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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Trovoada, estática e antena. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Antenas. Teoria Questões de operação segura de antenas e equipamentos conectados a elas durante períodos de atividade de tempestades foram discutidas de tempos em tempos na literatura de rádio amador. No entanto, ao criar uma estação de rádio amador, os operadores de rádio de ondas curtas e ultracurtas prestam atenção a essas questões por último, aparentemente esperando pelo famoso russo "talvez continue". Mas isso é fundamentalmente errado, porque ... Segundo as estatísticas, na Europa Central, há uma média de um a cinco relâmpagos por quilômetro quadrado por ano. Em outras palavras, você pode ter certeza de que um raio ocorrerá dentro de 100m de sua antena uma vez a cada poucos anos (no sul e nas áreas montanhosas, essa probabilidade é maior do que no norte e nas planícies). E se assim for, será muito mais razoável se preparar para isso com antecedência do que calcular as perdas posteriormente - em transceptores de transistor, não apenas os circuitos de entrada do receptor, mas também os transistores de saída do transmissor geralmente "voam". Quais são os perigos para o equipamento amador carrega uma tempestade? 1. Potencial estático acumulando lentamente e suas mudanças abruptas com descargas distantes da antena (várias centenas de metros ou mais). Se a antena, ou metade dela, for DC isolada do solo (por exemplo, GP ou dipolo simétrico), altos potenciais estáticos podem se acumular nela antes e durante uma tempestade. Vamos considerar tal exemplo. A uma altura de dois quilômetros, uma nuvem de tempestade com potencial de 2 MB (megavolts!) Está suspensa, e o potencial próximo ao solo, neste caso, é zero. Este capacitor gigante tem uma intensidade de campo elétrico estático de 1 kV/m. Ou seja, em uma antena isolada do solo, por exemplo, um dipolo ou LW, pendurado a uma altura de 10 m, aparecerá um potencial estático de cerca de 10 kV. À medida que desce, cria crepitações e farfalhar no receptor. Quando uma nuvem é descarregada (para outra nuvem ou para o solo distante da antena em questão), o potencial da nuvem e, consequentemente, da antena, diminuirá abruptamente quase a zero. Um pulso com amplitude de 10 kV formado na antena é mais que suficiente para desabilitar o transceptor. 2. Se ocorrer uma descarga atmosférica no solo não muito longe de sua casa (condicionalmente - algumas dezenas de metros), surgem novos perigos, associados não apenas à antena, mas também à rede de alimentação e aos circuitos de aterramento. Além de uma mudança brusca na intensidade do campo e a mudança associada no potencial de todos os condutores próximos, aparecem correntes induzidas. A corrente de descarga no canal do raio ionizado para os primeiros 1...10 µs atinge valores de 20...500 mil amperes e então cai para zero em 200...1000 µs. Essas enormes correntes induzem tensões secundárias em todos os fios próximos. Algo como um transformador é formado, onde o enrolamento primário é o canal do raio e o pára-raios, e o enrolamento secundário são os fios circundantes. O coeficiente de transmissão deste transformador, que depende da distância ao fio, é, em princípio, muito pequeno. Mas mesmo com uma taxa de transferência de 0,001, os pulsos de corrente em loops fechados de fios ao redor (por exemplo, um loop de aterramento) podem atingir centenas de amperes e danificar os dispositivos conectados a esses loops. Se o circuito não estiver fechado e o espaço entre suas extremidades for pequeno, a tensão induzida no circuito, atingindo muitas dezenas de quilovolts, pode rompê-lo. Um exemplo é um canal de onda de correspondência gama totalmente metálico montado em um mastro bem aterrado e alimentado por um cabo que se estende do mastro em um ângulo. Na sala da estação de rádio, o cabo é conectado a um transceptor que não possui aterramento adicional. À primeira vista, parece que não é necessário - o mastro está aterrado de forma confiável, a antena é toda em metal, um bom aterramento é fornecido através da bainha do cabo. Mas ... com um raio próximo em um circuito aberto "transceptor de cabo de mastro de terra", uma tensão é induzida, que buscará uma saída na seção do disjuntor - entre o transceptor e o "terra" mais próximo . Como resultado, ocorrerá uma falha de aterramento através da rede de alimentação de 220 V ou um arco no "terra" mais próximo (por exemplo, tubos de aquecimento). É claro que nem uma nem outra opção promete nada de bom para o transceptor. 3. E, finalmente, o caso mais raro, mas também o mais grave, é um raio direto na antena ou no mastro do pára-raios no qual a antena está instalada. Vamos começar com o fato de que deve haver um para-raios (ou seja, um caminho para a corrente do raio até o solo). Na sua ausência, centenas de milhares de amperes de corrente de descarga fluirão para a terra ao longo de um caminho que lhes parece o mais curto. E se o seu cabo drop e equipamentos se encontrarem neste caminho, pouco restará deles. Vamos considerar dois exemplos. Primeiro exemplo. O pára-raios é feito como uma estrutura separada e é conectado com um fio grosso ao aterramento comum da casa, a antena fica muito mais baixa que o pára-raios. Vamos ver o que acontece quando um raio cai. Digamos que a resistência de aterramento do pára-raios seja de 2 ohms (este é um aterramento muito bom). Em caso de queda de raio com corrente de pico de 200 mil amperes (valor médio), aparecerá um potencial de cerca de 400 kV na barra de aterramento e em todos os aparelhos conectados a ela (incluindo o fio neutro da rede). Obviamente, em um ponto distante de casa, o potencial de terra permanecerá zero e todos os 400 kV serão aplicados no fio neutro da rede, desligando os fusíveis. Esta é a menor perda em um raio direto. Segundo exemplo. Em um mastro autônomo e bem aterrado com uma resistência de aterramento de 2 ohms, existe um canal de onda totalmente metálico. O cabo drop corre ao longo do mastro e depois sobre o solo até a estação de rádio. A sala tem seu próprio aterramento de alta qualidade. Durante uma descarga atmosférica com pico de corrente de 200 mil amperes, o potencial de terra na base do mastro será de 400 kV e diminuirá a partir do mastro, formando o chamado "funil de tensão". O potencial do solo ao redor do edifício será menor do que na base do mastro. Digamos que se torne 100 kV. E esses 100 kV farão a mesma coisa descrita no primeiro exemplo, mas o assunto não se limitará a isso. O potencial da trança do cabo da antena será de 400 kV e o potencial de aterramento na sala da estação de rádio será de apenas 100 kV. Uma diferença de 300 kV é aplicada ao cabo. Sua trança, devido à sua pequena seção transversal, não conseguirá passar uma grande corrente de equalização e o cabo queimará. Será uma sorte se tudo se limitar a isso, caso contrário, o transceptor também será danificado. Mesmo que o cabo (como deveria ser durante uma tempestade) esteja completamente desconectado, mas não fique muito longe de objetos aterrados na sala, esses 300 kV são capazes de perfurar várias dezenas de centímetros de ar com uma descarga de arco. É por isso que todos os cabos provenientes da antena devem ser completamente desconectados durante uma tempestade e afastados o suficiente. Deve-se ter em mente que a zona de proteção do pára-raios (na qual você não pode ter medo de um raio direto) é um cone com um vértice no final do pára-raios e um raio próximo ao solo de cerca de 3 /4 da altura do pára-raios. Como evitar a destruição? Deve ficar claro que as três razões descritas na seção anterior são igualmente prováveis. O potencial estático é algo que todos encontrarão muitas vezes. E não apenas durante as tempestades. As correntes induzidas de um raio próximo também terão que ser experimentadas por quase todos, em média, uma vez a cada poucos anos. Talvez o destino o salve de um raio direto, mas é melhor não confiar no acaso, mas pensar com antecedência nessa possibilidade. Vai ser mais barato! Portanto, é melhor começar a lutar contra o potencial estático na fase de projeto da antena. Quase sempre é possível escolher um projeto completamente fechado ao solo por corrente contínua - dipolos de loop em uma travessia aterrada, loop GP, antenas com correspondência de gama e ômega, antena J, etc. , melhore visivelmente a situação um (para uma antena desbalanceada) e dois (para um simétrico) resistor de dois watts de 100 kOhm, conectado entre a folha da antena e o mastro aterrado (ou trança de cabo coaxial). Esses resistores criam um circuito para remover a estática que se acumula lentamente e significativamente, até várias dezenas de volts (dependendo da altura e do potencial da nuvem de tempestade), reduzem os surtos de tensão na entrada do receptor durante as descargas. Mas apenas para descargas, cujo caminho é significativamente removido da antena. Com fortes descargas estáticas, faz sentido prender pára-raios caseiros nas folhas da antena - parafusos M5-M8 bem afiados nas extremidades. A ponta dos parafusos deve encaixar 1...1,5 mm (ajustável girando os parafusos) na placa de aterramento. Para evitar a ocorrência de correntes induzidas, barramentos de aterramento feitos em forma de anel devem ser evitados, todos os dispositivos devem ser conectados em forma de estrela a um aterramento comum. Analise cuidadosamente sua economia de fio quanto à presença de circuitos fechados com uma grande área e elimine-os. O perigo aqui não é tanto para o circuito fechado em si, mas para os dispositivos conectados a ele. Tensões muito significativas são induzidas em antenas de loop, para cuja remoção devem ser instalados centelhadores no ponto de energia, com o menor intervalo possível (1 ... 2 mm) - o resistor não é suficiente aqui. Se possível, é melhor colocar o cabo de redução da antena em um tubo de metal ou enterrá-lo no chão. Para proteger contra um raio direto, duas tarefas diferentes devem ser resolvidas. A primeira é fazer um pára-raios de alta qualidade com bom aterramento. O próprio para-raios e seu fio terra devem ser feitos de um material com seção transversal de pelo menos 50 mm2 e não ter curvas acentuadas. Isso aumenta a indutância e, para um pulso tão curto e alto quanto um raio, mesmo uma pequena quantidade de indutância apresentará resistência aumentada. Uma tensão extremamente grande será liberada em uma reatância indutiva da ordem de alguns ohms em correntes medidas em milhares de amperes. O segundo problema surge porque, na prática, um raro rádio amador não será tentado a usar um mastro de pára-raios para colocar suas antenas (na verdade, quando haverá um raio, e aqui o mastro alto está ocioso!). E essa tarefa é garantir que a corrente de descarga atmosférica passe principalmente pelo mastro aterrado e minimamente pelo cabo que alimenta a antena ao equipamento, ou seja, é necessário abrir um caminho para a corrente da descarga atmosférica até o solo com muito menos resistência do que através o cabo. Para isso, é altamente desejável que o topo do mastro seja 1...1,5 metros mais alto que a antena. O mastro pode ser estendido com um pedaço de tubo metálico ou uma haste grossa (arame), que desviará a maior parte da eletricidade atmosférica diretamente para o mastro com seu aterramento obrigatório de proteção contra descargas atmosféricas. A própria antena deve ser devidamente aterrada ao mastro. Se isso não puder ser feito devido às suas características de design, devem ser instalados centelhadores. Do cabo de alimentação da antena, faça algumas voltas logo abaixo do ponto de alimentação da antena. A parte da corrente que ainda vai "voar" para o cabo encontrará a resistência indutiva da bobina coaxial, que é considerável para um pulso curto, e criará uma queda de tensão através dela. Essa tensão romperá a lacuna dos pára-raios, o arco resultante criará um caminho de fuga para a corrente à terra através do mastro com menos obstrução do que através do cabo. O aterramento do mastro deve ser conectado por um fio separado de grande seção transversal (pelo menos 50 mm2) ao aterramento da casa para equalizar os potenciais de aterramento em caso de queda de raio. Todas as medidas acima não eliminam completamente os surtos de tensão no equipamento, mas permitem que sejam reduzidos a valores aceitáveis e não destrutivos. No entanto, é desejável tomar medidas de proteção adicionais no próprio equipamento - é desejável instalar um resistor com valor nominal de 100 ... 200 kOhm na entrada do receptor. No conector de conexão da antena existe um centelhador com uma tensão de ignição mínima (a menos que não funcione com o sinal de seu próprio transmissor). Na presença de um SU ou LPF, feito de acordo com o esquema P-loop, essa função é executada com sucesso pelo KPI de saída com um gap de ar (mínimo possível!). SU em forma de T, posicionados na saída da maioria dos transceptores industriais nesta situação, são inadequados - a faísca de descarga "voa" através deles, direto para a saída do transmissor. Nos circuitos de fios (cabos) para controle de redutores e interruptores vindos da antena, é necessário instalar varistores, ou melhor, pára-raios. E, por fim, vale lembrar que com a aproximação de uma trovoada é necessário desconectar totalmente todos os cabos da antena do equipamento, e este último da rede! Autor: I. Goncharenko
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