Cenni Onorio
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MODULO AMPLIFICATORE DA 400 WATT CON 1,5 WATT IN INGRESSO PER I 2m


Derivato dalla modifica di un amplificatore televisivo

                           Seconda parte


Modifica delle schede

Tutte le modifiche che dovranno essere effettuate sul modulo base, andranno eseguite su ciascuna scheda procedendo a modificarle una alla volta senza rimuoverle dalla loro posizione. Per fare questo basterà isolarle elettricamente dalle altre, in modo da poterle modificare e provarle  singolarmente. Questo modo di operare  permette di ottimizzare ogni scheda ed ottenere la migliore messa a punto delle stesse. Seguendo questo approccio, una volta ricollegate le schede saremo certi che potranno funzionare nelle migliori condizioni. Bisogna comunque tenere presente che pur avendo tarato i singoli stadi alle migliori condizioni, la potenza complessiva ottenibile potrebbe non essere quella prevista. Cio’ dipende dagli ingressi/uscite degli accoppiatori ibridi che potrebbero non essere nelle giuste fasi e quindi parecchi Watt potrebbero andare a finire nelle resistenze di sbilanciamento degli accoppiatori ibridi e  così aumentare solamente il calore da smaltire da parte del dissipatore. Nell’ultima parte di questa descrizione, per chi non avesse la possibilità di disporre degli strumenti necessari per poter eseguire questa messa a punto, propongo un modo alternativo semplice ed efficace per la migliore messa in fase.

La prima modifica la eseguiremo sulla scheda del preamplificatore che monta i due transistor BLV33F. Dobbiamo quindi scollegare i due conduttori contrassegnati con il numero 1 e 2 che collegano l’alimentazione positiva alle due schede dei finali di potenza che montano i due SD1485.  Di seguito dovremo scollegare il cavo di alimentazione contrassegnato con il numero 6 che arriva alla scheda che fornisce l’alimentazione di bias dei suddetti transistor. Con questo intervento abbiamo isolato l’alimentazione alle schede dei finali ed alla scheda del bias. Ora dobbiamo intervenire nei confronti del secondo accoppiatore ibrido, quello che provvede a sommare le potenze generate dai due transistor. Su questo dobbiamo interrompere l’uscita per saldarla momentaneamente al conduttore centrale di cavo coassiale RG 142 il quale dalla parte opposta dovrà essere provvisto di un connettore “N” maschio che sarà avvitato sull’ingresso del connettore del wattmetro BIRD che servirà a misurare la potenza in uscita di questa scheda. Su questa scheda andremo ad individuare i punti dove dovremo intervenire per poter accordare i circuiti di ingresso e di uscita dei due transistor in modo che questi possano essere tarati sulla frequenza dei 144 MHz. 




Come si può osservare dalla (foto n.3) l’adattamento di impedenza è stato ottenuto mediante l’aggiunta di alcune piccole capacità posizionandole sulle linee di entrata e di uscita dei transistor. In ingresso, sulle basi, è stato saldato un condensatore ceramico da 27 pF, mentre in uscita sui collettori, sono stati saldati due condensatori, uno da 33 pF e l’altro da 4,7 pF fissati nelle giuste posizioni trovate sperimentalmente. In seguito, ho eseguito un test di funzionamento per verificare il comportamento della scheda alle diverse potenze in ingresso. Questo test mi ha permesso di valutare il guadagno espresso in decibel ed il rendimento percentuale. I dati che ho ottenuto sono stati riepilogati nella tabella di (figura n.3)



La potenza riportata in tabella si ferma a 50 W perché valori superiori non sono necessari a pilotare adeguatamente le successive schede. Ho riscontrato che la massima potenza ottenibile prima della compressione è stata di circa 70 W. 




Dopo le modifiche eseguite si può evincere dalle (foto n.4 e n.5) l’VSWR che è stato ottenuto, sia in ingresso che uscita, mentre dalle (foto n.6 e n.7) si può vedere il corrispondente (S11) return-loss.





La seconda modifica la eseguiremo sulla scheda dei finali di potenza che montano il doppio transistor SD1485. Pertanto dobbiamo ricollegare il conduttore contrassegnato con il numero 1 che porterà nuovamente l’alimentazione alla suddetta scheda e di seguito dovremo anche ripristinare l’alimentazione alla scheda che genera l’alimentazione del proprio bias. Per il momento l’altra scheda simile a questa dovrà rimanere senza alimentazione così come la scheda dello stadio preamplificatore che abbiamo appena ottimizzato. Ora dovremo intervenire nei confronti del terzo accoppiatore ibrido e cioè quello che divide la potenza da inviare in ingresso alle due schede finali di potenza. Quindi la pista in uscita dal’accoppiatore che collega l’ingresso della scheda da modificare dovrà essere interrotta in quanto sullo stesso ingresso della scheda si dovrà provvisoriamente saldare il pin centrale di un connettore BNC femmina. Dal lato uscita di questa stessa scheda dovremo interrompere la pista del circuito stampato collegata in ingresso del quarto accoppiatore ibrido. Su questa pista dovremo saldare provvisoriamente il conduttore centrale di un cavo coassiale RG142 che dalla parte opposta dovrà terminare mediante un connettore “N” maschio che sarà avvitato sul connettore in ingresso del wattmetro BIRD per misurare la potenza di questa scheda. La suddetta descrizione sarà certamente più comprensibile osservando la (foto n.8).




La scheda da modificare è provvista di due transistor identici che lavorano in antifase. Il segnale da inviare sull’ingresso ha una impedenza di 50 Ω sbilanciati mentre l’impedenza in ingresso dei doppi transistor SD1485 è molto bassa e bilanciata. Il circuito che consente di coniugare l’impedenza d’ingresso da 50 Ω sbilanciati al valore dell’impedenza bilanciata sull’ingresso dei transistor è stato realizzato mediante un balun in cavo coassiale da 50 Ω tipo RG316 con dielettrico in PTFE con un diametro di 2,5 mm e di lunghezza pari a ¼ lamba x Fv che permette la trasformazione dei 50 Ω sbilanciati in una terminazione bilanciata da 25 Ω. Una seconda trasformazione di impedenza si è ottenuta mediante una “strip-line” ed alcuni condensatori che opportunamente posizionati sulle linee vanno a coniugare l’impedenza d’ingresso sulla base di ciascun transistor SD1485 che a 170 MHz presentano una Z-in in ohm di circa 2,7+J1,0 (valore indicato nel data-sheet). Mentre sui collettori degli stessi transistor l’impedenza, anche qui, molto bassa e bilanciata dovrà essere riportata al valore di 50 Ω sbilanciati. Quindi il procedimento di adattamento di impedenza è stato inverso e la Z-out in ohm di circa 3,75+j3,0 è stata trasformata, sempre mediante una “strip-line” ed alcuni condensatori, in un valore di circa 25 Ω bilanciati, infine quest’ultimo valore di impedenza, per mezzo di un altro balun in cavo coassiale, è stato trasformato in 50 Ω sbilanciati. Questo metodo di adattamento di impedenza a più “steep” per alcuni può non rappresentare “la migliore soluzione” mentre per altri viene considerato molto valido. Il metodo di adattamento descritto è stato applicato in questa scheda progettata per uso professionale così come indicato sullo schema di principio riportato nel suo data-sheet. Per adattare questa scheda alla frequenza dei 144 MHz, occorre intervenire sul circuito di ingresso e di uscita, dei transistor, posizionando alcuni condensatori lungo le “strip-line”.  I valori e la posizione dei condensatori che sono stati aggiunti sono indicati nella (foto n.9). 



Questi condensatori devono essere del tipo ATC 100 A o B, anche se le tensioni RF nello stadio di ingresso da cui sono attraversati non sono elevate questi tipi di condensatori in formato SMD servono a scongiurare che lo stadio di amplificazione possa entrare in autoscillazione. Di seguito ho adattato lo stadio di ingresso al più basso VSWR mediante l’aggiunta dei condensatori posti sulle linee di ingresso. Il return-loss in ingresso deve essere migliore di 15 dB. L’adattamento d’ingresso risulta leggermente critico però da un buon adattamento dipende la larghezza di banda ed il guadagno dello stadio. Una corretta messa a punto dell’ingresso permette di guadagnare quasi un paio di dB. Le lunghezze originali dei balun che sono di circa 10% più corte rispetto a ¼ lambda, per la frequenza di utilizzo, non sono state modificate  per non complicare troppo l’intervento ed inoltre non necessarie. Un primo test su questa scheda l’ho eseguito iniettando piccolo segnale in ingresso, non prima di aver collegato l’uscita della stessa al wattmetro Bird collegato ad un opportuno “carico fittizio”.  Allo scopo di evitare “overdrive” la soluzione migliore è quella di inserire un attenuatore fra RTX e l’ingresso del modulo. Iniettando una potenza di circa 1,5 W in ingresso del modulo la potenza in uscita dovrà essere di circa 30 W. Occorre contestualmente osservare la corrente assorbita che deve essere di circa 3,9 A. Se così non fosse, occorre fermarsi e controllare il ‘balun’ oppure i condensatori in uscita. Se tutto funziona bene si può incrementare la potenza iniettata in ingresso fino a 20 W che in uscita raggiunge circa 190 W. Dopo queste messa a punto, va ricontrollato nuovamente il valore del VSWR in ingresso. Ho eseguito anche per questa scheda un test complessivo iniettando diverse potenze in ingresso con lo scopo di valutare al meglio il guadagno espresso in decibel ed il rendimento percentuale alle varie potenze di uscita. Dalle prove eseguite ho constatato che la potenza massima ottenibile prima della compressione è stata di circa 200 W. Non mi sono spinto oltre questo valore anche perché dovendo successivamente, mediante l’anello ibrido, sommare le potenze fornite dalle due schede il valore complessivo della potenza sarebbe stato superiore ai 400 W, limite di potenza che l’anello ibrido può gestire senza danneggiarsi. Le misure che ho effettuato sono state riportate nella tabella di (figura n.4).



 

Tutte le operazioni sopradescritte vanno eseguite  allo stesso modo anche per l’altra scheda dell’amplificatore simile a questa. Per ultimo ho smontato la scheda relativa il filtro passa basso per tararla ed ottimizzarla per la nuova frequenza. (foto n.10)



Per la messa punto, di questo filtro, è bastato solamente aumentare l’impedenza delle due bobine che è stata ottenuta comprimendo leggermente le spire delle stesse. Alla frequenza di 144 MHz il relativo SWR è risultato di 1.04 mentre return-loss di -35,26 dB (foto n.11).



 

Connessione delle singole schede e messa a punto complessiva

Al termine delle tarature, dopo aver testato ogni singola scheda, dobbiamo ricollegarle dal punto di vista  elettrico come erano prima dell’intervento di messa a punto. Pertanto si devono ripristinare le piste che erano state interrotte dal lato degli ingressi e delle uscite degli anelli ibridi mediante dei punti di saldatura. Infine andremo a ricollegare i cavi che portano l’alimentazione a ciascuna scheda. Per una verifica ed una messa a punto complessiva dell’intero modulo dobbiamo collegare il suo ingresso all’uscita di un TX sintonizzato sulla frequenza di 144.200 MHz, poi l’uscita dell’amplificatore la andremo a collegare ad un carico fittizio da 50 Ω 500 W. Dopo aver fornito l’alimentazione al modulo dobbiamo per primo verificare che la corrente assorbita sia all’incirca uguale alla somma delle correnti di riposo assorbite da ciascuna scheda. Se questa corrente risulta regolare possiamo procedere ad iniettare la potenza di pilotaggio. Partiamo da zero ed aumentiamo la potenza fino a circa 0,95 W, in queste condizioni dovremmo ottenere circa 210 W, ed una corrente assorbita dal modulo di circa 18 A. Se così non fosse occorre fermarsi e verificare le giuste fasi nei confronti degli accoppiatori ibridi. Anche se abbiamo ottimizzato le tre schede, una per volta, al fine di ottenere la massima potenza da ciascuna di esse, può succedere che una volta collegate agli accoppiatori le fasi siano da un’altra parte e pertanto la somma della potenza non sia quella prevista, anzi può succedere che una cinquantina di Watt possano andare a finire nelle resistenze di sbilanciamento aumentando solamente il calore da smaltire dal dissipatore. (Rif. 5) Per verificare le giuste fasi se non si ha la disponibilità di un voltmetro vettoriale oppure di un analizzatore di reti vettoriale bisogna arrangiarsi e mettere in campo l’esperienza maturata. Nel nostro caso sono di grande aiuto proprio le resistenze di sbilanciamento presenti negli accoppiatori ibridi a 90° e 180° che sono del tipo sbilanciato ovvero hanno un capo collegato a massa. Per cui se si va a misurare la tensione, su di ogni resistore di sbilanciamento delle suddette ibride, mediante un rivelatore a diodi schottky collegato all’ingresso ad alta impedenza di un voltmetro elettronico è possibile aggiustare le fasi. (foto n.12) 


Questa operazione è fattibile andando a leggere il minimo valore di tensione sul resistore e contemporaneamente ottenere il massimo della potenza in uscita. Per le due schede finali la minima tensione sulla resistenza di sbilanciamento delle ibride è stata ottenuta dopo aver variato finemente il valore della capacità dei due trimmer capacitivi da 12 pF posizionati, come da progetto originale, sulle corrispondenti linee di uscita. Allo stesso modo anche per la scheda del preamplificatore la minima tensione sulla resistenza di sbilanciamento della corrispondente ibrida è stata ottenuta variando finemente il valore della capacità dei due trimmer capacitivi da 12 pF posizionati, come da progetto originale, sulle corrispondenti linee di uscita. Al termine di queste tarature e’ possibile aumentare la potenza in uscita fino a circa 400 W e monitorando la corrente la assorbita che deve essere attorno a 30 A.

 

Conclusioni

Il pannello amplificatore alla massima potenza in uscita presenta un guadagno di circa 24 dB, con una dissipazione di potenza di circa 840 W ed un rendimento percentuale del 48%. L’amplificatore presenta una buona linearità ed il punto di compressione inizia a manifestarsi quando si superano i 400 W di potenza. Se consideriamo che le modifiche sono state eseguite intervenendo su di una tecnologia di venticinque anni fa, i risultati ottenuti sono di tutto rispetto. Motivo per cui questo modulo non finirà fra i RAEE (Rifiuti da Apparecchiature Elettriche ed Elettroniche) perché è  meritevole di essere ancora utilizzato. (foto n.13) 



Per un impiego in USB o CW non è necessaria alcuna ventilazione, mentre per svolgere attività di contest, di modi digitali o FM diventa indispensabile posizionare, sul modulo, un semplice ventilatore da PC per contribuire a migliorare la dissipazione del calore sulle alette del radiatore di alluminio.

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Referimenti:

Rif. 1 – Radio Kit Elettronica n.12/2019 pagg. 6-11

Rif. 2 – https://www.acalbfi.com/it/Componenti-RF/Accoppiatori-Divisori/90-gradi-accoppiatore-ibrido--Caseless-/p/Accoppiatore-ibrido-3-db--90/0000000483

Rif. 3 – https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/85262/ASI/BLV33F.html

Rif.4 – https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/193756/ADPOW/SD1485.html

Rif.5 – http://www.ari-crt.it/wp/wp-content/uploads/2017/04/Amplificatore-a-stato-solido-da-250-e-500-Watt-per-la-banda-dei-23-cm.pdf

 

La presente discrezione è stata pubblicata su Radio Kit Elettronica del mese di ottobre 2020 a pag.6 

 



 

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STRUTTURA MECCANICA PER LA ROTAZIONE E

L’ELEVAZIONE DI UN ANTENNA PARABOLICA 

Realizzazione e dettagli costruttivi

 

                                Prima parte

Premessa

La struttura che andrò a descrivere per movimentare un antenna parabolica del diametro di circa 2 metri (foto n.1) è stata realizzata in un arco temporale che comprende l’inizio della prima emergenza Covid-19 fino alla successiva emergenza innescata dalla seconda ondata della pandemia. Anche io, come del resto tutti, mi sono improvvisamente ritrovato a dover rimanere chiuso in casa e di conseguenza avere una maggiore disponibilità di tempo libero che, in condizioni normali, non avrei potevo avere. Così ho cercato di fare in modo che questa maggior disponibilità di tempo si potesse trasformare in una “opportunità” in modo da potermi dedicare a quelle autocostruzioni che solitamente avrei praticato nei brevi ritagli di tempo. Con questa “opportunità” sono riuscito a portare a termine questo progetto superando anche quelle difficoltà che nei periodi di massima restrizione impedivano l’acquisto dei componenti, costringendomi ad utilizzare solamente  il materiale che avevo disponibile in casa in quel momento.

Il progetto è stato abbastanza complesso sia per la quantità dei componenti necessari, che per la sua realizzazione e per il tempo occorrente, però fortunatamente molti componenti sono facilmente reperibili. Volendo adottare alcune soluzioni impiegate in questo progetto il lavoro potrebbe risultare meno impegnativo e più sbrigativo anche in termini di ore impiegate. Sicuramente alcune soluzioni saranno note ma ritengo che poterle condividere sulle pagine della nostra rivista possano essere utili per ricavarne spunti e soluzioni da applicare in altre simili realizzazioni e soprattutto cercare di migliorarle.

La descrizione che seguirà fa riferimento solamente alla parte hardware del sistema antenna citato, senza tenere conto di tutto quello che occorre per completare tutta la catena di ricezione e di trasmissione.

La struttura, nel suo complesso, è stata realizzata per la movimentazione di una parabola sia sul piano orizzontale che su quello verticale (figura n.1)


per essere utilizzata in un impianto di medie dimensioni che richiede l’impiego di apparecchiature affidabili e durature dal punto di vista delle prestazioni meccaniche ed elettroniche. Come noto la maggior parte dei rotori e dei relativi control-box disponibili in commercio sono in grado di soddisfare le normali applicazioni in quanto consentono la rotazione completa del sistema di antenna  in circa un minuto con una risoluzione sul puntamento di solamente 5 gradi. Con queste caratteristiche rotori del genere non sono assolutamente adatti per eseguire la movimentazione di antenne paraboliche che richiedono invece un puntamento molto più preciso a causa del fascio di ricezione/trasmissione molto stretto. Inoltre le stesse antenne paraboliche richiedono rotazioni molto lente e quindi con tempi di rotazioni più lunghi e letture dei gradi di posizionamento più precise, con la lettura almeno di 1 grado. L’autocostruzione, resta una ottima soluzione che, oltre a farci risparmiare sui costi nei confronti dei prodotti commerciali pronti all’uso, ci gratifica con soddisfazione ed apprendimento. In questo progetto il rotore presenta una bassa velocità di rotazione ed una buona precisione sulla lettura dei gradi di posizionamento della parabola, inoltre sono stati eliminati i “giochi meccanici” che solitamente si riscontrano fra gli accoppiamenti delle parti in movimento. Le prestazioni meccaniche risultano piuttosto elevate dal momento che è stato utilizzato, per la rotazione, una vite senza fine direttamente collegata al palo di rotazione. Gli ingranaggi a vite senza fine sono in grado di garantire una elevata resistenza alla torsione e conseguentemente una maggiore affidabilità di tutto il sistema. Inoltre per questo rotore è stata prevista la possibilità di ridurre la velocità di rotazione con lo scopo di avere un puntamento più facile e preciso della parabola.      

La prima parte di questa descrizione prende in esame il rotore di direzione azimutale, detto (AZ) ed il suo dispositivo di fine corsa. Nella seconda parte viene  trattato  il rotore di elevazione, detto (EL) con i relativi circuiti di comando ed il dispositivo di rivelazione della posizione digitale per terminare, nella terza parte, con la taratura del control-box , la descrizione del palo carrellato e della procedura di installazione della parabola.       

 

Rotore di direzione (AZ)

Per la costruzione di  questo rotore (foto n.2)

 

 

ho utilizzato un riduttore provvisto di ingranaggio a vite senza fine con gli alberi di rotazione sfasati fra di loro di 90°. Questi riduttori sono utilizzati, in unione a dei motori elettrici, in impianti sottoposti generalmente a condizioni gravose  con continuativi ed elevati regimi di rotazione. La loro costruzione è di ottima fattura ed il gruppo di riduzione essendo realizzato ad “ingrassaggio a vita” è praticamente indistruttibile. In Italia ci sono parecchie aziende che producono questi gruppi di rotazione che si possono quindi acquistare presso i centri di ricambi di materiale industriale, oppure in vendita on-line. I prezzi di vendita sono in linea con la qualità dei prodotti forniti.  Questi gruppi di riduzione si possono comunque reperire anche usati in condizioni pari al nuovo, presso i centri di demolizione di materiali ferrosi. Il riduttore che ho usato in questo progetto è stato reperito in uno di questi centri ed è stato pagato circa la metà del suo costo riferito al prodotto nuovo.

L’impiego di un tale riduttore si presta molto bene come parte componente per la realizzazione di un rotore preciso ed affidabile. Per la completa costruzione del rotore servono solamente pochi altri componenti da abbinare al riduttore. Questi componenti da aggiungere sono un motore elettrico ed un dispositivo di fine corsa che sia  in grado di bloccare la rotazione del motore quando il dispositivo da azionare abbia compiuto una rotazione completa e, per ultimo, serve un “sensore” che sia in grado di rilevare la direzione assunta dall’antenna.

 

 

Il riduttore a vite senza fine che ho utilizzato (foto n.3) è marcato dalla SITI e presenta un rapporto di riduzione di 15/1 vale a dire che per avere un giro dell’albero condotto sono necessari 15 giri sull’albero di presa. Questo riduttore è dotato di una flangia per essere fissato al motore che provvedere a trasferire la sua forza motrice. L’albero di presa è quello che va collegato al motore mentre l’albero condotto è quello che mediante un adeguato accoppiamento va fissato al palo che provvede alla rotazione dell’antenna. Lungo l’asse dell’albero è presente una piccola scanalatura che mediante una chiavetta da incastrare nei suoi incavi provvede a bloccare i dispositivi ad essi collegati. Come tutti gli ingranaggi a vite senza fine, il moto di rotazione è irreversibile ovvero l’albero di presa può far girare l’albero condotto, come è giustamente logico che sia, ma non è possibile il contrario e per questo motivo il riduttore agisce in maniera efficace da freno meccanico, poiché quando il rotore è fermo il sistema è autobloccante. L’elevata resistenza e la coppia di torsione è in funzione del tipo di riduttore utilizzato con valori che possono spaziare da qualche centinaio fino a qualche migliaio di Nm. Un aspetto molto importante è che l’albero condotto, che si può intravedere nella cavità inferiore della flangia, dispone di un foro del diametro di 7 mm ed una vite laterale esagonale che servirà per bloccare il dispositivo di rivelazione della direzione. Il dispositivo che ho utilizzato per avere l’indicazione della posizione dell’antenna è un potenziometro multigiri.  Il potenziometro dovrà avere un valore di 10 kohm e 10 giri di rotazione: vanno bene anche altri similari che sono facilmente reperibili dai rivenditori di elettronica, come pure può essere acquistato anche on-line come ho fatto io. Il potenziometro, mediante la sua vite, andrà fissato sotto la flangia mentre il perno andrà infilato nel foro dell’albero condotto e con questo reso solidale stringendo la vite laterale. E’ molto importante proteggere il potenziometro dalle infiltrazioni di acqua e per questo ho realizzato una copertura di alluminio a forma di bicchiere che lo avvolge tutto attorno (foto n.4). Il cavo tripolare collegato ai terminali del potenziometro deve fuoriuscire dalla parte laterale dello stesso bicchiere. Sul fondo del bicchiere deve essere praticato un piccolo foro per evitare, al suo interno, la formazione di condensa.

 


Per quanto riguarda il motore che andremo ad utilizzare per movimentare il gruppo vite senza fine è necessario conoscere il numero dei giri dello stesso motore che andremo ad impiegare. Partendo dal presupposto che l’antenna debba compiere un giro completo di 360° in un tempo di un minuto cioè 1 rpm ( vedremo di seguito poi come modificare il giro completo in un tempo maggiore) e sapendo che il rapporto di riduzione del nostro riduttore è di 15/1, il motore da impiegare dovrà  avere un regime di rotazione pari a 15 rpm. Sicuramente non sarà facile  poter disporre di un motore che abbia questo preciso valore ma avremo comunque la possibilità di poter arrivare a questo valore partendo anche da valori differenti. Il motore che ho reperito per questo scopo (foto n.5) era utilizzato per azionare il tergicristallo di una automobile ed è stato recuperato presso un centro di demolizioni auto.

 


Questo motore funziona in corrente continua con una tensione nominale di 12 V. Risulta importante accertarsi che il conduttore di alimentazione negativa non sia collegato alla carcassa metallica del motore. Nel caso lo fosse occorre fare in modo di scollegarla. Il motore è provvisto di un riduttore di giri in grado di garantire una notevole forza di rotazione poiché è impossibile fermarlo con le mani. Questo motore, quando è alimentato a 12 V, ha un regime di rotazione è di circa 60 rpm, valore che può essere diminuito riducendo la tensione di alimentazione senza avvertire perdite di potenza. Non essendo possibile ridurre la sua velocità al valore di  15 rpm, la soluzione che ho adottato è stata quella di fissare un piccolo ingranaggio sul perno del motore ed un ingranaggio di dimensioni maggiori con rapporto di 1/4 sul perno dell’albero di presa: i due ingranaggi risultano perfettamente allineati fra loro e ruotano assieme per mezzo di una piccola catena protetta da un “carter” (foto n.6). 

 


Questa soluzione partendo da 60 rpm consente di ridurre la velocità di rotazione al valore di 15 rpm e pari al numero di giri che serve per l’albero di presa affinché l’albero condotto possa fare 1 rpm.  Dall’unione di queste parti si ottiene praticamente il rotore: ora dobbiamo realizzare l’accoppiamento fra l’albero condotto ed il palo che deve far ruotare l’antenna. Questo si ottiene con l’impiego di un giunto elastico che è particolarmente indicato per gli impianti di antenne di grandi dimensioni. Questo giunto permette un corretto accoppiamento meccanico del rotore con il mast o palo di supporto delle antenne e serve per compensare inevitabili spostamenti assiali, radiali ed angolari degli stessi. Inoltre ammortizza in maniera eccellente i fortissimi urti provocati da raffiche di vento o dalla partenza o inversione di rotazione e frenata del rotore, oltre a prevenire le inevitabili rotture a fatica delle parti meccaniche in movimento (foto n.7). 


 

La stella dentata elastica utilizzata è di media durezza e si innesta da una parte nell’albero condotto mentre dalla parte opposta entra con precisione all’interno di un palo zincato da 1 pollice e mezzo: queste parti sono bloccate con una vite passante di acciaio inox da 5mm.    

 

 

Dispositivo di fine corsa

Il dispositivo di fine corsa, di tipo elettromeccanico, è stato realizzato con due diodi e due microswitch inseriti all’interno di un piccolo contenitore Teko mod. P/1.2 delle dimensioni 85 x 56 x 35,5 mm (foto n.8). 


Il contenitore è posizionato in corrispondenza dell’albero motore dato che una levetta ad esso collegata dovrà azionare, nei punti prestabiliti, l’apertura dei contatti dei corrispondenti microswitch in modo da interrompere l’alimentazione al motore e bloccarne la rotazione. Questo dispositivo deve essere inserito in serie al motore (figura n.2) poiché i diodi ed i microswitch, opportunamente collegati, permetteranno al motore in corrente continua di essere alimentato, sia in un verso che nell’altro così da poter ruotare indifferentemente in una direzione o nell’altra.

 


Il funzionamento avviene in questo modo: premendo il pulsante di sinistra P2A, posto sul pannello frontale del control-box, alimenteremo il pin 2 del motore con una tensione positiva. Il motore inizierà a ruotare in senso antiorario fino a quando la levetta posta sull’albero motore andrà ad azionare, in corrispondenza del fine corsa prestabilito, l’apertura del contato del microswitch M2 per interrompere l’alimentazione al motore. Successivamente premendo il pulsante di destra P2B, posto sul pannello frontale del control-box, alimenteremo dal pin 1 il motore con una tensione positiva essendo chiuso il contatto del microswitch M1 mentre il contatto M2 essendo momentaneamente aperto si trova ad essere bypassato dal diodo D2 in stato di conduzione. In questo modo il motore inizierà a ruotare in senso orario fino a quando la levetta, posta sull’albero motore, si troverà in corrispondenza dell’altro fine corsa per azionare l’apertura del contato M1 ed interrompere l’alimentazione al motore stesso. La rotazione del motore in senso antiorario riprenderà premendo nuovamente il pulsante P2A che alimenterà nuovamente il pin 2 con una tensione positiva, essendo chiuso il contatto M2 mentre l’altro contatto M1 essendo momentaneamente aperto sarà bypassato dal diodo D1 in stato di conduzione.

 

La presente descrizione è stata pubblicata su Radio Kit Elettronica del mese di ottobre 2021 a pag. 10 

Continua.........

 

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STRUTTURA MECCANICA PER LA ROTAZIONE E L’ELEVAZIONE DI UN ANTENNA PARABOLICA

          Realizzazione e dettagli costruttivi

 

                                Seconda parte

 

Rotore di elevazione (EL)

Anche per il movimento di elevazione della parabola, come per quello di rotazione, non ho utilizzato un rotore commerciale ma un attuatore in grado di svolgere con precisione questa importante funzione. E’ possibile utilizzare un qualunque dispositivo attuatore in grado di far fuoriuscire o rientrare un pistone, all’interno di uno stantuffo, allo scopo di movimentare il dispositivo di elevazione (foto n.9). 

L’ attuatore a pistone che ho utilizzato, proveniente da recupero, è composto da una struttura realizzata in alluminio ed acciaio che racchiude tutta la meccanica necessaria, motore compreso, per trasmettere il movimento del pistone. Il pistone è in grado di fuoriuscire o rientrare nello stantuffo grazie alla rotazione, al suo interno, di una vite filettata senza fine che, avvitandosi o svitandosi, genera il movimento richiesto. Il pistone in acciaio inox, avendo al suo interno una robusta filettatura sulla quale avviene l’avvitamento di una barra filettata, non necessita di alcun tipo di fermo per tenere bloccato il pistone nella posizione richiesta.

Mediante questo attuatore si va ad azionare un particolare supporto snodabile munito di un cuscinetto a sfere (figure n.3,4,5), 


che è in grado di movimentare l’inclinazione della parabola. Nella (foto n.10) 

si evince come è stato realizzato il supporto snodabile auto costruito e adatto per questo scopo. In base al tipo di attuatore che si avrà modo di reperire è consigliabile effettuare, prima della sistemazione definitiva, un montaggio provvisorio con lo scopo di determinare la giusta fuoriuscita del pistone che servirà per ottenere la massima elevazione della parabola. Applicando una tensione positiva compresa fra 12 V e 20 V sui terminali della morsettiera del motore, contrassegnata dai numeri 1 - 2 – 3, si può far rientrare o fuoriuscire il pistone. Alimentando i terminali 1 e 2 il pistone fuoriesce, alimentando i terminali 2 e 3 il pistone rientra. Il motore dispone di un comando di fine corsa, per cui il pistone una volta completamente rientrato oppure fuoriuscito si fermerà automaticamente. Con una alimentazione di 17 V il motore assorbe una corrente di circa 1,5 A. La lunghezza totale dell’attuatore con il pistone totalmente inserito è di 54 cm, mentre con il pistone completamente estratto è di 68 cm e quindi il pistone fuoriesce di almeno 14 cm. Con questa lunghezza il palo si potrà inclinare fino a valore di 62°. Ho ritenuto questa inclinazione sufficiente nella stragrande maggioranza dei casi andando ad escludere solamente la condizione che si ha quando la luna si presenta con la sua massima declinazione. Se si ritiene che la lunghezza del pistone sia sufficiente per ottenere l’elevazione richiesta si lascia tutto come sta, vale a dire con il fine corsa tarato per intervenire per questa lunghezza. Diversamente volendo modificare l’intervento del fine corsa fino a raggiungere la massima fuoriuscita del pistone occorre modificare il suo punto di intervento del fine corsa. Allo scopo di regolare il fine corsa, all’interno del motore è presente una camma ovale che ruotando preme contro il pulsante di un microswitch il quale aprendosi provvede a fermare il motore. Per fare in modo che il pistone possa  fuoriuscire fino alla massima lunghezza possibile è sufficiente ruotare la camma in modo che il fine corsa intervenga nel punto desiderato corrispondente alla massima lunghezza consentita.

Per fissare l’attuatore al palo inferiore e superiore occorre operare in questo modo. Innanzitutto è necessario alimentare il motore in modo da far rientrare completamente il pistone. Successivamente occorre allentare le viti presenti sul collare posizionato sulla parte inferiore dell’attuatore e poi stringere i bulloni e bloccare il collare attorno al palo inferiore nella posizione di circa 64 cm dal piano superiore del carrello porta rotori che per la lunghezza del palo utilizzato corrisponde a circa 56,5 cm e verificare che il giunto snodabile posto sul fondo dell’attuatore sia libero di svolgere la sua funzione senza particolari attriti. Come visibile in (figura n.6)

 la parte superiore del pistone andrà fissata e bloccata con le viti all’asta di spinta collegata al supporto snodato sul quale sarà fissato al palo superiore perfettamente allineato al palo sottostante. Dopo aver serrato tutte le viti, potremo posizionare la parabola al palo superiore e controllare che il palo e la parabola siano perfettamente allineati sul piano orizzontale. Per questa verifica si può utilizzare un inclinometro appoggiato sul palo superiore  per avere 0° di elevazione e nel caso dovesse essere necessaria una regolazione si interviene regolando una vite di taratura che ho aggiunto successivamente.  Alimentando il motore, il pistone si sfilerà, e conseguentemente la parabola comincerà ad elevarsi verso l’alto e mediante la fuoriuscita del pistone di circa 14 cm l’angolo di elevazione della parabola sarà di circa 62°(foto n.11).

Per la lettura dei gradi di elevazione ho acquistato da un sito on-line un Digital angle level  in grado di misurare in modo preciso angoli nel range da 0° a 225° (foto n.12). 

 Questa livella che consente la lettura digitale degli angoli è composta da due aste incernierate fra loro sul cui fulcro è fissato un potenziometro da 10 kohm. Essendo il perno del potenziometro solidale con una delle due aste queste, in base alla loro apertura, forniranno ai capi del potenziometro un preciso valore resistivo che dopo essere stato elaborato mediante un piccolo microprocessore, in corrispondenti gradi, sarà mostrato sul display LCD. Questo display per una più facile lettura potrà essere retroilluminato, mediante un pulsante dedicato, di un bel colore azzurro. Il display ed i relativi pulsanti costituiscono una unità separata che è stata inserita all’interno di una delle aste dello strumento. Questa livella digitale necessita di una  alimentazione che può essere fornita da una pila da 9 V. La scala è graduata in modo da poter leggere il decimo di grado mentre la tolleranza della misura dell’angolo è di +/- 0,5°. Per impiegare questa livella digitale come indicatore di inclinazione  dovremo estrarre dall’asta il display LCD (foto 13) 

per posizionarlo, come unità separata, sul pannello frontale del control-box. In questa nuova posizione, il display LCD, sarà alimentato alla tensione di 9 V, utilizzando la stessa tensione di 9 V che alimenta l’LCD per la lettura dell’azimut, mentre la parte della livella composta dalle due aste snodate dovrà essere fissata sul palo reclinabile. Innanzitutto va tenuto presente che quando le aste della livella sono completamente richiuse su se stesse il display indica 00°, mentre per il nostro utilizzo l’indicazione 00° si dovrà avere quando le due aste saranno completamente estese, vale a dire perfettamente in linea fra di loro. Una semplice modifica è possibile svitando le tre viti che tengono fissata l’asta ruotante che dopo essere stata rimossa andrà riposizionata ruotata di 180° in modo tale che le due aste siano, fra di loro, completamente estese e contrapposte (foto n.14). 

Naturalmente il display indicherà ancora 00° anche con le aste contrapposte poiché il rivelatore di inclinazione non è stato modificato. Dopo questa modifica, le due aste snodate della livella dovranno essere accorciate quanto basta e fissate, mediante alcune viti di acciaio inox, sui rispettivi pali. Un’asta sarà fissata sul palo non reclinabile mentre l’altra sul palo che dovrà essere reclinato (foto n.15). 

Nel posizionare le due aste occorre far corrispondere il loro fulcro con quello dei corrispondenti pali. I rispettivi fulcri  dovranno essere allineati e solidali fra loro mediante un perno passante. Con le due aste così posizionate saremo in grado di rilevarne i gradi di inclinazione del palo reclinabile. Pertanto dall’angolo assunto dalle aste  e quindi dalla rotazione del perno del potenziometro avremo a disposizione un preciso valore resistivo che sarà inviato, mediante un cavo elettrico composto da tre conduttori, al modulo display LCD  il quale ci mostrerà, con molta precisione, sul pannello frontale del control-box l’inclinazione assunta dal palo e quindi della parabola.

 

Control-box

Il control-box (foto n.16) deve svolgere le seguenti funzioni:


- azionare la rotazione del rotore (AZ) nei due sensi di marcia e contestualmente visualizzare i gradi assunti dal sistema di antenna sul piano orizzontale;

- azionare il movimento di elevazione (EL) o abbassamento, con la contestuale visualizzazione dei gradi assunti dal sistema di antenna sul piano verticale. 


 

In (figura n.7) è riportato lo schema elettrico del control-box. Un primo alimentatore si compone di un trasformatore da 60 VA, dal cui secondario, con un ponte di diodi ed un condensatore elettrolitico di elevata capacità, viene ricavata una tensione in continua di 18 V che sarà utilizzata per alimentare il motore del rotore (EL) che movimenta il pistone di elevazione della parabola. (foto n.17) 

 L’alimentazione, all’attuatore, sarà fornita attraverso un cavo tripolare della sezione di 3 x 1 mmq. Il motore preposto alla rotazione (AZ) necessita invece di una tensione nominale di 12 V, ma essendo comunque in grado di funzionare, senza perdita di potenza apprezzabile, anche con tensioni leggermente inferiori ho provveduto a ridurre e stabilizzare il valore della tensione di alimentazione a 10 V. Questa si ottiene partendo dalla tensione in continua di 18 V che mediante un  transistor di potenza 2N3055 con i relativi componenti di contorno stabilizza la tensione al valore richiesto. In questo modo con il motore alimentato a 10 V il sistema di antenna è in grado di completare l’angolo giro di 360° in un tempo di circa 120 secondi, tempo che possiamo considerare adatto per una rotazione “normale”. L’alimentazione al motore (AZ) è fornita attraverso un cavo bipolare della sezione di 2 x 1 mmq. La rotazione dell’albero motore, per il rotore (AZ), avviene in un senso o nell’altro, per l’inversione della polarità del motore in corrente continua ed allo scopo sono utilizzati  due distinti pulsanti a levetta di colore nero posizionati sul lato sinistro del control-box e controllati ai fine corsa da due pulsanti microswitch. Premendo sul pulsante  di sinistra denominato P2A avverrà la chiusura del corrispondente contatto elettrico che alimenterà con la tensione positiva di 10 V il pin 2 del motore, mentre il pin 1 riceve la tensione negativa attraverso il contatto chiuso di P2B e del diodo D3 in conduzione verso il negativo. In questo modo il motore alimentato, con una tensione positiva al pin 2 ed una tensione negativa al pin1, avvierà la rotazione dell’albero motore in senso antiorario. Premendo sul pulsante di destra denominato P2B avverrà la chiusura del corrispondente contatto elettrico che alimenterà con la tensione positiva di 10 V il pin 1 del motore, mentre il pin 2 riceve la tensione negativa attraverso il contatto chiuso di P2A e del diodo D2 in conduzione verso il negativo. In questo modo il motore alimentato, con una tensione positiva al pin 1 ed una tensione negativa al pin 2 avvierà la rotazione dell’albero motore in senso orario. Il movimento di elevazione si attua mediante altri due pulsanti a levetta di colore rosso e posizionati sul lato destro del control-box. Premendo il pulsante di sinistra denominato P1A, avverrà la chiusura del corrispondente contatto elettrico che alimenterà con la tensione positiva di 18 V il pin 3 dell’attuatore mentre il pin 1 è collegato direttamente alla tensione negativa: in questo modo si azionerà il movimento di elevazione. Premendo il pulsante di destra denominato P1B, avverrà la chiusura del corrispondente contatto elettrico che alimenterà con la tensione positiva di 18 V il pin 2 dell’attuatore mentre il pin 1 è collegato direttamente alla tensione negativa in questo modo si azionerà il movimento contrario.

I pulsanti a levetta sono stati costruiti usando dei microswitch (foto n.18) con i contatti, in posizione di riposo,  normalmente aperti. Azionando il doppio deviatore I1A - I1B posto sul pannello frontale potremo ridurre la velocità di rotazione del rotore che avviene mediante l’inserimento un resistore da 1,8 ohm 10 W in serie sul conduttore di alimentazione positiva. Con il resistore inserito la tensione da 10 V si riduce di circa 2 V. Quando la resistenza è inserita si accende un LED di colore rosso che serve ad evidenziare il movimento di rotazione più lento del rotore. Con la rotazione “lenta”, adatta per un puntamento preciso, il sistema di antenna completa l’angolo giro in circa 240 secondi.

Per quanto riguarda il circuito elettronico per la rilevazione della lettura dei gradi di azimut ho utilizzato il potenziometro interno al rotore e solidale con lo stesso albero del rotore. Una tensione di 5 V fornita dall’alimentatore interno al control-box viene applicata ai due capi estremi del potenziometro; durante la sua rotazione il motore comanda anche la rotazione del potenziometro, il quale presenta quindi una tensione al suo terminale centrale proporzionale alla posizione assunta dal motore stesso. Il dispositivo di misura applicato è quello del ponte di Wheatstone, composto da quattro resistenze. La caratteristica del ponte è che quando il rapporto fra le due resistenze di un ramo è uguale al rapporto fra le due resistenze dell’altro ramo, il ponte è bilanciato ed un voltmetro collegato ai due punti opposti a quelli  della alimentazione darà una lettura uguale a zero (ossia il ponte è bilanciato). Se facciamo in modo di variare una sola delle quattro resistenze il voltmetro indicherà un valore di tensione in qualche modo proporzionale allo sbilanciamento, poiché i punti in cui è collegato il voltmetro non sono più in condizioni di equilibrio.


 Questo all’atto pratico (figura n.8) viene realizzato posizionando i due potenziometri P1 e P2 all’interno del control-box mentre il potenziometro P3 viene  posizionato sul rotore ed è solidale con l’albero dello stesso in quanto azionato direttamente da quest’ultimo. Quindi ruotando il rotore gira anche il potenziometro che compie un giro completo ad ogni giro del rotore e di conseguenza sui capi di questo potenziometro sarà presente una tensione in stretta relazione con la posizione del rotore. Questa tensione viene confrontata con quella presente ai capi dei potenziometri presenti nel control-box e se risulta differente il ponte sarà sbilanciato; tale sbilanciamento darà una tensione che sarà letta direttamente dall’LCD. L’LCD necessita di una propria alimentazione pari a 9 V la cui massa dovrà essere indipendente dalla tensione che serve al circuito del ponte di misura. Allo scopo è stato utilizzato un altro piccolo trasformatore provvisto di due secondari. Con un secondario, dopo aver raddrizzato e stabilizzato la tensione a 9 V, si provvede ad alimentare il voltmetro LCD, mentre con l’altro secondario si provvede a fornire l’alimentazione stabilizzata a 5 V per il corretto funzionamento del ponte di misura. L’angolo di direzione, assunto dal sistema di antenna è visibile in gradi sul display dell’LCD che presenta una risoluzione di 1°. Allo stesso modo anche l’angolo di elevazione, mediante l’altro display dell’LCD  è visibile in gradi con una risoluzione di 0,1°. I due LCD sono posizionati sul pannello frontale del control-box fra di loro affiancati ed in corrispondenza dei pulsanti per la movimentazione dei due motori.

 

La presente descrizione è stata pubblicata su Radio Kit Elettronica del mese di novembre 2021 a pag.9

Continua............ 

 

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