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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Tormenta, estática y antena. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Antenas. Teoría Las cuestiones del funcionamiento seguro de las antenas y los equipos conectados a ellas durante los períodos de actividad tormentosa se han discutido de vez en cuando en la literatura de radioaficionados. Sin embargo, al crear una estación de radioaficionado, los operadores de onda corta y ultracorta prestan atención a estas cuestiones en último lugar, aparentemente esperando que el famoso ruso "tal vez pase". Pero esto es fundamentalmente incorrecto, porque... Según las estadísticas, en Europa Central caen una media de uno a cinco rayos al año por kilómetro cuadrado. En otras palabras, puede estar seguro de que cada pocos años caerá un rayo a menos de 100 m de su antena (en el sur y en las zonas montañosas esta probabilidad es mayor que en el norte y en las llanuras). Y si es así, será mucho más prudente prepararse para esto con anticipación que contar las pérdidas más tarde; en los transceptores de transistores, en este caso, no solo los circuitos de entrada del receptor, sino también los transistores de salida del transmisor generalmente " volar”. ¿Cuáles son los peligros para el equipo aficionado que lleva una tormenta? 1. Potencial estático que se acumula lentamente y sus cambios bruscos durante descargas alejadas de la antena (varios cientos de metros o más). Si la antena o la mitad de ella está aislada de CC del suelo (por ejemplo, un GP o un dipolo simétrico), entonces se pueden acumular altos potenciales estáticos antes y durante una tormenta. Consideremos este ejemplo. A una altitud de dos kilómetros hay una nube de tormenta con un potencial de 2 MB (¡megavoltios!), y en este caso el suelo tiene potencial cero. Este condensador gigante tiene una intensidad de campo eléctrico estático de 1 kV/m. Es decir, en una antena aislada del suelo, por ejemplo un dipolo o LW, suspendida a una altura de 10 m, aparecerá un potencial estático de unos 10 kV. A medida que fluye hacia abajo, crea crujidos y crujidos en el receptor. Cuando una nube se descarga (hacia otra nube o hacia el suelo lejos de la antena en cuestión), el potencial de la nube, y por tanto de la antena, disminuirá bruscamente hasta casi cero. Un pulso con una amplitud de 10 kV generado en la antena es más que suficiente para dañar el transceptor. 2. Si cae un rayo al suelo no lejos de su casa (condicionalmente, a unas pocas decenas de metros), surgen nuevos peligros asociados no solo con la antena, sino también con la red de suministro de energía y los circuitos de conexión a tierra. Además del cambio brusco en la intensidad del campo y el cambio asociado en el potencial de todos los conductores cercanos, aparecen corrientes inducidas. La corriente de descarga en el canal del rayo ionizado alcanza valores de 1...10 mil amperios en los primeros 20...500 µs y luego cae a cero en 200...1000 µs. Estas enormes corrientes inducen voltajes secundarios en todos los cables cercanos. Se forma algo así como un transformador, donde el devanado primario es el canal del rayo y el pararrayos, y el devanado secundario son los cables circundantes. El coeficiente de transmisión de este transformador, que depende de la distancia al cable, es, en principio, muy pequeño. Pero incluso con una ganancia de 0,001, los pulsos de corriente en los bucles cerrados de los cables circundantes (por ejemplo, un bucle de tierra) pueden alcanzar cientos de amperios y dañar los dispositivos conectados a estos bucles. Si el circuito no está cerrado y el espacio entre sus extremos es pequeño, entonces el voltaje inducido en el circuito, que alcanza muchas decenas de kilovoltios, puede atravesarlo. Ejemplo: un canal de ondas totalmente metálico con adaptación gamma se instala en un mástil bien conectado a tierra y se alimenta mediante un cable que se extiende desde el mástil en ángulo. En la sala de la estación de radio, el cable está conectado a un transceptor que no tiene conexión a tierra adicional. A primera vista, parece que no es necesario: el mástil está conectado a tierra de manera confiable, la antena es completamente metálica y se garantiza una buena conexión a tierra a través de la trenza del cable. Pero... cuando hay un rayo cercano, se induce un voltaje en el circuito abierto “tierra-mástil-cable-transceptor”, que buscará una salida en el área donde el circuito está roto - entre el transceptor y el más cercano. "suelo". Como resultado, se producirá una falla a tierra a través de la red de suministro de 220 V o un arco al "tierra" más cercano (por ejemplo, tuberías de calefacción). Está claro que ni una ni otra opción prometen nada bueno para el transceptor. 3. Y, finalmente, el caso más raro, pero también el más grave, es el impacto directo de un rayo sobre la antena o el mástil del pararrayos en el que está instalada la antena. Comencemos con el hecho de que debe haber un pararrayos (es decir, un camino para que la corriente del rayo llegue al suelo). En su ausencia, cientos de miles de amperios de corriente de descarga fluirán hacia el suelo por el camino que les parezca más corto. Y si su cable de descenso y su equipo se encuentran en este camino, quedará poco de ellos. Veamos dos ejemplos. Primer ejemplo. El pararrayos se fabrica como una estructura separada y está conectado con un cable grueso a la conexión a tierra general de la casa, la antena está ubicada mucho más abajo que el pararrayos. Veamos qué pasa cuando cae un rayo. Digamos que la resistencia a tierra del pararrayos es de 2 ohmios (esta es una muy buena conexión a tierra). Durante la caída de un rayo con una corriente máxima de 200 mil amperios (valor promedio), surgirá un potencial de aproximadamente 400 kV en el bus de tierra y en todos los dispositivos conectados a él (incluido el cable neutro de la red). Evidentemente, en un punto alejado de la casa, el potencial de tierra seguirá siendo cero, y todos los 400 kV acaban aplicándose al hilo neutro de la red, rompiendo los fusibles. Esta es la pérdida más pequeña por la caída directa de un rayo. Segundo ejemplo. Un canal de ondas totalmente metálico está montado en un mástil independiente y bien conectado a tierra con una resistencia a tierra de 2 ohmios. El cable de descenso discurre por el mástil y luego por el suelo hasta las instalaciones de la emisora de radio. La habitación tiene su propia conexión a tierra de alta calidad. Durante la caída de un rayo con una corriente máxima de 200 mil amperios, el potencial de tierra en la base del mástil será de 400 kV y disminuirá hacia los lados del mástil, formando el llamado "embudo de tensión". El potencial del suelo alrededor del edificio será menor que en la base del mástil. Digamos que se convierte en 100 kV. Y estos 100 kV harán lo mismo que se describe en el primer ejemplo, pero no se detendrá ahí. El potencial de la trenza del cable de la antena será de 400 kV y el potencial de tierra en las instalaciones de la estación de radio será de solo 100 kV. Parece que se aplica al cable una diferencia de 300 kV. Debido a su pequeña sección transversal, su trenzado no podrá pasar una gran corriente de compensación y el cable se quemará. Tendrás suerte si eso es todo; si no, el transceptor también se dañará. Incluso si el cable (como debería estar durante una tormenta) está completamente desconectado, pero no se encuentra muy lejos de los objetos conectados a tierra en la habitación, este 300 kV es capaz de perforar varias decenas de centímetros de aire con una descarga de arco. Por eso, durante una tormenta, todos los cables procedentes de la antena deben desconectarse por completo y alejarse lo suficiente. Hay que tener en cuenta que la zona protectora de un pararrayos (en la que no hay miedo a que caiga un rayo directo) es un cono con un vértice en el extremo del pararrayos y un radio en el suelo de aproximadamente 3/ 4 de la altura del pararrayos. ¿Cómo prevenir la destrucción? Debe entenderse que las tres razones descritas en la sección anterior son igualmente probables. El potencial estático es algo que todo el mundo encontrará muchas veces. Y no sólo durante una tormenta. Casi todo el mundo tendrá que experimentar también, en promedio, una vez cada pocos años, corrientes inducidas por la caída de un rayo cercano. El destino puede salvarte de un rayo directo, pero es mejor no esperar una oportunidad, sino pensar en esa posibilidad con anticipación. ¡Será más barato! Por lo tanto, es mejor empezar a combatir el potencial estático en la etapa de diseño de la antena. Casi siempre se puede elegir un diseño que esté completamente cerrado a tierra mediante corriente continua: dipolos de bucle en un travesaño conectado a tierra, GP de bucle, antenas con coincidencia gamma y omega, antena J, etc. Si la antena no está en cortocircuito a tierra, entonces La situación mejora significativamente con una resistencia de dos vatios y 100 kOhm (para una antena no balanceada) y dos (para una simétrica) conectadas entre la lámina de la antena y el mástil conectado a tierra (o la trenza del cable coaxial). Estas resistencias crean un circuito para eliminar la estática que se acumula lentamente y reducir significativamente, hasta varias decenas de voltios (dependiendo de la altura y el potencial de la nube de tormenta), las sobretensiones en la entrada del receptor durante las descargas. Pero sólo para descargas cuyo recorrido se aleja significativamente de la antena. En caso de fuertes descargas estáticas, tiene sentido colocar pararrayos caseros en los paneles de la antena: pernos M5-M8 afilados en los extremos. La punta de los pernos debe estar a 1... 1,5 mm (ajustable girando los pernos) con respecto a la placa de conexión a tierra. Para evitar la aparición de corrientes inducidas, se deben evitar los buses de tierra en forma de anillo; todos los dispositivos deben conectarse en configuración de estrella a una tierra común. Analice cuidadosamente su sistema de cableado para detectar la presencia de circuitos cerrados de gran área y elimínelos. El peligro aquí no es tanto para el circuito cerrado en sí, sino para los dispositivos conectados a él. En las antenas de cuadro se inducen tensiones muy importantes, para eliminar qué explosores se deben instalar en el tomacorriente, con el mínimo espacio posible (1 ... 2 mm); una resistencia no es suficiente. Si es posible, es mejor colocar el cable de la antena en un tubo metálico o enterrarlo en el suelo. Para protegerse contra la caída directa de un rayo, es necesario resolver dos problemas diferentes. El primero es fabricar un pararrayos de alta calidad con buena conexión a tierra. El propio pararrayos y su cable de conexión a tierra deben estar fabricados de un material con una sección transversal de al menos 50 mm2 y no tener curvas pronunciadas. Esto aumenta la inductancia, y para un pulso tan corto y de alta energía como un rayo, incluso una pequeña cantidad de inductancia presentará una mayor resistencia. Una reactancia inductiva del orden de unos pocos ohmios con corrientes medidas en miles de amperios generará un voltaje extremadamente grande. El segundo problema surge porque, en la práctica, un raro radioaficionado no se verá tentado a utilizar un mástil de pararrayos para colocar sus antenas (de hecho, ¿cuándo habrá ese rayo, pero aquí el mástil alto está inactivo!). Y esta tarea consiste en asegurar que la corriente de descarga del rayo pase mayoritariamente por el mástil puesto a tierra y mínimamente por el cable que alimenta la antena al equipo, es decir, es necesario preparar un camino para la corriente del rayo hacia el suelo con mucha menos resistencia que a través del cable. Para ello, es muy recomendable que la parte superior del mástil esté 1... 1,5 metros por encima de la antena. El mástil se puede ampliar con un trozo de tubo metálico o una varilla gruesa (cable), que desviará la mayor parte de la electricidad atmosférica directamente al mástil con su obligatoria puesta a tierra de protección contra rayos. La propia antena debe estar firmemente conectada a tierra al mástil. Si esto no se puede hacer debido a sus características de diseño, se deben instalar explosores. Dé varias vueltas al cable de alimentación de la antena justo debajo del punto de alimentación de la antena. La parte de la corriente que todavía va a “volar” hacia el cable encontrará la resistencia inductiva del estrangulador coaxial, que es considerable para un pulso corto y creará una caída de voltaje a través de él. Este voltaje atravesará el espacio de los pararrayos y el arco resultante creará una ruta de fuga para la corriente a tierra a través del mástil con menos obstáculos que a través del cable. La conexión a tierra del mástil debe conectarse mediante un cable separado de sección grande (al menos 50 mm2) a la tierra de la casa para igualar el potencial de tierra durante la caída de un rayo. Todas las medidas anteriores no eliminan por completo las sobretensiones en el equipo, pero permiten reducirlas a valores aceptables y no destructivos. Sin embargo, es aconsejable tomar medidas de protección adicionales en el propio equipo: es aconsejable instalar una resistencia con un valor nominal de 100...200 kOhm en la entrada del receptor. En el conector de conexión de la antena existe un vía de chispas con una tensión de encendido mínima (siempre que no sea activada por la señal de su propio transmisor). Si hay una unidad de control o un filtro de paso bajo fabricado de acuerdo con el circuito P, esta función la realiza con éxito la unidad de control de salida con un espacio de aire (¡el mínimo posible!). Los sistemas de control en forma de T ubicados en la salida de la mayoría de los transceptores industriales no son adecuados en esta situación: la chispa de descarga "vuela" a través de ellos, directamente a la salida del transmisor. En los circuitos de alambres (cables) para controlar cajas de cambios e interruptores provenientes de la antena, es necesario instalar varistores, o mejor aún, pararrayos. Y por último, conviene recordar que cuando se acerca una tormenta es necesario desconectar por completo todos los cables de antena del equipo, ¡y este último de la red! Autor: I.Goncharenko
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