpedanzen schon mal zu Überschlägen und Beschädigung des Baluns kommen.

Der 1:1-Balun kann entweder als Koaxdrossel, also als Koax-Luftspule mit etwa 50 Wdg. und 10 cm Durchmesser, oder als Ringkern-Strombalun mit 15 Wdg. Koaxkabel durch einen Kern FT 240-77 aufgebaut werden.

Der Kondensator am Ausgang muss schon einige Kilovolt aushalten. Der Kondensator nach dem Balun am Eingang ist bezüglich Spannungsfestigkeit relativ unkritisch, man kann hier u. U. auch einen etwas robuster gebaute Rundfunk-Drehkondensator verwenden.

Hans Nussbaum, DJ1UGA