80m Selbstbau Transceiver mit Steuerung durch Arduino

Motivation

Klasse E Prüfung bestanden, was nun?

Als Novize hat man ja zum Gluck nicht so viel Auswahl an Bändern. Ich habe mich für meine ersten Gehversuche für das 80m Band entschieden:

• DX-fähig und Frequenzen von 3.5 .. 3.8 MHz sind für den unerfahrenen
• Selbstbauer noch am ehesten beherrschbar.

Das Aufbauen von Bausätzen (RockMite fertig, SW80+ liegt noch in der Tüte) hatte mir aber zu wenig Lerneffekt, die Designer der Kits hatten schon den größten Teil des Spaßes. Viele Kits kommen auch (Mangels genügender potentieller Käufer?) nicht oder nur verspätet als 80m Versionen auf den Markt. Meine Internet-Suche nach Ideen fuer eine Eigenkreation ergab immerhin etliche Treffer.
Viele der veröffentlichten 80m Selbstbau-Transceiver arbeiten jedoch quarz-gesteuert fix auf einer Frequenz die sich evtl. durch Spulen / Kondensatoren noch um einige kHz ziehen lässt. Mir schwebte aber eher ein wilder Mix aus analog und digital vor.

Da bau ich mir doch mal einen eigenen 80m Transceiver …

Fernziel

• QRP Transceiver für das gesamte 80m Band
• CW und PSK31
• Portabel-Betrieb mit hoher Effizienz
• Class E Power Amplifier mit 5 … 10 Watt in 50 Ohm
• PA als Push-Pull Stufe mit Wald-und-Wiesen, BS170
• DC Receiver mit Polyakov Mixer

Oszillator

Mein erster Ansatz war eine Software DDS mit ATTiny861 und R-2R DAC. Dieser Sinus sollte dann entweder durch einen Frequenz-Vervielfacher oder einen NE602 Mixer und einem 4,33MHz Quarz in das 80m Band gebracht werden. Meine DDS Lösung erreichte Frequenzen bis 1 MHz. Ich hatte aber Probleme ein gut funktionierendes Rekonstruktions-Filter am hochohmigen (10 kOhm) DAC Ausgang aufzubauen. Ein zweiter Aufbau mit nominal 500 Ohm R-2R DAC war eine noch größere Katastrophe: Der ATTiny861 zog massiv Strom, was die ganze Schaltung unbrauchbar machte. Ich habe aber immerhin viel über DDS gelernt ;-).

Nach vielen Wochen fruchtlosen Probierens habe ich diese Idee erstmal auf die Seite gelegt und mache nun mit einem Si570 Signal-Generator Chip weiter. Das folgende Block-Diagramm enthaelt der Uebersichtlichkeit halber nur den Push Teil der Endstufe.

Abb. 1 - Blockdiagramm

Zum Si570: Ich habe die CMOS Version genommen. Die kostet nur ca. 12 EUR. Die CMOS Version kann lt. Hersteller Rechteck Signale zwischen 10 und 160 MHz generieren. In der Praxis erreicht der Chip aber stabil laufend Frequenzen von 3,45 bis 210 MHz.

Programmiert wird der Si570 über den I2C-Bus. Mit meiner für Arduino geschriebenen Firmware kann ich aktuell jede beliebige Frequenz zwischen 3,5 und 3,8 MHz auf 1 Hz genau einstellen. Selbst im nicht gekapselten Aufbau hält der Si570 diese Frequenz recht stabil (nach ca. 2 min driftet der Chip nur +/- 1 Hz).

Die Arduino Firmware sendet ueber den I2C-Bus eine Center-Frequenz in Form von Vorteilern etc. Für ein komplettes neusetzen der Mitten-Frequenz müssen sechs 8bit Register berechnet und über I2C-Bus geschrieben werden. Im Endausbau wird der Arduino durch einen ATTiny861 ersetzt. Frequenz-Einstellung erfolgt dann entweder über zwei Potentiometer oder über einen Dreh-Encoder. Der Chip braucht ca. 10 ms nach Ende des I2C Schreibvorganges, um seine interne PLL zu stabilisieren. Erst danach liegt am Ausgang ein Rechteck Signal an (ca. 3 Vpk-pk in 1 kOhm Last).

Spaßig: Die PLL im Si570 arbeitet im Bereich von 4,5 .. 5,5 GHz. Sobald ich Spannung an den Si570 lege, setzt an meinem Computer das 5 GHz WLAN aus. Der Si570 muss also zwingend gekapselt werden. Meine Dead-Bug Platzierung des Chips mit seinem Metalldeckel nach unten auf die Masseflaeche war im Nachhinein eine schlechte Idee: Dies war zwar die einfacher loetbare Variante aber der Metalldeckel kann so natürlich keine RF mehr blocken …

Abb. 2 - Leiterplatte mit Si570

Will man kleine Änderungen um die einmal gesetzte Mittenfrequenz machen, kann man den Si570 schneller umprogrammieren. Änderungen von +/- 3500ppm, dies entspricht +/- 13.3 kHz im 80m Band, um diese Mittenfrequenz werden in weniger als 100 µs erledigt. Die aktuelle Firmware hat dieses Feature noch nicht. Das ist aber schnell zu implementieren, da dafür nur ein Subset der Schritte gebraucht wird, die für große Frequenzsprünge abgearbeitet werden müssen.

Ich füge hier mal einen Link auf ein weiteres Projekt ein, welches als alternativer Oszillator Verwendung finden kann: Flexibler Quarz-Oszillator auf Basis Si504

Treiber

Den Ausgang des Si570 habe ich über einen 100 nF DC Block Kondensator auf einen Balun (Amidon FT37-43, 0.3mm CuL) geführt. Der Balun hat zwei Aufgaben. Zum einen erzeugt er zwei komplementäre Signale für die Treiber-Eingänge der Push-Pull Endstufe. Zusätzlich transformiert er die Spannung nach oben, da der von mir verwendete MOSFET Treiber TC4427AE mit + 1,5 Vpk nicht durchschalten würde. Das von mir gewählte Windungsverhältnis von 5:15 sollte eigentlich aus den 1,5 Vpk auf der Primärseite 4,5 Vpk auf der Sekundärseite machen. Leider sehe ich am Oszi +6 Vpk. Diese 6 V wären nicht schlimm, aber da das Signal symmetrisch ist kommen bei der negativen Halbwelle leider -6 Vpk raus. Diese liegt ausserhalb der Spec des TC4427AE. An den Input Pins dürfen max. 5 V weniger als GND anliegen. Da muss ich wohl später noch eine Windung auf der Primärseite dazugeben. Wieder mal ein gutes Beispiel das Theorie und Praxis manchmal nicht übereinstimmen.

Warum habe ich den TC4427AE als MOSFET Treiber genommen? Ich habe ein Dutzend recht billig auf Ebay gefunden und fühle mich noch nicht stark genug, einen eigenen diskreten schnellen MOSFET Treiber zu bauen. Der TC4427AE schaltet bei den geringen Gate-Kapazitäten die BS170 im fast noch einstelligen Nanosekunden Bereich ein/aus. Der Treiber hat zusätzlich symmetrische An-/Ausschaltzeiten. Dass traue ich mir mit einem selbstentwickelten diskreten Aufbau (noch) nicht zu. Schnelles Umschalten ist aber wichtig für gute Effizienzwerte der PA Stufe. Die MOSFETs überhitzen sonst.

PA

Die Class E PA ist noch im Aufbau/Test. Etwas Sorge bereiten mir die zu erwartenden recht hohen Spannungen im Class E Anpass-Netzwerk. Kondensatoren, wenn sie stark belastet werden, verringern teilweise ihre effektive Kapazität. Ich bin deshalb gerade dabei, mir einen Grundstock an Hochvolt Styroflex Kondensatoren im pF Bereich aufzubauen.

Die PA Stufe ist sehr empfindlich gegenüber Fehlanpassungen am Ausgang. Bereits bei ordentlicher 50 Ohm Terminierung habe ich Vdss >= 45 V. Der BS 170 ist aber nur bis maximal 60 Volt Vdss spezifiziert. Die PA arbeitet also immer im Angesicht ihres eigenen Todes. Hier werde ich wohl noch eine 60 V Leistungs-Zener einbauen. Inwieweit ich dann die 388 pF Kondensatoren parallel zu den BS170 verändern muss, muss ich experimentell ermitteln.

Immerhin habe ich schon mein 20dB Dämpfungsglied (max. 25 W Input) zum laufen gebracht. Den Endstufen Tests steht also nichts mehr im Wege.

Abb. 3 - Leistungsdämpfungsglied

Step-Down Power Supply

Abb. 4 - Aufbau Abwärtswandler

Der Si570 verlangt zwingend nach 3,3 V Vcc. Um Logic Level Converter zwischen Si570 und dem steuernden Microcontroller zu vermeiden, habe ich mich für generell 3,3 V Vcc entschieden. Da der Si570 bis zu 100 mA zieht, würden über einem Linear-Regler (12 V - 3,3 V) 100 mA = 870 mW Verlustleistung in Wärme umgesetzt. Das erschien mir für einen QRP Transceiver als zu viel. Deshalb habe ich einen Step-Down Konverter auf der Basis des MC34063 eingebaut. Ich weiss noch nicht, ob das im Betrieb zu Störungen führen wird. Generell werde ich den ganzen Digital-Teil (MC34063, Mikrocontroller, Si570) später in ein eigenes Weissblechgehäuse einsetzen und die Power Supply Leitungen verdrosseln und gegen Masse abblocken.

Praktischer Aufbau

Meine Inspiration war eine Beschreibung des SMD Manhattan Style. Für HF-taugliches Prototyping ist diese Methode ideal. Ich habe leider ein gestörtes Verhaeltnis zu PCB Layout-Programmen. Am weitesten bin ich noch mit DipTrace gekommen, aber auch dort war ich immer wieder frustriert.

Ich habe mir mit einer Tisch-Kreissäge einen Vorrat an 4 mm, 2 mm und 1 mm breiten Leiterbahn-Streifen angelegt. Ausgangsmaterial war 0.5 mm dickes einseitig 35 μm kaschiertes FR4. Dieses Material habe ich bei Segor gefunden. Leider ist es dort nur mit Foto-Lack beschichtet zu bekommen. Diesen habe ich mit Azeton runtergewischt. Zum Sägen kann ich nur das Diamant-Sägeblatt empfehlen. Andere von mir benutzte Sägeblätter verkanteten/verklemmten beim Sägen.

Abb. 5 - Manhattanstreifen

Für den eigentlichen Aufbau verwende ich einseitig kaschierte Pertinax Platinen im Euro-Format (billig) und baue meine Schaltungen auf dieser durchgehenden Groundplane auf.

Abb. 6 - Aufbau Sender

Mit dem Seitenschneider werden passende Leiterbahnzüge zurechtgeschnitten. Diese Schnipsel werden dann mit kleinen Tropfen Sekundenkleber aufgeklebt und darauf die Bauteile gelötet. Dies funktioniert bei mir zuverlässig bis zu SOIC Gehäuse-Abständen von 1.27 mm. 0805 SMD Bauteile sind auch kein Problem. Eine Lupenleuchte und Pinzette sind aber notwendig. Die 1 mm Streifen muss man schnell löten, da sich sonst aufgrund der Hitze unter Umständen die Kupfer-Schicht ablöst.

Autor: Uwe, DO8UL