Benutzerhandbuch. RasPager Digi

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1 Dipl.-Ing. Christian Jansen, DF6EF Melatener Str. 89a Aachen Benutzerhandbuch RasPager Digi Seite 1

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3 1 Inhaltsverzeichnis 2 Projektbeschreibung RasPager Digi Aufbau Endstufe Aufbau 19 Einheit Übersicht Detailbeschreibung Stückliste RasPager Digi... Fehler! Textmarke nicht definiert. Seite 3

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5 2 Projektbeschreibung RasPager Digi Der RasPager Digi ist ein kombinierter Aufbau aus dem RasPager und einer Endstufe, der zusammen in einem 19 Gehäuse mit 1 HE untergebracht ist. Diese Version des RasPagers eignet sich als Ersatz für den Funkrufsender Ericsson C9000, da mit ihm aufgrund der höheren Sendeleistung auch größere Gebiete versorgt werden können. Tabelle 1 zeigt den direkten Vergleich zwischen diesen drei Sendern. Vergleich RasPager RasPager Digi Ericsson C9000 Abmessungen 9 cm x 6 cm x 4 cm 19 Einschub mit 1 HE Gewicht ~ 100 g ~ 1 kg ~ 18 kg Leistungsaufnahme Standby: Sendebetrieb: ~ 1 W ~ 4 W ~ 5 W ~ 40 W 48 cm x 40 cm x 13 cm ~ 15 W ~ 75 W Sendeleistung 10 mw 10 W 25 W Tabelle 1:Vergleich zwischen RasPager, RasPager Digi und Ericsson C9000 Der fertig aufgebaute RasPager Digi ist in Abbildung 1 bis Abbildung 3 dargestellt. Abbildung 1: Frontansicht RasPager Digi Abbildung 2: Rückansicht RasPager Digi Seite 5

6 Abbildung 3: Innenleben des RasPager Digi Herzstück des Leistungsverstärkers ist das Hybrid-Verstärkermodul RA30H4047M von Mitsubishi. Es verfügt über eine dreistufige MOSFET-Kaskade, deren maximale Ausgangsleistung 30 Watt beträgt. Die Leistung lässt sich im FM-Betrieb durch Einstellen der Gatespannung V GG regeln. Im Normalbetrieb erreicht das Modul bereits bei 10 mw Eingangsleistung seine volle Ausgangsleistung, was für den direkten Anschluss an das ADF7012-Board ideal ist. Der Schaltplan des Leistungsverstärkers ist in Abbildung 4 dargestellt. Aufgrund der integrierten Schaltung des Hybridmoduls sind nur wenige externe Bauteile nötig. Die 5 V-Gatespannung wird von einem 7805 Linearspannungsregler (IC2) erzeugt. Alle Spannungen werden durch Kondensatoren gestützt und gegen Hochfrequenz abgeblockt. Mit Hilfe des Trimmpotentiometers R1 lässt sich die Gatespannung V GG regeln und so die Ausgangsleistung einstellen. Zusätzlich kann zur Leistungsregelung auch die Einstellung der Ausgangsleistung im ADF7012 genutzt werden. Es ist jedoch darauf zu achten, dass die Eingangsleistung der Endstufe nicht zu gering wird, da diese sonst nicht mehr effizient arbeitet (vgl. Datenblatt des RA30H4047M). Seite 6

7 Abbildung 4: Schaltplan der Endstufe Seite 7

8 Am Ausgang des RA30H4047M wurde auf der Platine ein zusätzlicher, optionaler Tiefpassfilter platziert, welcher die Oberwellen dämpft und für die Einhaltung der gesetzlichen Bestimmungen sorgt, falls dies aufgrund des ausgesendeten Spektrums des Leistungsverstärkers nötig werden sollte. Die Bauteilwerte können aufgrund gleicher Impedanz und Frequenz 1:1 vom ADF7012-Board übernommen werden. Die Belastbarkeit der Bauteile muss aber entsprechend angepasst werden. Es hat sich gezeigt, dass bei einem Arbeitspunkt mit 10 W Ausgangsleistung (RasPager mit voller Ausgangsleistung [ca. 13 dbm] und mit Hilfe von V GG auf 10 W eingestellt) auf den Ausgangsfilter gänzlich verzichtet werden kann, da keine unzulässig hohen Nebenaussendungen abgestrahlt werden. Hier ist aber trotzdem jeder Einzelfall zu prüfen! Abbildung 5 zeigt das Oberwellenspektrum unserer Endstufe bei 10 W Ausgangsleistung (mit 20 db Dämpfungsglied). Abbildung 5: Oberwellenspektrum der Endstufe bei 10 W Ausgangsleistung Die Einstellung auf 10 W Ausgangsleistung bringt auch einen Vorteil für die Wärmeentstehung und Abfuhr mit sich. So hat sich im Test gezeigt, dass sich das Verstärkermodul auch bei einer 60-minütigen Dauersendung nicht unzulässig hoch erwärmt. Es ist daher unter Beachtung der Nebenaussendungen und der Erwärmung der Endstufe auch denkbar, die Ausgangsleistung dauerhaft auf Werte oberhalb von 10 W einzustellen. Seite 8

9 Hier ist aber jeder für sich selbst gefragt, die erforderlichen Messungen durchzuführen und die Werte im Blick zu behalten. Abbildung 6 zeigt die Auswertung des Dauersendungsversuchs. Schön zu erkennen ist ebenfalls die Abkühlphase nach dem Abschalten des Senders. Abbildung 6: Dauersendungstest mit der Endstufe bei 10 W Seite 9

10 3 Aufbau Endstufe Auf der Platine der Endstufe gibt es nur wenige Bauteile. Der Bestückungsplan ist in Abbildung 7 dargestellt. Die Bestückung des Ausgangsfilters ist unter Umständen im Betrieb bis 10 W Ausgangsleistung nicht notwendig. In diesem Fall kann direkt an den Ausgang das Koaxialkabel angelötet werden. Abbildung 7: Bestückungsplan Endstufe Zunächst werden alle Bauteile auf die Platine gelötet. Danach kann das Modul direkt an die Platine gelötet werden. Der Höhenunterschied zwischen der Unterseite der Platine und der des Moduls wird später durch die Höhe des Abschirmgehäuses ausgeglichen. Abbildung 8: Layout der Endstufe Seite 10

11 Das Hybridmodul wird direkt auf den Kühlkörper aufgeschraubt. Außerdem wird die Schaltung in ein Metall-Abschirmgehäuse gekapselt. Für das Modul ist dazu ein Teil des Bodens herausgesägt, damit ein möglichst guter Kontakt zum Kühlkörper besteht. Im Layout muss besonders die Verbindung der Masseflächen von Platine und Modul berücksichtigt werden. Deren niederimpedante und möglichst kurze Ausführung ist unabdingbar für einen schwingungslosen Verstärkerbetrieb. Zu diesem Zweck dienen die beiden Zinnflächen links und rechts oben auf der Platine (vgl. Abbildung 9 und Abbildung 10). Hier wurde der Lötstopplack ausgespart, um die Flansche des Hybridmoduls auf direktem Wege mit Hilfe von Lötfahnen an die Masse auf der Platine anbinden zu können. Die Unterseite des Moduls ist zwar auch vollflächig Metall und leitend, jedoch kann aufgrund der primären Funktion der Wärmeabfuhr ein niederohmiger Übergang auf den Kühlkörper nicht garantiert werden. Abbildung 9: Platine der Endstufe (v1.0) Die Unterseite der Platine wurde komplett ohne Lötstopplack gefertigt, was einen guten Massekontakt mit dem Abschirmgehäuse zur Folge haben soll. Die Platine wird dazu mit der leitenden Seite fest in das Gehäuse verschraubt. Dieses wiederum wird unmittelbar auf den Kühlkörper befestigt. Der Kühlkörper wurde für besseren elektrischen Kontakt im Bereich des Abschirmgehäuses abgeschliffen, um die schlecht leitende Eloxierung zu entfernen. Abbildung 10 zeigt den Aufbau des Leistungsverstärkers, fertig montiert auf dem Kühlkörper. Seite 11

12 Abbildung 10: Leistungsverstärker im Abschirmgehäuse Seite 12

13 4 Aufbau 19 Einheit 4.1 Übersicht An Endstufe und Gehäuse sind mechanische Arbeiten wie sägen, bohren, gewindeschneiden und feilen notwendig. Für die beiden Lüfter in der Frontplatte müssen zwei etwa 30 mm große Löcher ausgeschnitten und zur Befestigung jeweils 6 M3 Durchgangslöcher gebohrt werden. In die Rückwand des 19 -Gehäuses kommen Ausschnitte für den PowerPole Anschluss, die Netzwerk-Durchgangsbuche und den N-Anschluss. Außerdem sind Langlöcher für den Luftauslass zu bohren oder fräsen. In die Bodenplatte müssen vier Löcher für die Kühlkörperbefestigung gebohrt werden. Diese sind soweit anzusenken, dass die Senkkofschrauben nicht mehr aus dem Gehäuseboden herausstehen. Um das Hybridmodul direkt auf den Kühlkörper schrauben zu können, ist ein entsprechend großer Ausschnitt im Abschirmgehäuse notwendig. Außerdem müssen zwei Durchgangslöcher gebohrt werden, um die Platine und das Gehäuse auf den Kühlkörper schrauben zu können. In den Kühlkörper müssen 4 Durchgangslöcher zur Befestigung auf der Bodenplatte gebohrt werden. Zusätzlich werden vier M3 Gewindelöcher benötigt, um das Hybridmodul (zwei Schrauben) und das Abschirmgehäuse mit innenliegender Platine (zwei Schrauben) aufzuschrauben. 4.2 Detailbeschreibung Der gesamte Aufbau des RasPager Digi bestehend aus Raspberry Pi, ADF7012-Board und dem Leistungsverstärker soll in einem 19 -Gehäuse von Schroff mit nur einer Höheneinheit (1 HE) Platz finden. Die Idee ist, einen kompakten Einschub zu entwickeln, der leicht transportiert werden kann und der zum Betrieb lediglich noch Strom, eine Antenne und ein Netzwerkanschluss benötigt. Bei temporären Einsätzen wie etwa Messen oder Funkveranstaltungen kann er so leicht aufgestellt und in Betrieb genommen werden. Beim stationären Betrieb in automatisch arbeitenden Stationen lässt er sich ohne Aufwand in vorhandene 19 -Schränke integrieren. Seite 13

14 Um eine möglichst große Kompatibilität mit einer Vielzahl von Verwendungsmöglichkeiten zu schaffen, wird der Einschub mit 12 V betrieben. So ist auch der Akkubetrieb an einer Autobatterie denkbar. Der Anschluss der Versorgungsspannung geschieht über Power-Pole Anschlüsse. Der Antennenanschluss wird in Standard Norm N ausgeführt. So können Koaxialkabel direkt angeschlossen werden. Die Buchse ist ebenfalls in der Rückwand montiert. Sie ist ein Einbauadapter zwischen N-Norm und der BNC-Norm. Dies hat den Vorteil, dass die Koaxialkabel von beiden Seiten des Adapters abgeschraubt werden können und so auch ein einfacher Aus- und Einbau des Leistungsverstärkers möglich ist. Da das Koaxialkabel direkt auf der Platine des Leistungsverstärkers verlötet wird, wäre eine einfache Handhabung sonst nicht möglich. Der Netzwerkanschluss des Raspberry Pi geschieht durch eine Modular-Durchgangsbuchse, welche auch in der Rückwand Platz hat. Es handelt sich um einen einfachen CAT 6 1:1 Verbinder, in den von beiden Seiten Netzwerkkabel eingesteckt werden kann. Die Verbindung zur Raspberry Pi Netzwerkbuchse innerhalb des Gehäuses geschieht mit Hilfe eines kurzen Patchkabels. Abbildung 11: Rückseite des RasPager Digi Die Montage des Raspberry Pi im 19 -Gehäuse erfolgt mit Hilfe des Unterteils eines handelsüblichen Kunststoffgehäuses für den Raspberry Pi. Dieses wird auf die Bodenplatte geklebt und der Raspberry Pi kann bequem in das Gehäuse eingerastet werden. Die 5 V-Spannungsversorgung für den Raspberry Pi übernimmt ein open frame DC/DC-Wandler (Abbildung 12), der in ein Aluminiumgehäuse eingebaut wird. Der Wandler Seite 14

15 erzeugt stabilisierte 5 V aus der vorhandenen 12 V Versorgungsspannung und kann dabei bis zu 2 A Strom liefern. Abbildung 12: DC/DC-Wandler Platine Abbildung 13 zeigt den finalen Aufbau aller Komponenten im 19 -Gehäuse. Der Kühlkörper mit dem Leistungsverstärker wird mit Senkkopfschrauben auf der Bodenplatte befestigt. Diese garantieren, dass keine abstehenden Teile (wie beispielsweise Schraubenköpfe) das Einschieben in ein 19 -Rack erschweren oder unmöglich machen. Abbildung 13: Innenleben des RasPager Digi In der Frontplatte (Abbildung 14) sind die beiden 30 mm Lüfter montiert. Sie sorgen für einen kontinuierlichen Luftstrom durch die Kühlrippen des Kühlkörpers. Ein Fingerschutz auf der Frontplatte verhindert das unbeabsichtigte Greifen in den sich drehenden Rotor. Die Seite 15

16 Lüfter sind mit jeweils drei Zylinderkopfschrauben in der Frontplatte befestigt. Für den Luftauslass wurden auf der Rückseite Langlöcher in die Gehäusewand gefräst. Abbildung 14: Vorderseite des RasPager Digi Seite 16