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Energie und Daten übertragen auf Kurzwelle

Kartonsterne basteln nicht nur zu Weihnachten

Das Radio Frequency Powering and Identification System zum Selberlöten und Ausschneiden

Letzte Änderung: 23.12.2020

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Natürlich gibt es schönere Sterne, doch dank etwas Leitungsdraht und Kupferfolie strahlt auch dieser.

Inhalt:

22.12.20: Induktive RFID-Sendestation mit Röhren- Quarzoszillator
23.12.20: Die Empfängerspule sendet zurück
23.12.20: Der digital modulierte Oszillator sendet Bits

1. Das Wichtigste zuerst: der passende Röhrenoszillator für die RFID

Einen Gegenstand drahtlos per Funk oder mit magnetischer Induktion mit Strom zu versorgen, ist gar nicht so schwer. Im Universator habe ich das schon vorgeführt. Ein hochfrequentes Magnetfeld von knapp 50 kHz induziert in einer Spule über eine geringe Distanz hinweg soviel Strom, dass es darin eine hohe Spannung erzeugt. Doch leider ist das System kompliziert. Vor allem braucht die Empfangsspule viel Kupferdraht, um auf die richtige Frequenz zu hören.
Wenn der Oszillator dagegen eine höhere Frequenz hat, dann genügt eine Spule mit nur wenigen Windungen. Ein Bastelstern mit Draht, wie oben schon gezeigt. Damit läßt sich elektrische Energie drahtlos auf kurzen Distanzen übertragen (links) und mühelos eine LED hell aufleuchten lassen. Wenn man mehrere Sterne hintereinander stellt, reicht es auch noch ein wenig weiter (rechts).
Außerdem soll die Sendestation erfahren, welcher Verbraucher sie gerade anzapft. Das wäre dann schon fast ein RFID-System. Radio Frequency Identification heißt das Zauberwort. Lassen Sie uns diese Idee weiterverfolgen.

Ein quarzstabiler Röhrenoszillator

für 13,560 MHz ist die Lösung. Diese Frequenz ist international allgemein für industrielle, wissenschaftliche, medizinische Zwecke und induktive Funkanwendungen zugelassen. Auch ohne eigene Funklizenz darf man ganz legal elektromagnetische Strahlung bis zu einer gewissen Leistung in den Raum senden. Da dieses Frequenzband sehr schmal ist, das heißt, einen Bereich von nur +/- 7 kHz abseits der Mittenfrequenz umfaßt, empfiehlt sich für den Bastler ein quarzstabilisierter Oszillator.


In der Spalte links ist als oberstes Bild der Schaltplan eines quarzgesteuereten Röhrenoszillators mit handgeflochtener Sendespule zu sehen. Der ECO-Oszillator mit EF 89 arbeitet auf 13,56 MHz. Die Freqenz wird allein durch den Schwingquarz im Gitter-Katoden-Kreis festgelegt. Das Bild rechts zeigt zwei gängige Bauformen, in denen Quarze erhältlich sind: im großen HG18- und im kleinen HG49-Format. Ich habe letzteres verwendet. Mit dem Trimmer lassen sich 4 bis 20 pF einstellen, wohingegen der Quarz selbst etwa 30 pF Eigenkapazität hat. Er wird so eingestellt, dass die Hochfrequenzspannung am Schwingquarz zu seinem Schutz möglichst klein bleibt (wenige Vss), aber der Oszillator dennoch sicher anschwingt. Keinesfalls sollte man einen Schwingquarz mit der Anode der Röhre konfrontieren. Das könnte den sensiblen Kristall zerstören.
In ihrem Anodenkreis transformiert die Röhre das HF-Spannungsniveau herauf. Von der Anodendrossel (1 mH) wird die HF über einen Kondensator an die Sendespule (im Plan als "Lesespule" bezeichnet) abgeleitet. Mit dem 60-pF-Trimmer wird der Schwingkreis auf die Arbeitsfrequenz des Oszillators abgestimmt.
Die beiden Röhrendioden einer EABC 80 im rechten Teil des Schaltplans bilden einen HF-Gleichrichter. Ich habe sie eingebaut, um Änderungen der HF-Amplitude an der Sendespule messen zu können, die z.B. durch eine in der Nähe befindliche Empfangsspule verursacht werden.
In der Mitte ist der Aufbau des Oszillators am Steckbrett gezeigt, sowie die Lesespule und eine zweite Empfangsspule mit einer weißen LED. Die LED hat eine HF-Halbleiterdiode BAT 45 in Serie (vermutlich geht auch eine 1 N 4148) und leuchtet, wenn ein HF-Feld passender Frequenz einstrahlt.
Unten: die beiden Spulen sind aus einer Kartonscheibe mit 7 cm Durchmesser gefertigt. Die Empfangsspule hat an einer Seite zusätzlich eine vorstehende, 2 cm breite und lange Kartonlasche. Am Rand der Scheibe sind ringsum sieben Einkerbungen herausgeschnitten. Hierin werden alternierend auf der Vorder- und Rückseite sechs Windungen aus Schaltdraht mit 5 cm Durchmesser verlegt. Ich habe PVC-isolierte Modelleisenbahn-Litze verwendet. Auf die Lasche wird auf beiden Seiten je ein Stück selbstklebende Kupferfolie geklebt. Daran werden die Litzenenden straff festgelötet. Die Kupferstücke dürfen sich nicht direkt berühren, denn sie sollen einen Kondensator bilden. Zusätzlich werden die Dioden aufgelötet, wobei sich mit der Kupferfolie weitere Lötpunkte herstellen lassen. Ein Loch im Karton dient als Drahtdurchführung.
Spulen-Abstimmung: Die Lesespule am Oszillator kann nun mit dem 60-pF-Trimmer auf Resonanz bei 13,56 MHz abgestimmt werden. Bei der Empfangsspule nimmt man einfach die Schere. Man bringt die Spule ins Feld der Lesespule und schneidet solange kleine Stückchen von der metallisierten Lasche ab, bis die LED nicht mehr heller wird. Dann ist auch diese Spule korrekt eingestellt. Ich habe mir zum Experimentieren gleich mehrere solcher Spulen gemacht.

Warum eigentlich immer diese EF 89 bei so vielen Sauerampfer-Online-Bastelprojekten? Nun, ich habe zufällig ein paar davon in der Schublade. Nein, es gibt einen praktischen Grund: die Röhre ist "Radiobastler-freundlich".
Als Pentode mit Regelkennlinie begrenzt sie die Schwingungsamplitude in einer Oszillatorschaltungen automatisch, ohne dass Gitterstrom fließt und allzu viele Oberwellen entstehen. Es bildet sich eine hohe negative Vorspannung, die das Gitter aus dem Gitterstrombereich hinaus schiebt und ihre hohe Verstärkung sanft heruntersetzt. Das reduziert zudem den Anodenstrom. Wichtig, wenn man beim Basteln auf Batterien angewiesen ist. Lineare Röhren wie die EF 80 und EF 184 schneiden dem Sinus dagegen gern die positive Kappe ab, wenn man nicht ganz präzise dimensioniert. Oder es entstehen wilde "Klystron"-Schingungen. Mit der EF 89 sieht der Oszillator am Oszi oft gar nicht so schlimm aus, wenn ein Widerstand etwas daneben liegt. Die Röhre ist zudem mit nur 200 mA Heizstrom schon zufrieden. Als Audioendstufe schafft sie bei guter Bemessung des Trafos 0,5 Watt. Für ein kleines Radio reicht das.

2. Die Empfängerspule sendet zurück



HF-Strahlung absorbieren (oben) kann jedes Stück Metall. Damit die Sendestation aber erkennen kann, dass eine "autorisierte" Empfangsspule ihre Energie absorbiert, muss die Spule ein Signal an die Sendestation zurückschicken. Mit der hier gezeigten Version geht das ganz simple. Man benötigt zusätzlich eine HF-Diode, einen Silizium-Transistor BC 547 B, und einen Kondensator.
Der Schaltplan (mitte) hat durchaus keinen Fehler: die Basis des Transistors bleibt unbeschaltet. Wenn man diese Spule ins HF-Feld der Sendestation hält, dann läd die Diode den 0,1-µF-Kondensator auf etwa 10 V auf. Dann schaltet der Transistor wie eine Zenerdiode durch und entläd den Kondensator um einige Volt. Anschließend läd sich der Kondensator wieder neu auf. Die Kippschaltung funktioniert wohl nicht mit jedem Transistor, doch die gängigen Typen BC 546, BC 547 u.ä. eignen sich hervorragend.
Unten: So entsteht eine Sägezahnspannung. Die Frequenz ist je nach Feldstärke 3 bis 10 kHz. Im gleichen Takt muss auch die Sendestation Energie nachliefern. Am Signalausgang kann man diese Sägezahnspannung von der Sendestation abgreifen. Das Oszillogramm zeigt sowohl die Spannung UCE am Transisitor als auch das Ausgangssignal der Sendestation.

Der digital modulierte Oszillator

Mit dem Hochfrequenzfeld lassen sich umgekehrt auch Informationen an die Empfangsspule senden. Dazu kann man, wie in der linken Spalte gezeigt, das HF-Signal zwischendurch für eine kurze Zeitspanne austasten. Die Empfängerspule müsste natürlich eine Elektronik besitzen, die dieses Signal als Informationsbit dekodiert.
Oben: Ich habe den HF-Oszillator durch einen Sperrschwinger ergänzt. Da ja schon eine EABC 80 verwendet wurde, habe ich dazu einfach die noch unbenutzte Triode und eine noch freie Diode eingesetzt. Der Transformator hat drei Wicklungen mit Windungsverhältnissen 1 : 1 : 2,5. Der Sperrschwinger erzeugt spitze Impulse mit einer Frequenz von 150 Hz und einer Dauer von 50 µs. Die Spannung von der dritten Wicklung wird mit der verbliebenen Diode gleichgerichtet.
Unten: Dabei entsteht an der Diode eine negative Impulsspitze von ungefähr −12 V. Diese Spannung gelangt an das Bremsgitter der EF 89. Der negative Impuls blockiert die Passage der Elektronen zur Anode, die Schwingungen an der Lesespule setzen aus (obwohl der ECO-Oszillator weiterschwingt.
Man könnte hier beispielsweise ein serielles Datensignal einspeisen, dass übertragen werden soll. Dazu müsste allerdings die Empfangsseite noch ein wenig ausgebaut werden.

Hans Martins Bastelseiten, 2020