de radio amateur logo

Antenne tuners en pi filters

3e ingekorte en herziene versie

 

 

DIY Antenne Tuner

De vorige uitgave van dit artikel over de ingrediënten van een DIY Antenne Tuner, een zelfbouw Antenne Tuner is in de prullenmand beland. Dat artikel was gebaseerd op velerlei bronnen uit boeken en vanuit Internet. Bronnen die elkaar vaak tegenspraken en ook veelal niet konden uitleggen waarom hun benadering de juiste was.

Bronnen spreken elkaar vaak tegen.

 

 

ARRL 1957!

In mijn nieuwe zoektocht stuit ik op drie ARRL-publicaties uit 1957 waarin niet alleen wordt uitgelegd hoe je de elementen van je antenne-tuner berekent maar waarin ook wordt uitgelegd waarom dat zo is.

Deze artikelen leggen uit hoe zo’n aanpassingscircuit werkt. Dat was leerzaam.

Voor de beknoptheid van dit artikel beperk ik me hierbij tot de beschrijving van het PI-netwerk al moeten we omdat netwerk goed te begrijpen eerst even een aanloopje nemen.

 

 

Nawoord bij DIY Antenne Tuner

In de praktijk bleek de doelstelling om een tuner te bouwen die werkt van 0,5 MHz tot 30 MHz te ambitieus. De constructie eisen die de lage frequenties tot de 160 meterband aan de tuner stellen wijken te sterk af van de constructie eisen die de hoge frequenties (30 meterband en hoger) aan de tuner stellen.

In de praktijk moet je dus twee aparte tuners bouwen. Eén voor de lage banden en één voor de hogere banden.

Of bijvoorbeeld één die werkt van 80- tot 10 meter.

 

Zelfbouw, ofwel een DIY Antenne Tuner

Mijn projectdoel was: Een Do It Yourself, ofwel een zelfbouw Antenne Tuner van 0,5MC - 30MHz en universeel inzetbaar op meerdere projecten.

Daarbij hoort een ingebouwde antennestroom meter. Een meter die de stroom naar de antenne inrichting meet inclusief coaxkabel en wat er verder nog tussen deze ATU en de antennen mag zitten.

Geen SWR meter. Een goede SWR wil niet zegen dat de antenne goed straalt en dat laatste is belangrijker dan SWR.

Die meter moet daarom ook in staat zijn de echte antennestroom te meten. Dus de echte antennestroom exclusief voedingskabel, Balun/Unun laadspoelen en andere aanpassingsinstrumenten.

Daarvoor ga ik een meetkastje gebruiken. Dat meetkastje kan ik dan op het dak bij de antenne aansluiten. Dat meetkastje communiceert met de meter in de Antenne Tuner.

 

Gewone vlot verkrijgbare onderdelen

Een eis is ook dat de antenne tuner wordt samengesteld met onderdelen die ik gewoon vlot kan kopen.

Geen kritiek op collega’s maar sommige van hen publiceren de leukste zaken maar dan zitten daar onderdelen in die zij toevallig een keer op de kop konden tikken.

Dat soort zeldzame en exotische onderdelen zoals bijvoorbeeld een afstemcondensator van 3700 pf en glijspoelen die nergens te koop zijn, daar hebben jij en ik niets aan.

Dus een ontwerp dat gebruik maakt van gewone onderdelen die we morgen kunnen kopen.

 

 

Drie functies voor een multifunctionele DIY Antenne Tuner

Ter voorbereiding op het ontwerp dook ik nog wat in de theorie en dan leer ik dat de ATU drie functies heeft. Een Antenne Tuner (ATU) is er om:

diy antene tuner l filter

  1. De impedantie tussenzenders/ontvangers enerzijds en Antennekabels en Antennes anderzijds op elkaar af te stemmen.

    Doe je dat niet dan gaat een groot deel van de energie die je met veel moeite in je zender of antenne hebt opgewekt voor een belangrijk deel verloren in misaanpassingen.

    En die misaanpassingen kunnen groot zijn. Een buizen zendertje kan bijvoorbeeld zomaar een inwendige impedantie bezitten van 4500 ohm. Een kwart golf monopool antenne kan 37-85 Ω impedantie bezitten.

    Zonder aanpassing gaat dat dus goed mis. Er zal misschien 10% of nog minder van het zendvermogen in de antenne belanden. Ook als je een luisteramateur bent speelt dit.

  2. Daarnaast vervult zo’n Antenne Tuner een rol bij het uitfilteren van harmonische signalen aan de zenderkant. Dit zijn meestal signalen met een twee- of driemaal zo hoge frequentie als de door jou bedoelde zendfrequentie (Zie bijvoorbeeld Onverwacht zenden op de korte golven met de EL84).

  3. De derde functie is het beperken van de bandbreedte in het uit te zenden signaal. Voor AM is dat bijvoorbeeld maximaal 9 kHz. Het belang van een ATU is daarom groot.

 

 

DIY Antenne Tuner ingrediënten

Wat kies ik voor aanpassingseenheid?

diy antene tuner l filter

Een L filter?

Een L-filter kenmerkt zich door eenvoudig van opzet en de waardes zijn redelijk eenvoudig experimenteel uit te vinden. Het is een gewone LC-kring.

Nadeel van dit filter is dat de hoogohmige kant van de aanpassing altijd links moet zitten. Als de situatie in een project dus andersom is moet je er aan denken de aansluitingen te verwisselen. Het is een laagdoorlaatfilter.

diy antene tuner T filter

Een T-filter?

Een T-filter is praktisch. Kan met voorhanden zijnde materialen worden samengesteld en is zeer flexibel in de aanpassingsmogelijkheden.

Nadeel is dat dit filter niet efficiënt is, zeker als de C-out klein moet zijn om de aanpassing tot stand te brengen.

Het is een hoog doorlaat filter. Harmonische signalen bereiken de antenne. Bij grotere vermogens in de zender kan de interne power consumptie in het filter tot gevolg hebben dat de spoel smelt en de condensatorplaten gaan vonken.

antene tuner pi filter

Een PI-filter (π filter)?

Dit netwerk is flexibel instelbaar naar beide kanten van het aanpassingsnetwerk en biedt goede afscherming van hogere harmonische signalen.

Het pi-netwerk is een laagdoorlaatfilter. Vanwege de flexibiliteit en goede filterwerking ging mijn voorkeur voor deze DIY Antenne Tuner uit naar dit filter.

Dat bracht me bij de volgende uitdaging.

 

 

Welke waardes hebben de componenten voor de DIY Antenne Tuner?

spoel met schakelaar

Gezien het beoogde bereik van 500kHz tot 30MC zullen de spoelen en afstemcondensatoren in de Antenne Tuner instelbaar moeten zijn op behoorlijk uiteenlopende waardes.

Zoals gezegd, glijspoelen en condensatoren van duizenden pF’s zijn te exotisch en niet courant verkrijgbaar. De oplossing is het inzetten van schakelaars.

De spoel moet daarom een spoel met aftakkingen worden. Die aftakkingen kun je dan met een schakelaar bij of afschakelen.

afstemcondensator met schakelaars voor de diy antenne tuner

Hetzelfde principe kunnen we inzetten voor de afstemcondensatoren.

Enkelvoudige afstemcondensatoren van 50-500pF zijn nog goed verkrijgbaar maar soms wil je naar 50pF en in andere situaties naar 4000pF.

Ook hier gaan we de DIY Antenne Tuner daarom uitrusten met schakelaars waarmee we capaciteit kunnen vergroten en verkleinen.

 

 

Het probleem van de afstemspoel met aftakkingen

Op het Internet, in boeken en in publicaties kom je auteurs tegen die ervoor pleiten om bij een spoel met aftakkingen het niet gebruikte deel kort te sluiten.

spoel met schakelaar kortsluitmethode

Dit ter voorkoming van onvoorspelbare verschijnselen in dat niet afgesloten spoeldeel.

Inderdaad kunnen in zo’n spoeldeel, zeker als dat een flink deel is, hoge spanningen optreden. Op zich niet erg zolang er geen stromen door dat ongebruikte spoeldeel lopen gebeurt er niets.

Maar gaan daar wel stromen lopen, bijvoorbeeld als gevolg van capacitieve koppelingen met het chassis of andere zenderonderdelen dan krijg je ongewenste verstoringen.

De oplossing hiervoor is dus het ongebruikte deel kortsluiten in je DIY Antenne Tuner. Dat kan met een eenvoudige verbinding zoals fig. F laat zien met de rood gekleurde doorverbinding.

 

Groot vermogensverlies in de DIY Antenne Tuner!

In de DIY LPAM Antenne Tuner maakte ik mee dat kortsluiting van op dat moment ongebruikte delen van de spoel tot gevolg had dat in die spoel een fors deel van het over te dragen vermogen verloren ging.

 

De oplossing

Om die reden heb ik in de LPAM ATU die kortsluitingen snel weggehaald en de ongebruikte spoeldelen open laten ‘hangen’.

Bij de lage vermogens die hierbij aan de orde waren vormde dat verder geen probleem. Beide oplossingen, kortsluiten of openlaten, zijn dus niet ideaal.

Afhankelijk van een specifieke situatie verdient de ene of de andere keuze de voorkeur. Maar voor een breed inzetbare Antenne Tuner is die keuze niet praktisch. Gelukkig ontdekte ik dat er nog een derde weg is.

 

De derde weg

De derde weg en een oplossing die altijd in elke DIY Antenne Tuner werkt. In fig. G zie je de drie alternatieven weergegeven. Bij de derde optie maak je meerdere spoelen met elk afzonderlijk een inductie die slechts een deel vormen van de totale inductie die je nodig hebt.

 

spoel met schakelaar de beste oplossing voor een antenne tuner

 

Elke spoel staat zo opgesteld dat hij de andere spoelen niet kan beïnvloeden.

Samen vormen ze de totaal gewenste inductie met de schakelaar kunnen ook nu spoelen (dus delen van de totale inductie) worden uitgeschakeld.

Omdat nu in de uitgeschakelde spoelen geen spanning wordt opgewekt gebeurt hier ook niets waar we last van zouden kunnen krijgen.

Voor een breed inzetbare DIY Antenne Tuner is deze laatste optie wat meer bewerkelijk maar ideaal als je er vanuit het resultaat naar kijkt.

 

 

Hoeveel inductie en welke capaciteiten heb je nodig?

De vraag is hoeveel inductie en welke capaciteiten je nodig hebt in het Pi-filter van je DIY Antenne Tuner? Het antwoord hierop is afhankelijk van de frequentie waarop je wilt werken.

Maar los van die frequentie kan de vraag naar de capaciteit van de onderdelen in het PI-Filter al worden beantwoord. Lees even met me mee.

 

 

Basisprincipes voor impedantieaanpassing

Voor mijn LPAM Antenne Tuner moet ik een EL84 in klasse A die een belasting van 4500 Ω waardeert matchen met een antenne die gevoed wordt vanuit een 50 Ω coaxkabel.

De basis voor impedantieaanpassing vinden we in het gegeven dat voor een serieschakeling van een weerstand en een impedantie kan worden vervangen door een paralelschakeling van een weerstand en een reactantie (een spoel of een condensator).

 

Antenne Tuner Serie en Paralelkring met zelfde resultaat

 

De twee schakelingen in fig. 1 vertonen uitwendig dezelfde impedantie Z (=weerstand plus reactantie) en dezelfde faseverschuiving tussen stroom en spanning. Maar de waardes van de weerstand en de reactanties in beide circuits verschillen.

Voor het bepalen van de waardes van deze DIY Antenne Tuner onderdelen heb je de kwaliteitswaarde van de circuits nodig, de Q waarde.

Die waarde bepaal je bij de serieschakeling uit:

Q= Xs/Rs             (formule 1)

ofwel Xs= Q * Rs

en bij de parallelschakeling

Q= Rp/Xp             (formule 2)

Aangezien de twee schakelingen uitwendig hetzelfde gedrag laten zien mogen we aannemen dat de Q factor in beide schakelingen gelijk is.

Hieruit volgt dat:

Xp= Rp / Q           (formule 3)

Rp= Xp * Q

De waarde van de weerstand in de parallelschakeling is gelijk aan de weerstand in de serieschakeling maal (Q2 + 1).

Dus:

Rp= Rs(Q2 + 1)     (formule 4)

 

Praktijkvoorbeeld

Wij wilden 4500 Ω aanpassen aan 50 Ω. Daarom nemen we voor Rs is 50 Ω. Voor Rp nemen we 4500 Ω.

Uit formule 4 volgt Rp/Rs = Q2 + 1 ofwel:

Q= √Rp/Rs-1 Q= √(4500/50)-1 = √90-1= √89 = 9,4

Xs wordt dan Q* Rs = 9,4 * 50 = 471

Xp wordt dan Rp/Q = 4500/9,4 = 476

 

Antenne Tuner voorbeeld van Serie en Paralelkring die onderling uitwisselbaar zijn

 

Antenne Tuner voorbeeld van uitwisselbare Serie en Paralelkring met condensatoren

In dit voorbeeld zijn inducties gebruikt maar capaciteiten met dezelfde ohmse waardes zouden hetzelfde effect hebben gegeven.

 

Een rekenvoorbeeld voor de DIY Antenne Tuner

Stel dat we in de coaxkabel van 50 Ω een vermogen van 5 Watt willen pompen (vermogen P = I2*R). Dan moeten we daarvoor √(5/50) = 0,31A aanbieden bij een spanning van (U = I*R) = 15,8V.

Omdat er een weerstand van 471 Ω in serie met de coax belasting staat moet de spanning aan deze schakeling worden opgehoogd om door de hele schakeling een stroom van 0,31A te veroorzaken.

De inductieve weerstand danwel de capacitieve weerstand zijn niet ohms van karakter (ze veroorzaken een na-ijlende of een voor-ijlende stroom op de spanning).

Deze ‘weerstanden’ moeten daarom vectoriaal bij elkaar worden opgeteld. De totale impedantie van de seriekring is dan Z = √ (4712) + (502) = 473 ohm.

Om door 473 ohms een stroom van 0,31 A te krijgen moet een spanning worden aangelegd van U=I*R = 0,31 * 473 = 150V.

Omdat de inductie c.q. capaciteit geen vermogen soupeert is het vermogen dat wordt opgenomen nog steeds 5 Watt.

De impedantie die de spanningsbron ziet is dan R= U2/P = 1502/5 = 4500 ohm.

Die seriekring presenteert zich dus naar de spanningsbron als een impedantie van 4500 ohm. Die 4500 was de belasting die we zochten voor onze eindbuis!

Nu zou een belasting van 4500 ohm op een spanning van 150V maar een stroom van 0,033 A veroorzaken en dat is verre van de 0,31 A die we zochten in onze coax belasting van 50 ohm.

Daar is een oplossing voor.

 

 

De opstap naar een pi-filter; een L filter

L filter als opstap naar pi filter

Uit het voorgaande weten we dat de Xserie en de Rserie samen een impedantie van 4500 ohm vertegenwoordigen. Daarnaast zagen we dat die -Xp met daaraan parallel 4500 ohm ook 4500 ohm oplevert.

De spanningsbron Rp ‘ziet’ (vandaar de pijl) dus een impedantie in deze schakeling van 4500 ohm.

Nu is het kenmerk van een schakeling met een spoel en een condensator dat tussen die twee hoge stromen heen en weer ‘klotsen’. Je kunt het vergelijken met water dat in een watertank heen en weer klotst.

Vandaar de bijnaam ‘tankkring’ voor zo’n schakeling.

Van die hoge stromen die tussen deze twee elementen heen en weer stromen merk je aan de buitenkant van de LC kring niets.

Aan de ‘buitenkant’ laten de condensator en de spoel een hoge impedantie naar de spanningsbron zien terwijl aan de ‘binnenkant’ tussen die spoel en condensator hoge stromen heen en weer lopen.

Die veel hogere stroom loopt dus ook door de belastingweerstand Rserie. In de praktijk is die Rserie onze coaxkabel.

Zo krijg je een overdracht van vermogen van een spanningsbron van 4500 ohm naar een belasting van 50 ohm. Voor een impedantie aanpassing en optimale vermogensoverdracht zijn we nu klaar.

Maar we willen in onze DIY Antenne Tuner ook filtering van hogere harmonische signalen. Signalen die in zenderschakelingen nogal eens willen optreden.

Voor dat laatste is een PI-filter meer geschikt.

 

 

Van L-filter naar PI-filter in de DIY Antenne Tuner

Een pi-filter heeft als voordeel dat naast impedantie aanpassing er ook filtering van hogere harmonische frequenties plaatsvindt.

Een pi-filter is nu eenvoudig de serieschakeling van twee L filters die ruggelings met elkaar worden verbonden. Hoe gaat dat in zijn werk?

 

Een dubbel L filter als opstap naar een pi filter

 

Daar waar bij het linker L-filter de hoogohmige aansluiting parallel aan de condensator -Xp1 is aangesloten is dit aan de rechterkant met de belastingweerstand Rs2 ook gebeurd.

De consequentie is dat voor beide L-filters de fictieve weerstand Rs1 nu de laagohmige kant van het filter representeert.

Rs1 moet dus een lagere weerstand kennen dan RP en dan Rs2.

Kies ik nu een Q van 10 dan moet Rs1 lager dan 50 ohm uitkomen.

Gebruiken we de bovenstaande formules opnieuw dan is:

Rs1=4500/((102)+1) = 44,5 Ω (formule 3 waarbij RP nu bekend is en Rs1 onbekend)

Xp1 = 4500/10 = 450 Ω  Xs1 = 10*44,5 = 445

In de rechtse, de output kant van het filter kunnen we nu ook de Q factor bepalen.

Q1 = √(Rs2/Rs1)-1 = √(50/44,5) = √1,12 = 1,058

Vervolgens:

Xp2 = Rs2/Q = 50/1,058 = 47,2

Xs2= Rs2*Q = 50*10 = 52,9


 

Beide L-filters kijken dus in het midden naar 44,5 ohm.

Die weerstand in het midden kan daarom weggelaten worden. Ze kijken naar elkaar en zien bij de ander 44,5 ohm.

 

voorbeeld van dubbel L filter

 

Je kunt hier enigszins mee spelen. Ik ben voor dit voorbeeld links op een Q factor van 10 gaan zitten.

Je zou ook een Q factor 12 of 14 kunnen nemen. Zolang de uitkomst maar is dat de Rs1 weerstand lager is dan Rp en lager dan Rs2.

 

 

Beschikbare onderdelen voor je DIY Antenne Tuner kunnen je keuze bepalen

De keuze die je maakt voor een bepaalde rekenkundige Q factor kan afhankelijk zijn van factoren zoals de beschikbare onderdelen voor je DIY Antenne Tuner.

Maar ook een factor zoals stevige harmonische demping kan een rol spelen. Dan wil je zoveel mogelijk inductie.

Verder speelt de zendfrequentie waar je hoofdzakelijk op wil uitzenden een rol.

 

Spoelen samenvoegen

De twee spoelen XS1 en Xs2 kunnen samengevoegd worden tot 1 spoel. Die spoel krijgt dan de waarde van de rekenkundig opgetelde afzonderlijke waardes.

 

 

Een PI-filter voor een EL84 zendbuis en een frequentie van 628 kHz (LPAM)

Ik neem het eerste rekenvoorbeeld met een Q waarde van 10.

praktijk voorbeeld pi filter voor de DIY Antenne Tuner

 

De waardes van de onderdelen in het Pi-filter volgen bij 0,628 Mc weer uit enkele formules.

Inductie = L. Frequentie = F. Capaciteit = C.

Reactantie (schijnbare weerstand) = X

Noot: Een spoel bezit naast de schijnbare weerstand ook een lage zuiver ohmse weerstand. Die kombinatie noemen we de impedantie = Z. We gaan er in deze voorbeelden vanuit dat er alleen sprake is van reactantie.

De spoel wordt nu 445 + 52,9 = 497,9 ohm.

L volgt uit de formule XL=2πFL = 126 µH

C zendkant = XC = 1/(2πFC) = 563 pF.

C antennekant zelfde formule = 5372 pF.

 

Pi filter voor 628 kHz

 

 

 

Meerdere frequentiebanden bestrijken met een DIY Antenne Tuner

Nu de basiswaardes bekend zijn is het een kwestie van frequentie aanpassen in de formules en je hebt de onderdeel waardes van alle componenten op willekeurig elke amateurband.

Leuk dat we nu snappen hoe het werkt maar praktisch is dit niet,

 

Aan de slag met een DIY Antenne Tuner?

Het kan eenvoudiger

Volg de link voor een eenvoudig hulpmiddel voor het berekenen van je Pi Filter onderdelen: eenvoudig pi-filter reken tool

 

 

Nawoord bij DIY Antenne Tuner

Alle berekeningen zijn afhankelijk van de Q factor, de kwaliteitsfactor van de PI kring. Die Q factor wordt voornamelijk beïnvloed door de ohmse weerstand van de spoel en de capaciteit die de spoel ook inbrengt.

Ook de capaciteit van de bedrading in de tuner speelt een rol.

In de praktijk zullen de waardes van de te gebruiken componenten daarom afwijken van berekende waardes.

DIY Antenne Tuner foto

 

Klik op afbeelding voor grotere weergave

Dit experiment, schema van DIY Antenne Tuner

In dit experiment (zie afbeelding boven en links) bleken de ferriet ringen te weinig windingen te kennen en daarom een te hoge Condensator Capaciteit te bevatten (zie voor uitleg: De geheimen van een Ringkern Ferriet HF spoel.

Hou daarbij in gedachte dat het PI-filter voor een optimale werking in resonantie moet komen op de zend/ontvang frequentie. Het filter vormt een LC parallel kring. De twee condensatoren van het filter staan in serie parallel aan de spoel.
-
Koos Overbeeke

 

Terug van DIY Antenne Tuner naar De radio Amateur Antenne & Aarde


 


Reactie van Site volgers


Hans

DIY Antenne Tuner

Ik wil alleen ontvangen op de k.g vanaf 3 Mhz tot 30 MHz, wat mag ik weglaten, ik gebruik een miniwhip antenne op het balkon en een kortegolf radio met externe ingang een Sanguan ATS505.

..Koos

Hallo Hans, Goede vraag en ja, je kunt heel veel weglaten.

Het aanpassingsschema wordt ook anders want als luister amateur is vermogensoverdracht niet zo van belang. Je wilt zoveel mogelijk antenne spanning in je radio krijgen.

 

De afstemming is afhankelijk van de capaciteit en de inductiewaarde van de antenne en de radio. Maar met dit schemaatje moet dat kunnen lukken.

Regel eerst hoeveel spoelinductie je in gaat zetten. Lage frequenties, veel spoel, hoge frequenties weinig spoel.  

Vervolgens regel je aan de ontvanger kant op max signaal in een bepaalde band. Daarna de antenne. Het kan zijn dat je daarna opnieuw de kant van de ontvanger moet bijstellen en misschien ook de spoel nog waarna je opnieuw de capaciteiten moet bijregelen.

Succes, laat eens weten hoe je bent gevaren en voor nu,

Een Hartelijke Groet, Koos

 

Hans

Bedankt Koos.

Ik heb het filter af en gebouwd en werkt leuk, ik gebruik het s'avonds  en heb verbetering in ontvangst.

 


Bas

Hallo Koos, wat voor geleiders heb je gebruikt bij die witte spoel bovenaan de pagina?

..Koos

Hallo Bas,

Die geleidingen zijn Grommet Edging strips die ik op de buis lijm.

Werkt mooi.

In de USA kun je die bij elke bouwmarkt krijgen. Ze worden gebruikt om in installatiekasten draden netjes te leggen.

Hier helaas niet te vinden maar..  je kunt ze bestellen bij Mouser. Nummer 644-GE85-C

 

 

 

Je reactie en/of vraag
Vrijwel dagelijks ontvang ik vragen en reacties. Je krijgt altijd antwoord.

Bij publicatie zal alleen een Vraag en Voornaam zichtbaar zijn op de site.


Magic Word?