Lithium-Ionen-Akkus in eigenen Projekten

Bild 1 , Akkupaket aus einem Camcorder

Lithium-Ionen-Akkus werden seit etwa 20 Jahren eingesetzt. Es gibt etliche Arten, die sich durch das Material der Elektroden und des Elektrolyten unterscheiden. Wenn der Elektrolyt in Form einer Paste vorliegt, spricht man von Polymer Akkus. Mehr dazu und eine Erklärung der Funktion findet man bei [1].

Li-Ion-Akkus werden verbaut ,wo viel Energie bei kleinem Volumen nötig ist. Anfangs waren es Mobiltelefone, hochpreisige Notebooks, heute findet man sie vom Akkustaubsauger bis zur elektrischen Zahnbürste. Das Aufmacherbild zeigt ein typisches Akkupaket aus einem Camcorder. Auch in der CQ-DL wurden sie beschrieben und wie man sie nutzen kann. [2].

Sie sind eigentlich optimal, verlangen aber sorgfältigeBrhandlung. Ein  Hersteller von Edeltelefonen musste das auch erfahren: Viele Exemplare eines Handymodells erwiesen sich als kleine Brandbomben. Sie durften nicht mehr in ein Flugzeug, es gab es einen Gesamtrückruf. Der Versand von Li-Ion-Akkus ist nur noch in mit einem spezifizierten Aufkleber gekennzeichneten Paketen erlaubt. Manche Paketdienste verweigern den Transport von Geräten mit Li-Ion-Akkus. Das halte ich zwar für übertrieben, es zeigt aber, dass man einige Regeln beachten sollte!

Information: Die Akkus enthalten auch Lithiumverbindungen, ein Alkalimetall. Diese Metalle sind sehr reaktionsfreudig und brennen leicht, besonders gut beim Kontakt mit Wasser! In den Zellen ist zwar kein metallisches Lithium, aber auch die Verbindungen haben es in sich. Sogar die Feuerwehr hat Probleme, brennende E-Autos zu löschen, oft erfolgt immer wieder eine Selbstentzündung. Sie versenkt deshalb gelöschte E-Autos zur Abkühlung einige Tage komplett in einem wassergefüllten Container. Klingt erst mal abschreckend, aber wir fahren heute mit Autos herum, die 15 mal mehr Energie im Tank haben. Das akzeptieren wir auch.


Was Li-Ion-Akkus nicht mögen:

  • Mechanische Beschädigungen, der Grund s.o.
  • Tiefentladung unterhalb von etwa 2,5 V . Lithium-Polymer-Akkus müssen sogar oberhalb von 3,3 V bleiben.
  • Laden über die Ladeschlussspannung hinaus. Das sind ca. 4,2 V, der Wert ist aber typabhängig. Bei Überschreitung kann der Akku eine ganz heiße Nummer werden.
  • Kurzschlüsse (auch kurzzeitig), sie führen zur Überhitzung.
  • Temperaturen oberhalb von 80 °C. Die Zellen „gehen durch“ und können brennen.
  • Tiefe Temperaturen, die hinterlassen aber keine bleibenden Schäden.

Bei der Tiefentladung geht Elektrodenmaterial im Elektrolyten in Lösung. Beim „Wiederbeleben“ der Zelle wird das Material wieder an der Elektrode abgeschieden. Das erfolgt aber unregelmäßig, der Separator in der Zeile kann durchdrungen werden, was einen Kurzschluss bedeutet. Anleitungen zur „Wiederbelebung“ im Netz sind unverantwortlich! Wird der Akku zu heiß, wird der Elektrolyt chemisch verändert und brandgefährlich. Polymer-Akkus blähen sich außerdem durch entstehende Gase auf. Die sollte man dann umgehend aus der Wohnung entfernen

Bild 2, Akkubox mit Warnhinweis

Amateure haben deshalb lange Li-Ion-Akkus in eigenen Projekten gemieden Ungeschützte Li-Ion-Akkuzellen findet man kaum bei Elektronikhändlern. Die sind dann mit  Warnhinweisen versehen. (Bild ) Offenbar fürchtet man bei eventuell auftretenden  Schäden durch diese Akkus eine Mithaftung.


Kontaktaufnahme

Notebookakkus, die man früher noch entnehmen konnte, wurden von  Bastlern, heute heißen die Maker, untersucht. Ziel war es, sie in anderen Geräten zu verwenden.

Das Ergebnis ist ernüchternd: 4 bis 5 Anschlusspins, aber auf keiner Kombination davon war dem Akkus Spannung zu entlocken. Der Grund: Eine Schutzschaltung im Akkugehäuse kommuniziert mit dem Notebook über einen I2C-Bus und ohne diese Verbindung stellt sich der Akku tot. Beschrieben wurde das auch bei [3] in der CQ-DL. Das Notebook speichert Informationen über die verbleibende Akkukapazität und noch viel mehr in einem EEPROM der Schutzschaltung. Diese überwacht die 3 bis 5 in Reihe geschalteten Einzelzellen und sendet die Informationen an das Notebook. Was gespeichert ist und wie man es ausliest, findet man in einem Artikel bei [6].

Powerbanks, eigentlich gedacht, die Reichweite von Handy-Akkus zu erweitern, sind beliebte  Objekte bei der Suche nach Energiespeichern. Geladen werden sie über eine USB-Buchse, ein Laderegler begrenzt die Ladeendspannung der Akkuzelle(n) auf ca. 4,2 V. Bei der Entladung wird die Spannung über einen Step-Up-Wandler von den 3 V bis 4,2 V der Zelle auf 5 V erhöht, die stehen an einer anderen (!) USB-Buchse zur Verfügung. Das zeichnet sie für eigene Projekte aus: Laden erfolgt problemlos per Handy-Netzteil, die Ausgangsspannung ist fast konstant 5 V. Aber: Alle mir bekannten Powerbanks schalten sich nicht nur bei entladenem Akku ab, sondern auch bei fehlender oder geringer Last. Das geschieht wohl, damit der Step-Up-Wandler nicht durch seinen Eigenverbrauch den Akku leer lutscht. Nach meiner Erfahrung erfolgt die Abschaltung unterhalb von etwa 50 mA Ausgangsstrom nach 1 bis 2 Minuten. Wo 5 V genügen und eine Grundlast vorhanden ist, haben wir eine preiswerte, kompakte Energiequelle, DL7VFS hat das in [2] beschrieben.


Andere Wege existieren, Akkubauformen sind genormt. Bei Li-Ion-Zellen findet man oft den Typ 18650. Wie bei der Primärzelle CR2030 die Zahl über den Zelldurchmesser 20 mm und den Durchmesser 30 Zehntelmillimeter (!) informiert, hat eine 18650-Zelle einen Durchmesser von 18 mm und die Länge 65,0 Millimeter. Das ist etwas größer als eine AA-Zelle. Trotzdem gibt es dafür Halter (Bild 3), sodass man die Zellen in Schaltungen einsetzen kann.

 

Bild 3, Akkuhalterung mit 18650-Zelle

Zum Laden kann man sie entnehmen und in einem Standardlader (Bild 4) wieder  mit Energie betanken. Man muss allerdings selbst dafür sorgen, dass keine Tiefentladung eintritt.

Bild 4, Standardladegerät, für Li-Ion geeignet


Die Lösung sind Zellen dieses Typs, die ein BMS (Battery Management System) haben Das ist ein Modul, das die Zellen unterhalb der Entladeschlussspannung abschaltet und auch bei Erreichen der Ladeendspannung den Ladevorgang abbricht. Einige dieser Zellen sind durch das BMSein wenig länger als 65 mm. Andere Zellen haben die Normgröße  und die Ladung erfolgt über eine Micro-USB-Buchse an der Zelle. Akkus mit Normmaßen und BMS können wie  normale Akkus verwendet werden. Es lohnt ein Blick zum norddeutschen Händler mit dem R, der führt inzwischen viele Zellformen. Trotz BMS sind bei der Reihenschaltung solcher Zellen zusätzliche Schutzdioden erforderlich. Das ist aber noch suboptimal.

Praxis

Schalten wir trotzdem einmal  mehrere 18650-Zellen ohne BMS  in Reihe, schauen uns aber vorher bei Elektronikhändlern um. Im Fachhandel für Modellbau und auch beim E-Kauf findet man relativ günstig sogenannte Cell-Balancer. (Bild 5)

Bild , 5 Balancer für je 4 Zellen

Man verbindet sie so wie in Schaltung (6) mit den Zellen. Die Cell-Balancer messen ständig die Spannung aller Einzelzellen und schalten den Ausgang des Akkus ab, wenn auch nur eine der Zellen die Entladeschlussspannung unterschreitet, oder die Ladeendspannung überschreitet. Bild 6 zeigt das schematisch. Das Akkupaket ist so geschützt.


Bild 6, Wirkungsweise des Balancers

Eine weitere Funktion kommt hinzu: Wenn auch nur eine Zelle die Ladeendspannung erreicht, müsste man eigentlich den Ladestrom abschalten, die übrigen Zellen werden nicht ganz geladen. Ist eine Zelle fast vollständig geladen, wird über einen Bypass per MOSFET ein Widerstand  parallel zu dieser Zellegeschaltet. Ein Teil des Ladestroms wird an dieser Zelle vorbeigeleitet und „verheizt“, etwas vereinfacht dargestellt. Auch die Baugruppe, die in [3] analysiert wurde, arbeitet so. Sind alle Zellen geladen, erfolgt die Abschaltung. In [4] wird das Verfahren ausführlich erklärt. Ob ein China-Produkt wirklich auch diese Funktion hat, kann man über die Erwärmung der größeren Widerstände kurz vor Ladeschluss feststellen.

Es gibt auch aktive Cell-Balancer, die über trickreiche Schaltregler, die Energie bereits vollständig geladener Zellen auf andere Zellen übertragen [5]. Ebenso kann ein Ladungsausgleich zu entladenen Zellen stattfinden. Diese Technik  findet man in den einfachen Schaltungen aber nicht. (Bild 7)

 

Bild 7, aktiver Balancer für 4 Zellen

Cell-Balancer gibt es für verschiedene Zellenzahlen und Lade- und Lastströme. Sie sind oft für bestimmte Akkutypen, wie den 18650, spezifiziert. Da kann man nicht mehr so viel falsch machen. Sie begrenzen in der Regel auch den maximalen Entladestrom und wirken als elektronische Sicherung.


Dimensionierung:

Nutzt man andere Akkutypen mit Cell-Balancern, muss man auf den maximal zulässigen Strom achten. Meist wird der Maximalstrom bei den Platinchen angegeben, das sind oft Mondwerte, maximal 50% davon sind realistisch. Noch wichtiger ist die Einhaltung der maximalen Ladendspannung, sie hängt von der Bauweise des Akkus ab. LiFePO4—Akkuzellen sind dabei besonders sensibel, auch bei Akkuzellen, die wie Tütchen aussehen (Polymer-Akkus), bitte genau recherchieren. Dazu noch eine Ergänzung:

Balancer werden als 3s-, 4s- oder auch 10s-Typ bezeichnet, je nachdem wie viele Zellen im Akku in Reihe geschaltet sind. Es gibt auch Akkus, bei denen mehrere Blöcke von parallel geschalteten Zellen dann in Serie schaltet sind, sie tragen eine ähnliche Bezeichnung. Ein 4s3p-Akku schaltet 4 Blöcke aus je 3 parallel geschalteten Akkus in Serie. Klingt kompliziert, das System sollte aber erkennbar sein.

18650-Zellen haben eine Kapazität von etwa 3 Ah. Drei parallele 18650-Zellenkommen dann auf ca. 10 Ah. Das ist etwa die Kapazität eines Akkus aus einer typischen Powerbank. Will man aus 4 dieser Powerbankakkus Akkupakete bauen, sollte der Balancer für 4s3p geeignet sein. Hier fließen aber höhere Ströme als bei vier 18650-Einzelzellen in Reihe. Aber Vorsicht: Powerbanks enthalten oft Lithium-Polymer-Akkus (Tütchenform), die dürfen nicht so weit entladen werden. Die Spannungsgrenzen von Akku und Balancer genau beachten!

Das sollte helfen, mögliche Kombinationen aus Akkus und Balancern zu finden, wenn es keine Angaben zur Strombelastbarkeit der Balancer gibt.

Nachtanken ist bei diesen Akkus recht problemlos. Man lädt sie mit konstantem Strom, wobei aber die Spannung begrenzt wird. Je höher der Ladestrom ist, desto stressiger ist der Vorgang für die Zeile. Wo kein Zeitdruck besteht, ist es sinnvoll den Ladestrom auf C/10 bis C/5 zu begrenzen. Das bedeutet für die 18650 er-Zellen einen Strom zwischen 300 mA und 600 mA. Die maximale Spannung wird typisch auf 4,2 V x Zellenzahl begrenzt. Bei vier Akkus in Reihe wären das 16,8 V. Zum Ladeschluss sinkt dann der Strom auf einen kleinen Wert ab. Es wäre also möglich, ein Labornetzgerät auf 16,8 V und 0,3 A einzustellen, um damit zu laden. Wir sollten in der Lage sein, eine kleine Schaltung zu entwickeln, die Ladebedingungen ermöglicht. Kleine Spannungsregler  15 V / 0,5 A erzeugen wenig Wärme, wenn man Schaltregler verwendet. Die Ladeschaltung ergänzt den Balancer um eine weitere Sicherheitsstufe.

Bild 8,Ladestufe mit Schaltreglerr


Vorsichtige Leute laden und testen selbstgebaute,  fertige Akkupaket erst einmal draußen. In meinem Umfeld sprach ein Elektriker einmal davon, seinen Pedelec-Akku mit neuen Zellen versehen. Es gab später einen Feuerwehreinsatz wegen eines Akkubrands und viel Sachschaden. Zwar  wurde nie darüber geredet, aber ein Zusammenhang liegt nahe. Sollte ein Akku wirklich einmal brennen, das beste Löschmittel ist ein Eimer Sand.

Aber bei sorgfältigem Vorgehen, wird man den nicht benötigen. Ebenso wie man bei entsprechender Vorsicht mit Hochspannung umgehen kann, ist das auch bei Li-Ion-Akkus möglich.

 

[1] de.wikipedia.org/wiki/Lithium-Ionen-Akkumulator

[2] CQ-DL 7/2021 S8

[3] CQ-DL 7/2021 S38, Wiederbelebung eines Notebookakkus

[4] en.wikipedia.org/wiki/Battery_balancing

[5] https://www.elektronikpraxis.vogel.de/worauf-es-beim-battery-balancing-von-lithium-ionen-akkus-ankommt-a-682080/

[6] https://www.heise.de/select/ct/2019/18/1566748989674181

 

 

LNB Umbau, August 2020

Nachdem mehrere LNB OPTICOM LTP 04H erfolgreich modifiziert wurden, gab es beim letzten Versuch einen Schock. Das Platinenlayout des LTP 04H ist grundlegend geändert worden. Das betrifft auch die Takterzeugung, das bisher verwendete „Kochrezept“ funktioniert so nicht mehr. Die Platine trägt als Datum nun den 20.8.2019, beim Vorgänger war das Datum aus 2018. Anzunehmen, dass nach und nach nur noch die neue Platine anzutreffen ist. Soweit die schlechte Nachricht.

 

Die gute Nachricht: Mit wenig Mühe lässt sich auch das neue Modell für uns modifizieren, dass es in das 2 m Band direkt umgesetzt, wenn man die Takterzeugung vornimmt wie DK4RV in der CQ DLL vom April 2020 vornimmt. Bild 1 zeigt den geöffneten LNB im Originalzustand. Da es leichter zu realisieren ist, soll der obere F-Anschluss das Ausgangssignal abführen, über die untere Steckverbindung wird das Oszillatorsignal eingekoppelt. Über den oberen Anschluss soll auch die Stromversorgung erfolgen, das ist aber nicht verpflichtend.

Raustreten!

Die winzige Spule, die direkt unterhalb der oberen Buchse auf die Leiterbahn gelötet ist, muss ersetzt werdn. Das ist die Speisedrossel, sie muss durch eine Spule mit höherer Induktivität ersetzt werden, diee Begründdung steht im ersten Tei. Mit einer feinen Lötkolbenspitze und einer feinen Pinzette lässt sich das Problem  „erfassen und lösen“.

Mit einem Entlögerät oder etwas Entlötlitze lässt sich der Pin der unteren F-Buchse ablöten, eventuell ist es nötig, ihn ein wenig nach oben zu biegen.

Dann muss doch der Quarz raus. Das habe ich mit einem Doppellötkolben (Tweezer) versucht und bin jämmerlich gescheitert. Der Quarz löste sich ganz leicht, allerdings mit den beiden Lötpads des Quarz. Die waren wohl noch nicht richtig warm. Glück im Unglück: Die Platine blieb brauchbar! Hier ist Geduld gefordert, eventuell eine Seite erwärmen, den Quarz vorsichtig hochbiegen und dann die zweite Seite ablöten.


Einzug der „Neuen“

An die untere F Buchse wird ein SMD-Kondensator mit 10 bis100 nF gelötet. Das zweite Beinchen dieses Kondensators wird über eine ganz feine Schaltlitze mit dem linken Pad des Quarzes verbunden (Bild 2).  Die waren an den mit dem roten X gekennzeichneten Stellen. Wegen des ungeschickten Vorgehens beim Auslöten musste die Leiterbahn zum Pad als Anschluss dienen.

Eigentlich könnte man die Speisedrossel auch dorthin löten, wo sie auch vorher saß. Allerdings ist die Baugröße des Originals nicht wirklich lötfreundlich, deshalb habe ich eine größere Bauform mit 5 µH verwendet. Sie wurde auf eine freie Stelle am oberen Spannungsregler auf die Platine geklebt. Der obere Anschluss der Spule wurde mit dem unteren Beinchen der Spannungsregler verbunden, das zweite Beinchen über einen Hilfsdraht mit der oberen F-Buchse verbunden.

Finale

Den Deckel montieren, über die obere Buchse 12 V zuführen. Die Stromaufnahme sollte bei ca. 120 mA liegen. Eventuell kann man in den Deckel im rechten Teil (!) noch eine Kunststofffolie einlegen. Etwas Silikon dichtet das Gehäuse ab, dann kann der LNB wieder in seine Hülle und eingebaut werden. Wir verwenden horizontale Polarisation, deshalb muss man den LNB um 90° verdreht einbauen, oder aber mit 18 V gespeist werden, damit die Umschaltung auf horizontale Polarisationsrichtung wirksam wird. Lötet man den unteren Drosselanschluss an die untere F-Buchse, kann man die Speisespannung über die Oszillatorleitung zuführen.

Funtionsweise

Der zentrale Chip, ein RD3567EM ist auch in diesem LNB  verbaut, prinzipiell musste das alte Verfahren auch hier funktionieren. Während in der alten Version des LNB  die Einspeisedrossel als mäanderförmige Leiterbahn ausgeführt war, sind hier SMD-Bauteile dazu verbaut. Unter der Lupe kann man mit einer nadelförmigen Messspitze die Gleichspannung vom Eingang aus verfolgen. Damit ließ sich das Bauteil unterhalb der oberen Buchse als Drossel identifizieren. Der kleine Punkt rechts neben dem Spannungsregler ist offenbar ein Abblockkondensator. Von dort geht es direkt zum unteren Beinchen des oberen Spannungsregler, an dem man die Eingangsspannung messen kann. Damit ist klar, wo die neue Drossel anzuschließen ist.

Das Oszillatorsignal von der unteren, stillgelegten Buchse wird mit dem Kondensator gleichspannungsmäßig entkoppelt an den Quarzanschluss geführt. Da der Quarz hier leicht zugänglich ist, wurde er entfernt sich, das vermeidet Nebenwirkungen. Der richtige Anschluss kann experimentell ermittelt werden. Es ist der linke Pin, über den die Rückkopplung erfolgt, wenn der Quarz verwendet wird. Als Pegel sollte hier knapp 1 V effektiv anliegen. Bei zu fester Ankopplung neigt auch der SI5153 dazu, nur noch "Müll" in Form eines breitbandigen Störsignals zu liefern.

Die Induktivität der Drossel wurde auf 5µH erhöht, um auch dann einen hinreichend großen Scheinwiderstand zu haben, wenn die Gleichspannung mit dem Oszillatorsignal (ca. 26 MHz) zugeführt wird. Wichtig ist weniger der Wert, neben der Baugröße ist  die Resonanzfrequenz der Drossel entscheidend. Sie muss oberhalt von 144 MHz liegen. Andernfalls bestimmt der kapazitive Scheinwiderstand der Wicklungskapazität das Geschehen. Der im ersten Teil genannte Händler (R...) bietet zu allen Bauteilen Datenblätter an, die Auskunft geben.

So geht es mit der neuen Platinenversion!

 

 

 

Das steht aber auf dem Dach!

 

Nach etwa 25 Jahren waren wir der Meinung, dass die alte Antenne doch mal zu ersetzen sei. Damals war noch eine 3m-Rundfunkantenne und eine Sperrtopfantenne (2m) auf dem "Spargel". Die Rundfunkantenne war bis auf die Halterung zerfallen (und inzwischen heruntergerasselt). Der Sperrtopf und die 2m-10-Element (Edelstahl) waren praktisch neuwertig. Trotzdem wurden alle Antennen ersetzt.

Dann gibt es noch Oskar100. Der wird bei etwa 3cm ganz konventionell mit einem 85 cm Spiegel an der Garage empfangen. Sat Antennen 05

Der LNB wurde auf eine Ausgangsfrequenz im 2m- Band hingebogen, wie das geht steht an anderer Stelle. So kommt dessen Signal sogar durch ein Fernsehantennenkabel. Der Uplink geschieht ausgehend von einem 70-cm-Signal über einen Konverter in Antennennähe über eine selbstgebaute 13 cm Helix. Die sieht nicht nach Antenne  sondern eher  nach Spielzeug aus.

Sat Antennen 02

 

Fast unauffällig: Eine FD4, die die Kurzwelle abdeckt.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Amateurfunk über Satelliten

Satelliten kann man so platzieren, dass sie von der Erde aus gesehen scheinbar an einem Punkt über dem Äquator fest stehen. So wird es möglich, dass wir darüber Fernsehempfang haben, ohne dass wir die Satellitenschüsseln ständig neu ausrichten müssen. Ohne auf die Theorie einzugehen: Eine Umlaufbahn von ca. 36.000 km über dem Äquator ist dafür erforderlich.

Weshalb macht man das?

Die normalen Fernsehsatelliten sind so gebaut, dass sie mit ihren Antennen nur immer einen sehr kleinen Teil der Erdoberfläche „ausleuchten“. So verhindert man, dass in Afrika ein Programm empfangen wird, dass z. B. für Italien gedacht ist. Wer nicht zahlt, sieht nichts. Man kann die Antennen auch so konstruieren, dass sie sogar etwas mehr als ein Drittel der Erdoberfläche mit ihren Funkwellen versorgen können. Satelliten strahlen aber nur das ab, was man ihnen vorher nach oben geschickt hat. Wenn man also den Satelliten am Himmel mit einem Funksignal anstrahlt, kann er es auf einen sehr großen Teil der Erdoberfläche zurücksenden. Damit ist z.B. eine Funkverbindung von Norwegen zum Satelliten und von dort aus nach Südafrika möglich.

Wie geht das in der Praxis?

Fernsehsatelliten senden normalerweise im Frequenzbereich zwischen 10.700 MHz und 12.750 MHz, den wir dann mit unserer“ „Schüssel“ empfangen. Mit dem LNB am „Arm“ der Schüssel auf den setzen wir es sofort auf den Frequenzbereich zwischen etwa 950 MHz bis 2150 MHz um. Die hohen Frequenzen können nicht mit vertretbarem Aufwand über ein Kabel transportiert werden. Unser Satellitenreceiver holt aus diesem Frequenzband den zu empfangenen Fernsehkanal.
Zwischen 10.000 MHz und 10500 MHz liegt das 3 cm-Amateurfunkband. strahlt ein Satellit wie QO 100 Amateurfunksignale aus, liegen die knapp unter 10.500 MHz. Deshalb kann man sie grundsätzlich mit einer normalen Satellitenanlage empfangen. Die Umsetzung im LNB funktioniert auch damit, allerdings liegen die Ausgangsfrequenzen für die Amateurfunksignale tiefer in einem für Amateure unfreundlichen Frequenzbereich bei ca. 739 Megahertz. Wie man das umgeht, sehen wir später.


Nun müssen auch Signale zum Satelliten hin. Dazu benutzt man Frequenzen vorhanden etwas mehr als 2400 MHz, die im 13 cm Amateurfunkband liegen. Die werden vom Satelliten empfangen, auf die hohe Frequenz umgesetzt und wieder abgestrahlt.
Genauer gesagt: Was der Satellit zwischen 2400 MHz und 2450 MHz empfängt, strahlt er 8089,5 MHz darüber wieder zurück. Allerdings darf der Amateurfunk nur einen kleinen Teil davon benutzen, der uns hier interessierende Bereich ist gerade 250 kHz breit.
Es gibt ein zweites breiteres von Amateuren verwendbares Frequenzband, das ebenso umgesetzt wird, das ist hier aber nicht betrachtet werden soll.


Grundsatzfragen

Wir müssen ein SSB Signal auf einer der Frequenzen im 13 cm-Band Richtung Satellit ausstrahlen. Je nach Antenne sind dabei zwischen 0,5 und 10 W Leistung erforderlich.
Zurück erhalten wir unsere Aussendung auf der entsprechenden Frequenz im 3 cm Band. Der Fernsehempfangs-LNB setzt dieses Signal auf ca. 739 MHz um. Der einfachste Weg dort etwas zu empfangen, ist ein SDR- Empfänger, den man mit einem normalen RTL-Stick bekommt. Sie wurden für den Fernsehempfang mit Notebooks konstruiert, aber sie sind mit geeigneter Software auch in anderen Frequenzbereichen geeignet. Eines der vielen Programme, die das leisten, ist das SDR-Uno. Man kann es grundsätzlich frei verwenden.
Einen guten RTL-Stick erhält man für ca. 25 €, jede normale Satellitenanlage reicht grundsätzlich aus, wenn sie auf QO 100 ausgerichtet ist! Der uns interessierende QO 100 steht 25,9° östlich der Nord-Süd-Richtung über dem Äquator, etwa dort, wo der zweite Astra-Satellit ist. Das ist 6,7° östlich vom Astra-Satellit, auf den die meisten Satellitenanlagen ausgerichtet sind. Der einfachste Weg zum Empfang führt über eine weitere Schüssel.

QO 100 Empfang in der Praxis

Dass Oscar 100 leicht empfangbar ist, wurde dazu schon beschrieben. Der Teufel steckt aber im Detail Deshalb soll der Aufbau eines stabilen Empfangszweigs mit einfachen Mitteln beschrieben werden.

Neben einem Satellitenspiegel benötigt man einen LNB. Der LNB sollte modifiziert werden. Im gekauften LNB wird heute LNB meist ein 25 MHz-Quarz verwendet. Ein Oszillator schwingt mit 9750 MHz, seine Ausgangssignal wird durch 390 geteilt mit der Quarzfrequenz, verglichen, eine PLL-Schaltung synchronisiert den Oszillator. Die 9,75 GHz sind das Oszillatorsignal für den ersten Mischer im LNB. Die Differenzfrequenz erhält im Normalfall der Satellitenempfänger. Auch bei konstanter Temperatur läuft der Quarz nach dem Einschalten ein wenig weg., durch den Faktor 390 bedeutet das für das Oszillatorsignal am Mischer schon einige Kilohertz. Das ist schlecht für SSB, das Signal ist dann nur mit Nachstimmen aufzunehmen.

Man benötigt ein stabileres Signal. Das kann ein 25 MHz OCXO liefern, der aber rar und teuer ist. Der passt aber nicht mehr in den LNB, also wird er ausgelagert. Der LNB wird umgebaut.

Auswahl des LNB

Typen, die sich vor einem Jahr als geeignet erwiesen, sind meistens nicht mehr lieferbar, ein Resultat der schnellen technischen Entwicklung. Derzeit hat sich z.B der OPTICUM LTP 04H bewährt und ist günstig verfügbar [1]. Es ist ein Twin-LNB, eine der F-Buchsen soll das umgesetzte Signal nach außen führen, die andere das externe Oszillatorsignal zuführen. Es gibt diesen LNB zwar mit verschiedenen Leiterplatten, alle in diesem Jahr gekauften Exemplare waren aber identisch. Der Haken bei der Sache: Wir müssen uns mit winzigen Bauteilen befassen.


Innenleben

Der Umbau

Wir müssen nur zwei Bauteile ergänzen und eine Leiterbahn unterbrechen. Die Teile sind ein SMD-Kondensator mit 1 nF  oder größer und eine SMD-Induktivität von 1 µH. Die Werte sind nicht kritisch, wohl aber die Größe. Für die „Riesen“ mit den Größen 1206 und 1210 ist es zu eng im Gehäuse, die Baugröße 1008 ist gerade machbar, für 0805 braucht man eine sehr ruhige Hand. Es ist wenig Platz im Gehäuse!

Das Plastikgehäuse lässt sich aufknipsen, drei unter Silikontropfen verborgene Schrauben (Torx 8) halten den Deckel. Nach Aufschneiden des Silikonrandes kann man den Deckel abheben. Darunter residiert neben vier Transistoren und zwei Spannungsreglern nur noch ein kleiner Chip. Einen Quarz sieht man nicht, der sitzt bei den neuen Versionen des LNB auf der Platinenrückseite und darf da auch bleiben. Die Platine bleibt im Gehäuse!

Zeigt die Antennenöffnung nach oben, soll die untere Buchse Signalausgang sein und die Speiseespannung zuführen. Die obere führt das Oszillatorsignal für die PLL zu.

Zunächst lötet man den Innenleiter an der oberen F Buchse (B) ab. Neben dem Chip sieht man ein kleines Quadrat aus vier Lötpunkten. Man muss an dem mit (A) gezeichneten Pin einen Draht anlöten. Geeignet ist ein Kupferlackdraht von 0,1 oder 0,2 mm Durchmesser oder ein Fädeldraht, wie früher zur Verdrahtung verwendet wurde. Mit einer feinen Lötkolbenspitze und 0,5 mm dickem Lötzinn gelingt das. Eine Leuchtlupe ist unverzichtbar. Da auch mindestens eine Hand fehlt, sind Hilfsmittel nützlich.  An der abgelöteten F-Buchse wird bei (B) der SMD Kondensator mit einem Beinchen angelötet. An den anderen Anschluss des Kondensators wird freitragend der vorher eingebaute Draht angelötet.

An der anderen, unbehandelten F-Buchse muss die mäanderförmige Leiterbahn (D) nahe an der Buchse unterbrochen werden. Das gelingt mit einem scharfen Skalpell oder einem Teppichmesser. An den Innenleiter der F-Buchse (C) lötet man ein Ende der Induktivität an. Dabei muss auch der alte Anschluss zur Platine erhalten bleiben! Das zweite Beinchen der Induktivität wird über einen weiteren Draht mit dem unteren Spannungsregler bei (E) verbunden. Man kann die Spule auf die Platine kleben und dann freihändig verdrahten. Achtung, das darf nicht zu hoch werden! Den Kondensatorwinzling habe ich in die Zähne von (3) geklemmt und an ein Ende ein Stück Schaltdraht gelötet. Dann kam der Schaltdraht in die Klemme und der Kondensator konnte an die Buchse gelötet werden.

Alle Bauteile und Drähte müssen nahe an der Leiterplatte liegen. Nach einer Kontrolle unter der Lupe kann der Deckel wieder aufgesetzt werden. Nach der Montage sollte wieder Silikon zur Dichtung aufgetragen werden.

Funktionsweise

Das Quadrat mit den vier Lötpunkten dient wohl zur Aufnahme eines Quarzes in SMD Bauweise (oder eines TCXO). Sie sind frei, da der Quarz jetzt (noch) auf der Rückseite sitzt. Zwei der Pins sind mit den Anschlüssen des Quarzes verbunden, die bei den übrigen liegen wohl auf Masse.

Über den Kondensator wird das Oszillatorsignal einem der Quarzanschlüsse zugeführt, über die Induktivität die Versorgungsspannung. Der Kondensator bewirkt die gleichspannungsmäßige Trennung des eingespeisten Signals. Im Originalzustand dient im LNB dazu eine mäanderförmige Leiterbahn als Einspeisedrossel. Für die von uns angestrebten Frequenzen reicht deren Induktivität nicht aus, die liefert unser zweites Bauteil.

Erhält der LNB über die Ausgangsbox eine Spannung von 9 V bis 14 V, verrichtet der LNB über die obere Buchse wie unverändert seine Arbeit. Das Signal des internen Oszillators kann man mit einem Oszilloskop an der oberen Buchse messen. Legt man die obere Buchse über 75 Ohm auf Masse, reißen die Schwingung des Oszillators ab, wir können hier extern unser Signal zuführen. Der Quarz stört nicht, wenn man nicht gerade ein Signal mit 25 MHz zugeführt.

Zwei normale Fernsehantennenkabel (75 Ohm) verbinden die beiden Anschlüsse des LNB mit unserem Shack, die vorliegenden Frequenzen stellen für dieses Kabel keine Herausforderung dar.

Wenn man die Induktivität statt auf die untere auch auf die obere Buchse lötet, kann die LNB-Speisung auch mit dem Oszillatorsignal zugeführt werden. Man sollte den Wert der Drossel dann aber auf 4,7 µH vergrößern.


Das Oszillatorsignal wird optimiert

Der Anfang des SSB Band wird bei 25 MHz Quarzfrequenz auf 739,55 MHz umgesetzt, das ist weit ab von jedem Amateurfunkband. Raimund Vollmer, DK7RV hat in der CQ-DL 4/20 ein Verfahren beschrieben, wie man in unsere Bänder kommt. Hier nur das Wichtigste, mehr bei der Schaltung: Mit f = 26,526923 MHz des Oszillators landet das Satellitensignal auf 144,05 MHz, voila! Wenn die Oszillatorfrequenz so weit erhöh wird, wird die Differenz aus der Eingangsfrequenz und der Oszillatorfrequenz kleiner und fällt in das 2m-Band.

Aber nicht jeder LNB lässt sich soweit „verbiegen“, der OPTICUM 04 spielt hier mit. An zwei Exemplaren habe ich das getestet, das lässt sich dann wohl wiederholen. Auch das 70 cm Band ist erreichbar, ändert man die Frequenz ein wenig. Nur müssen wir die krummen Frequenzen erzeugen, wie es DK7RV beschrieben hat.
Die Hardware, dazu, besteht nur aus drei Baugruppen. Wenn man günstig einkauft, kostet das weniger als 25 €.

Die Frequenzaufbereitung.

Um in das 2m-Band zu kommen, sollte man dem LNB 26,526923 MHz zuführen. Mit dem Multiplikator von 390 im LNB erzeugt der ein Oszillatorsignal von 10.345,5 MHz. Damit wird die SSB Bake am Anfang des SSB-Band von QO100 auf 144,05 MHz umgesetzt.

Quarze mit solchen Frequenzen ließen sich zwar grundsätzlich anfertigen, sie wären wegen des Faktors 390 im LNB allerdings für SSB Signale nicht frequenzstabil genug. Bezahlbar sind 10 MHz-Oszillatoren in einem thermostatierten Ofen (OCXO). Sie erzeugen sehr frequenzstabile Signale. Nun muss man nur noch die krummen Frequenzen bekommen

Die Frequenzsynthese

Das Oszillatorsignal wird zunächst verwendet, um mittels einer PLL Schwingungen zwischen 600 MHz und 900 MHz zu erzeugen. Das Ausgangssignal eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) wird durch einen Faktor m (hier 60 ≤ m ≤ 90) geteilt und mit der Eingangsfrequenz verglichen. Die die PLL sorgt dafür, dass die Frequenzen beider Signale gleich sind. Die Frequenz des VCO wird dann durch eine Zahl n geteilt, das Ergebnis ist dann das Ausgangssignal für den LNB. Deshalb gilt:

fAusgang = m/n * fEingang

Wegen der begrenzten Zahl möglicher Werte für m und n, wird man so die gewünschte Ausgangsfrequenz fast nie exakt treffen, wenn man von einer „glatten“ Eingangsfrequenz (hier 10 MHz) ausgeht. Das sieht anders aus, wenn man die Aufbereitung dafür spezialisierten Chips überlässt. Der SI 5153 kann diese Funktion gleich für mehrere Ausgänge ausführen. Dabei kann man den Bausteinen der Serie für m und n sogar gemischte Bruchzahlen der Art  x + y/z verwenden.
Wie er das macht, kann man dem Datenblatt entnehmen. Man sollte aber für die Lektüre einige Zeit einplanen! Mit Blick auf die Signalqualität sollte man für n möglichst eine gerade Ganzzahl verwenden, was uns auch das Datenblatt erklärt.
Dadurch, dass man die PLL-Frequenz nun fast beliebig genau festlegen kann, kommt man der gewünschten Ausgangsfrequenz auf weniger als 1 Hz nahe. Geeignete Werte für x, y, z und n kann man sich mit der Software Clockbuilder ermitteln lassen. Die Werte werden nach Anlegen der Versorgungsspannung über einen I2C- Bus auf den Baustein übertragen. Das kann ein beliebiger kleiner Microcontroller nach dem Einschalten tun, anschließend kann der andere Dinge erledigen.

Der Haken an der Sache:

Der SI 5153a wird in einem quadratischen Gehäuse geliefert an dessen Seiten die Anschlüsse im 0,5 mm Raster liegen. Das ist für Amateure extrem unfreundlich. Allerdings liefern die Firmen Adafruit und QRP-Labs kleine Break-Out-Platinchen, die alles enthalten, was man benötigt. Beide Bausteine werden mit einem 25 MHz-Quarz geliefert. Im Bausatz von QRP-Labs wird er nicht bestückt, beim Adafruit-Modul muss man ihn auslöten. Das Signal vom OCXO wird an den Pin 2 des SI 5153 geführt.
Der SI 5351a erfordert bei Ansteuerung mit 10 MHz ein Signal mit einer Amplitude von fast 1Vss, der LNB kommt mit 600 mVss aus. Der SI 5153a produziert bei zu geringem Pegel „Mist“, der LNB stellt dann jede Tätigkeit ein. Die Widerstandswerte im Spannungsteiler sind Richtwerte, man sollte mit einem Oszilloskop kontrollieren.
Die Bausteine sind nicht immer ganz leicht zu bekommen, sind aber recht preiswert. Der Haken an der Sache ist also gar nicht so groß.


Die Realisierung:

OCXO, das Platinchen mit der Frequenzaufbereitung und ein Mikrocontroller kommen auf eine kleine Leiterplatte. Als Mikrocontroller wurde ein Arduino-Nano benutzt, der sehr preiswert verfügbar ist. Beide Bausteine für die Frequenzaufbereitung sind verwendbar. Der OCXO von einem Verkäufer beim großen E erhält eine eigene Stromversorgung über einen Schaltregler, da er beim Anheizen reichlich Strom benötigt. So kann man auch berücksichtigen, dass einige OCXOs 3 V, andere 5 V benötigen. Hier waren es 3,3 V. Da beim Bau des Erstgerätes kein 3,3 V-Schaltregler vorhanden war, vernichten 2 Dioden die überschüssige Spannung nicht sehr elegant, aber wirksam.
Vorgesehen ist hier auch eine Speisedrossel, die zum Oszillatorsignal noch 12 V hinzufügt, die den LNB speisen können. Das Ganze kommt in ein kleines Blechgehäuse, die Schaltung wird von einem Steckernetzteil versorgt. Das Oszillatorsignal für den LNB wird über eine F-Buchse und ein normales Fernsehantennenkabel dem LNB zugeführt.

KiCad- Dateien für die Schaltung sind verfügbar.

Hier das Schaltbild und das Plainenlayout zum Ausdruck.

Die Platine kann sowohl das Modul von Adafruit und das von QRP-Labs aufnehmen. Die Freiflächen sind mit "Masse" gefüllt, hier wurde das zur besseren Übersicht ausgeblendet.

Software

Das Programm für den Arduino kann man mit der Arduino-Software in den Baustein bringen.

#include <Wire.h>

#include <Adafruit_SI5351.h>

 

Adafruit_SI5351 clockgen = Adafruit_SI5351();

 /**************** DK7RV - see CQ DL 04/2020 ***************************/

/********************************************************************/

void setup(void){

  // Selection of Downlink Amateur Band, default = 2m.

   boolean Band_70 = false; //Set to "true" for 70 cm

   // 2 m Downlink
  int PLB_m = 68;
  int PLB_n = 97;
  int PLB_d = 100;
  int MSB_m3= 26;

  if (Band_70) //70 cm Downlink  {
    PLB_m = 67;
    PLB_n = 19;
    PLB_d = 300;
  }

  delay (100);  clockgen.begin();       // Wait for startup of everything

  /* Setup PLLB to fractional mode */
  clockgen.setupPLL(SI5351_PLL_B, PLB_m, PLB_n, PLB_d);

  /* Set up Multisynth2 to Integer Division for Downlink-Frequency */
  clockgen.setupMultisynthInt(0, SI5351_PLL_B, MSB_m3);

  /* Enable the clocks */
  clockgen.enableOutputs(true);
}

 

/********************************************************************/

void loop(void)   // leer!
{}

 Die Library Adarurit_Si5351_Library für die Arduino- Entwicklungsumgebung geht von einem Quarz mit 25 MHz aus. In der Datei Adafruit_SI5351.h muss deshalb die Zeile
SI5351_CRYSTAL_FREQ_25MHZ = (25000000),
in
SI5351_CRYSTAL_FREQ_25MHZ = (10000000),

geändert werden. (Man sollte die Bezeichner anpassen und die Library unter einem anderen Namen  speichern.)

Bedanken möchte ich mich bei Raimund, DK7RV, der meine Versuche durch viele Ratschläge unterstützt hat.

Was waren die letzten Worte des Elektrikers?
"Die Anlage habe ich freigeschaltet!"