Jak zvedat antény v elevaci, nebo elevátorový rotátor za pár korun

Autorem tohoto velmi povedeného projektu je Mak, SV1BSX (https://www.QSL.net/sv1bsx/).

O aktuátorech

Pod tímto ne příliš obvyklým slovem se skrývá zařízení, které snad každý už viděl. Používá se k otáčení SAT TV parabol. Je to ruka (v angličtině se obvykle označuje také jako arm – ruka), tedy levné, ale pevné a silné zařízení určené k ovládání anténních systémů. V následujících řádcích pronikneme do tajemství aktuátorů.

Na trhu se aktuátory vytlačují modernějšími systémy DiSEq dodávanými k digitálním přijímačům. Ve výprodejích je tak možné koupit za levný peníz (cca. 1000,-Kč) solidní aktuátor. Napájecí napětí se různí, pro nás jsou nejvhodnější aktuátory s napájecím napětím 12V, alternativně i 18V (motor bude mít menší otáčky, slabší záběr na 13,8V). Důležitým parametrem je zdvih aktuátora udávaný v palcích. Je to maximální délka vysunutí ramena. Běžně prodávané aktuátory jsou od osmi do třiceti šesti palců (20 – 92cm). Na obrázku č.2 jenakreslený 12palcový Rotátor aj s rozmermi, na obrázku č.3 funkcia.

Jak to funguje?

Jak již bylo zmíněno, aktuátor se skládá z motoru na stejnosměrný proud, převodov a šroubovice, která přeměňuje kruhový pohyb na přímočarý. Takže, když na aktuátor přivedete napětí, rameno se začne vysouvat a po změně polarity zasouvat.

Motory potřebují napětí v rozmezí 12 až 36V. Použil jsem model na 36V. Při vyšším napětí je proud mnohem menší (detaily v části napájení). Motor se však točí i při 12V, ale mnohem pomaleji. Je to vhodné na drobné korekce, zvlášť u satelitů na vyšší oběžné dráze a užších vyzařovacích úhlech antén. V praxi se mi osvědčilo napětí mezi 12 až 24V, při 36V je rychlost už příliš velká.

Napájení

Jak již bylo zmíněno, nominální napětí aktuátorů se pohybuje od 12 do 36V. Pokud máte aktuátor na 12V, můžete využít i zdroj 13,8V, z kterého napájíte transceiver.

V okamžiku, kdy se aktuátor spouští, je špičkový proud dost vysoký. Rozběhový proud je někdy až 5 až 10krát vyšší než jmenovitý! Zamezení těchto špiček je jednoduché – zařazením žárovky do napájecího obvodu. Vytvoří se tak nejjednodušší obvod „soft-startu“. Vhodné jsou autožárovky nad 5W. Vhodnou je třeba vybrat pokusně podle následujícího postupu: jako první zapojte 5W žárovku a zapněte napájení. Pokud žárovka i po rozběhu stále svítí, budete potřebovat silnější. Ideální je, když při startu žárovka zabliká a pak nesvítí.nebo jen žne. K dvanáctivoltovému aktuátoru jsou vhodné žárovky na 6 až 12V, k dvacetičtyřvoltovému 12 až 24V.

S1 je dvojitý ON-OFF-ON přepínač. Ve střední poloze je v poloze OFF – vypnutý. Krajní kontakty jsou využity jako UP (nahoru) a DOWN (dolů). Přepnutím S1 do polohy UP se na motor přivádí napětí jedné polarity, v poloze DOWN opačné. Tak se rameno aktuátoru buď vysouvá, nebo zasouvá.

Na obrázku č.6 je rozšířené ovládání rotátoru, které umožňuje manuální i dálkové ovládání. Tlačítky B1 a B2 ovládáme aktuátor manuálně. Dálkové ovládání se realizuje uzemněním bodu A nebo B, například přes výstupní tranzistor elektronického obvodu (například FodTrack a podobně). Takto je možné aktuátor ovládat z počítače, ať už na pokyn obsluhy, nebo automaticky z predikčního programu.

Například, pokud je uzemněn bod A, relé RL1 přitáhne, na motor se dostává napětí, rameno se vysouvá, Elevace se zvyšuje. Uzemněním bodu B se děj reverzuje.

Diódy D jsou libovolné křemíkové nebo diody jako 1N4003, 1N4004 a podobně.

Obvod vypadá sice složitě, ale to jen proto, že je „blbuvzdorný“. Znamená to, že pokud je zapnuto relé RL1, nemůže být zapnuto relé RL2 a naopak. Stejně tak, pokud by z jakéhokoli důvodu došlo k současnému stisknutí tlačítek B1 a B2, pouze jedno relé bude zapnuto. Jinak by se mohlo stát, že zkratujete zdroj!

Možnost dálkového ovládání je užitečná, pokud ovládáte aktuátor z počítače. Například s rozhraním Fodtrack a tímto obvodem s relé je možné řídit jakýkoli aktuátor (Fodtrack piny č.3 na A pin 5 na B). Naznačené napájecí napětí relé 5V je pouze jako příklad. Volíme ho podle typu použitých relé. Hlavně mějte na paměti, že obvod můžete přizpůsobit a změnit podle svých potřeb.

Použití žárovky jako obvodu „soft startu“ je jednoduché a efektivní. Ale pokud chcete použít sofistikovanější metodu, nebo váš aktuátor nemá napájecí napětí 12V, pak je třeba vyrobit nezávislý napájecí zdroj.

LM317T má velkou výhodu jako napájecí zdroj pro tento účel, protože obsahuje proudový omezovač. Maximální výstupní proud je 1,5A a obvod s žárovkou není potřeba. Navíc trimrem P1 je možné nastavit vhodné výstupní napětí k aktuátoru od 12 do 36V.

LM317T je jednoduchý třívývodový stabilizátor s výstupním proudem do 1,5A a výstupním napětím mezi 1,2 až 37V. Obsahuje omezovač proudu a teplotní pojistku. Vstupní napětí musí být minimálně o 3 až 4V vyšší než výstupní, ale nesmí přesáhnout 40V. Výstupní napětí je určeno děličem R1, R2 (v schématu na obr.7 platí, že R2 = R+P1). Pro výstupní napětí v rozsahu 8 až 13,8V je R 1k2, P1 1k, pro výstupní napětí 11,5 až 24V je R 1k8 a P 2k2.

Hodnoty rezistorů v děliči je možné vypočítat podle vzorce:
Vout = 1.25 * ( 1 + R2 / R1 )

Protože je jako R2 použita kombinace trimru P1 a pevného rezistoru R, je dělič částečně proměnný a umožňuje tak variovat výstupní napětí. Je důležité pamatovat na to, aby ani při plném odběru nekleslo vstupní napětí do stabilizátoru oproti výstupnímu pod 3V, raději 4V. Vzhledem k tomu je třeba dimenzovat transformátor.

Zapojení je rozšířeno o obvody potlačující přechodné jevy vznikající na indukční zátěži, jako motor aktuátoru určitě je. Navíc od zdroje vedou poměrně dlouhé kabely, které se také projevují jako indukčnost. Aby LM317-ka pracovala spolehlivě, je třeba přidat Zenerovu diodu, blokovací kondenzátor C3 a feritovou perlu.

Zenerovo napětí diody musí být o 4 až 5V vyšší než maximální výstupní napětí zdroje. Například, pokud je výstupní napětí zdroje 12V, pak DZ musí být na 16V/1W.

Zapojení má ještě jeden výstup – pokud se jako P1 použije potenciometr, je možné kdykoli snížit napětí a tím dosáhnout pomalejšího pohybu antén a přesně tak korigovat malé odchylky v elevaci.

Koncové spínače (horní a dolní)

Aktuátory mají dva nastavitelné koncové spínače uvnitř převodové skříně. Pomocí nich je možné nastavit dolní (na 0°) a horní (na 90°) doraz. Je to důležité i z hlediska ochrany samotného aktuátora, který by mohl být při překročení a nadměrném zatížení poškozen.

Správným nastavením koncových spínačů se celý systém bezpečně elevuje v rozsahu 0 až 90 stupňů. Například, pokud aktuátor dosáhne horního nebo dolního spínače, ten odpojí napětí od motoru. Bude reagovat pouze na napětí opačné polarity, což znamená bezpečný pohyb.

Na stránce http://www.qsl.net/sv1bsx/actuator_lnk.html jsou podrobné informace od výrobce SATENG. Dostal jsem email od rádioamatéra, jehož aktuátor neměl dorazové spínače. Nemám představu, jak je to možné, ale je nemyslitelné, aby výrobce nezabudoval tyto části do aktuátora. Určitě tam tedy budou, ale nejsou nastavitelné.

Mějte na paměti, že rozsah elevace aktuátora je od 0 do 90 stupňů, zatímco originální elevace rotátory umožňují i překlápění rotátoru, tedy elevaci v rozsahu 0 až 180 stupňů (flip mode).

Takže, pokud je oblet satelitu nadhlavníkový, aktivační systém neumožňuje sledovat jeho pohyb bez přerušení. Antény od AOS (objevení satelitu nad obzorem) zvedáme až do 90 stupňů, poté azimutálním rotátorem otočíme antény o 180 stupňů a sklápíme je až po LOS (ztráta satelitu za obzorem). V praxi je však nadhlavníkových obletů relativně málo. Vhodným řešením se dá dosáhnout rozsahu elevace až do 135 stupňů. Ba teoreticky je možné pomocí pístu (stejným způsobem jako v motoru auta) dosáhnout i plné elevace. Toto však nemá v praxivelký význam…. , protože nadhlavníkových obletů je jen 1 až 2% a antény mají dostatečnou šířku vyzařovacích laloků.

Způsob odečítání velikosti elevace

Řídicí jednotky k TV satelitním přijímačům využívají impulzní odečítání velikosti vysunutí aktuátora. To je obvykle 48 pulzů na 1 palec (2,54 cm). Tyto obvody v přijímači převedou na stupně, které se zobrazí na displeji.

Pro rádioamatérské použití tento způsob přináší značné komplikace. Většina satelitních trackingových rozhraní, která umožňují ovládat rotátor, má napěťový vstup pro zjištění velikosti elevace. Tento problém tedy je třeba vyřešit. Jako první možnost se nabízí zkonstruovat podobný systém jako je v satelitním přijímači, například s PIC a digitální stupnicí. To si však vyžaduje znalosti těchto obvodů, a to nemá každý.

Ale existuje ještě jednoduchá pomoc: potenciometr mechanicky spojený s aktuátorem. To je možné udělat několika způsoby. Jedním z nich je přenést moment přes kladku na osu potenciometru. Jako druhá možnost je použít jednoduchý pákový systém. Inspirace, jak na to, jsou na obrázcích. Velmi pěkný patent však vymyslel PA4FP. Zabudoval víceotáčkový potenciometr přímo do skříňky aktuátoru a ozubeným kolečkem z dětské hračky ho navázal do převodu od motoru.

Na obr.9 je jednoduché zapojení, které umožňuje na stupnici měřicího přístroje odečítat elevaci přímo ve stupních. Pokud je dobře nakalibrováno, přesnost je 1 stupeň. Červenými čarami v schématu jsou nakresleny části, které jsou mimo shack. Jako vodiče k potenciometru stačí běžná dvojlinka (2 x 0,5 mm).

P1 má 5k, trimr P2 také 5k. Trimr P3 má 10k, všechny průběhy jsou lineární. Je výhodné, aby P2 a P3 byly víceotáčkové typy, tak se systém lépe kalibruje. Precizní nastavení totiž vyžaduje trpělivost. Měřidlo postačí libovolné od 0,1 do 1mA.
Nastavení se provádí tímto způsobem:
a) nastavte P2 a P3 asi do 1/3 dráhy od uzemněného kraje
b) zvedněte antény na nejvyšší elevaci (90°) a nastavte s P2 maximální výchylku na měřicím přístroji
c) sklopte antény (0°) a nastavte s P3 minimální výchylku na měřicím přístroji
Kroky B a C je třeba několikrát zopakovat, dokud se nedosáhne požadované přesnosti (prvky se vzájemně ovlivňují).

Pod následujícím odkazem najdete vylepšený systém odečítání elevace: https://www.qsl.net/sv1bsx/actuator/elev_reader.html

Mechanické části

Pro mnoho rádioamatérů představuje mechanika nejtěžší oblast hobby. Někdo ji nemá rád, někdo nemá potřebné nářadí pro výrobu nebo úpravu kovových částí. V této části najdete několik způsobů, jak vyrobit mechanickou část elevačního systému bez potřeby mít netradiční nástroje – postačí vrtačka, šroubovák a kleště.

První řešení je na obrázku výše. Stačí ohnout čtyři plíšky do L, navrtat několik děr na šrouby a ohnout pár U-ček. V železářství se dá koupit materiál za pár stovek.

V této úpravě je vykonavatelem kruhového pohybu vodorovná tyč, která tvoří závěs. Působením na pant se přímočarý pohyb aktuátora mění na kruhový. Konstrukce musí být bezpodmínečně masivní, jinak dojde působením různých sil k destrukci. Celý anténní systém totiž působí na závěs, který musí odolat i nejsilnějšímu větru. Výhodou je, pokud jsou antény malé a lehké.

Následující obrázky ukazují způsob přeměny přímočarého pohybu na kruhový:

…. a obrázky níže zachycují prototyp elevátorského systému s aktuátorem

Další řešení zachycuje fotografie níže. S dvěma souosými trubkami se GM4JJJ podařilo vytvořit velmi pevnou konstrukci. Vnější trubka je uchycena U-čkami na kovovou destičku. Vnitřní trubka je takového průměru, aby akorát vešla do vnější a dala se otáčet bez drhnutí. Pokud má dostatečnou délku, celé uchycení je velmi stabilní a hodí se i pro rozměrnější anténní systémy, např. pro EME.

Na posledním obrázku je jednoduchý domácí rotátor SV1EPE využívající stěračové převody. Poměr převodu je 360:1, takže i malý motorček zvládne otočit stožár bez problémů. Spojka mezi motorem a převodovkou je ze zahradní hadice!

Tak, a to by bylo vše. Pokud vás ještě něco napadne, nebo máte poznámky a vylepšení k uvedenému řešení, neváhejte a napište mi na sv1bsx@yahoo.gr. Ještě se chci zvlášť poděkovat mé neteři Katerině Matiatos, která mi pomohla s kompletizováním tohoto popisu.

Mak, SV1BSX https://www.qsl.net/sv1bsx/