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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Temporale, statico e antenna. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Antenne. Teoria Le questioni relative al funzionamento sicuro delle antenne e delle apparecchiature ad esse collegate durante i periodi di attività temporalesca sono state discusse di volta in volta nella letteratura radioamatoriale. Tuttavia, durante la creazione di una stazione radioamatoriale, gli operatori radiofonici a onde corte e ultracorte prestano attenzione a questi problemi per ultimi, apparentemente sperando nel famoso russo "forse verrà trasferito". Ma questo è fondamentalmente sbagliato, perché ... Secondo le statistiche, nell'Europa centrale si verificano in media da uno a cinque fulmini per chilometro quadrato all'anno. In altre parole, puoi essere essenzialmente sicuro che un fulmine si verificherà entro 100 m dalla tua antenna una volta ogni pochi anni (nel sud e nelle zone montuose, questa probabilità è più alta che nel nord e nelle pianure). E in tal caso, sarebbe molto più ragionevole prepararsi in anticipo piuttosto che calcolare le perdite in seguito: nei ricetrasmettitori a transistor, non solo i circuiti di ingresso del ricevitore, ma anche i transistor di uscita del trasmettitore di solito "volano via". Quali sono i pericoli per l'attrezzatura amatoriale trasporta un temporale? 1. Potenziale statico ad accumulo lento e suoi bruschi cambiamenti con scariche lontane dall'antenna (diverse centinaia di metri o più). Se l'antenna, o una metà di essa, è isolata DC da terra (ad es. GP o dipolo simmetrico), su di essa possono accumularsi alti potenziali statici prima e durante un temporale. Consideriamo un esempio del genere. Ad un'altezza di due chilometri, è sospesa una nuvola temporalesca con un potenziale di 2 MB (megavolt!), e in questo caso il potenziale vicino al suolo è zero. Questo condensatore gigante ha un'intensità di campo elettrico statico di 1 kV/m. Cioè, su un'antenna isolata da terra, ad esempio un dipolo o LW, sospeso ad un'altezza di 10 m, apparirà un potenziale statico di circa 10 kV. Mentre scorre verso il basso, crea crepitii e fruscii nel ricevitore. Quando una nuvola viene scaricata (verso un'altra nuvola oa terra lontano dall'antenna in esame), il potenziale della nuvola, e, di conseguenza, dell'antenna, diminuirà bruscamente quasi fino a zero. Un impulso con un'ampiezza di 10 kV formato sull'antenna è più che sufficiente per disabilitare il ricetrasmettitore. 2. Se una scarica di fulmine a terra si verifica non lontano da casa tua (condizionatamente - poche decine di metri), sorgono nuovi pericoli associati non solo all'antenna, ma anche alla rete di alimentazione e ai circuiti di terra. Oltre a un brusco cambiamento nell'intensità del campo e al relativo cambiamento nel potenziale di tutti i conduttori vicini, compaiono correnti indotte. La corrente di scarica nel canale del fulmine ionizzato per i primi 1...10 µs raggiunge valori di 20...500 mila ampere per poi scendere a zero in 200...1000 µs. Queste enormi correnti inducono tensioni secondarie in tutti i fili vicini. Si forma qualcosa come un trasformatore, dove l'avvolgimento primario è il canale del fulmine e il parafulmine, e l'avvolgimento secondario sono i fili circostanti. Il coefficiente di trasmissione di questo trasformatore, che dipende dalla distanza dal filo, è, in linea di principio, molto piccolo. Ma anche con un rapporto di trasferimento di 0,001, gli impulsi di corrente nei circuiti chiusi dei fili circostanti (ad esempio, un circuito di terra) possono raggiungere centinaia di ampere e danneggiare i dispositivi collegati a questi circuiti. Se il circuito non è chiuso e lo spazio tra le sue estremità è piccolo, la tensione indotta nel circuito, raggiungendo molte decine di kilovolt, può attraversarlo. Un esempio è un canale d'onda con corrispondenza gamma interamente in metallo montato su un palo ben messo a terra e alimentato da un cavo che si estende dal palo ad angolo. Nella stanza della stazione radio, il cavo è collegato a un ricetrasmettitore che non dispone di messa a terra aggiuntiva. A prima vista, sembra che non sia necessario: l'albero è messo a terra in modo affidabile, l'antenna è interamente in metallo, una buona messa a terra è fornita attraverso la guaina del cavo. Ma... con un fulmine ravvicinato in un circuito aperto "ricetrasmettitore-cavo-albero-terra", viene indotta una tensione, che cercherà uno sbocco nella sezione dell'interruzione del circuito - tra il ricetrasmettitore e la "terra" più vicina . Di conseguenza, si verificherà un guasto a terra attraverso la rete di alimentazione a 220 V o si verificherà un arco al "terreno" più vicino (ad esempio, tubi del riscaldamento). È chiaro che né l'una né l'altra opzione promettono nulla di buono per il ricetrasmettitore. 3. E, infine, il caso più raro, ma anche il più grave è un fulmine diretto nell'antenna o nell'albero del parafulmine su cui è installata l'antenna. Partiamo dal fatto che deve esserci un parafulmine (ovvero un percorso per la corrente del fulmine a terra). In sua assenza, centinaia di migliaia di ampere di corrente di scarica fluiranno a terra lungo il percorso che a loro sembra il più breve. E se il tuo cavo di derivazione e la tua attrezzatura si incontrano su questo percorso, allora ne rimarrà poco. Consideriamo due esempi. Primo esempio. Il parafulmine è realizzato come struttura separata ed è collegato con un filo spesso alla messa a terra comune della casa, l'antenna si trova molto più in basso del parafulmine. Vediamo cosa succede quando un fulmine colpisce. Supponiamo che la resistenza di messa a terra del parafulmine sia di 2 ohm (questa è un'ottima messa a terra). In caso di fulmine con una corrente di picco di 200 mila ampere (valore medio), apparirà un potenziale di circa 400 kV sul bus di terra e su tutti i dispositivi ad esso collegati (compreso il filo neutro della rete). Ovviamente, in un punto lontano da casa, il potenziale di terra rimarrà zero e tutti i 400 kV verranno applicati al filo neutro della rete, eliminando i fusibili. Questa è la più piccola perdita in un fulmine diretto. Secondo esempio. Su un albero indipendente e ben messo a terra con una resistenza di terra di 2 ohm, è presente un canale d'onda interamente in metallo. Il cavo di derivazione corre lungo l'albero e poi a terra fino alla stazione radio. La stanza ha una propria messa a terra di alta qualità. Durante un fulmine con una corrente di picco di 200 mila ampere, il potenziale di terra alla base dell'albero sarà di 400 kV e diminuirà allontanandosi dall'albero, formando il cosiddetto "imbuto di tensione". Il potenziale di terra attorno all'edificio sarà inferiore a quello alla base dell'albero. Diciamo che diventa 100 kV. E questi 100 kV faranno la stessa cosa descritta nel primo esempio, ma la questione non si limiterà a questo. Il potenziale della treccia del cavo dell'antenna sarà di 400 kV e il potenziale della terra nella stanza della stazione radio è di soli 100 kV. Al cavo viene applicata una differenza di 300 kV. La sua treccia, a causa della sua piccola sezione trasversale, non sarà in grado di far passare una grande corrente di equalizzazione e il cavo si brucerà. Sarà una fortuna se tutto si limiterà a questo, in caso contrario anche il ricetrasmettitore verrà danneggiato. Anche se il cavo (come dovrebbe essere durante un temporale) è completamente scollegato, ma si trova non molto lontano dagli oggetti messi a terra nella stanza, questi 300 kV sono in grado di perforare diverse decine di centimetri di aria con una scarica ad arco. Ecco perché tutti i cavi provenienti dall'antenna devono essere completamente scollegati durante un temporale e rimossi abbastanza lontano. Va tenuto presente che la zona protettiva del parafulmine (in cui non si può temere un fulmine diretto) è un cono con un vertice all'estremità del parafulmine e un raggio vicino al suolo di circa 3 /4 dell'altezza del parafulmine. Come prevenire la distruzione? Dovrebbe essere chiaro che le tre ragioni delineate nella sezione precedente sono ugualmente probabili. Il potenziale statico è qualcosa che tutti incontreranno molte volte. E non solo durante i temporali. Anche le correnti indotte da un fulmine nelle vicinanze dovranno essere sperimentate da quasi tutti in media una volta ogni pochi anni. Forse il destino ti salverà da un fulmine diretto, ma è meglio non fare affidamento sul caso, ma pensare in anticipo a tale possibilità. Sarà più economico! Quindi, è meglio iniziare la lotta contro il potenziale statico nella fase di progettazione dell'antenna. È quasi sempre possibile scegliere un design completamente chiuso a terra da corrente continua - dipoli ad anello su una traversa con messa a terra, loop GP, antenne con corrispondenza gamma e omega, antenna J, ecc. Se l'antenna non è chiusa a terra , quindi migliorare notevolmente la situazione uno (per un'antenna sbilanciata) e due (per un resistore simmetrico) da due watt da 100 kOhm, collegati tra il foglio dell'antenna e l'albero con messa a terra (o treccia di cavo coassiale). Questi resistori creano un circuito per la rimozione dell'elettricità statica che si accumula lentamente e in modo significativo, fino a diverse decine di volt (a seconda dell'altezza e del potenziale della nuvola temporalesca), riducono i picchi di tensione all'ingresso del ricevitore durante le scariche. Ma solo per gli scarichi, il cui percorso è notevolmente rimosso dall'antenna. Con forti scariche statiche, ha senso collegare scaricatori fatti in casa ai fogli dell'antenna: bulloni M5-M8 affilati alle estremità. La punta dei bulloni deve adattarsi 1...1,5 mm (regolabile ruotando i bulloni) alla piastra di base. Per evitare il verificarsi di correnti indotte, le sbarre di terra realizzate ad anello dovrebbero essere evitate, tutti i dispositivi dovrebbero essere collegati a forma di stella a una terra comune. Analizza attentamente la tua economia di cavi per la presenza di circuiti chiusi con una vasta area al suo interno ed eliminali. Il pericolo qui non è tanto per il circuito chiuso in sé, ma per i dispositivi ad esso collegati. Tensioni molto significative sono indotte nelle antenne ad anello, per la rimozione delle quali dovrebbero essere installati spinterometri nel punto di alimentazione, con il più piccolo spazio possibile (1 ... 2 mm) - qui il resistore non è sufficiente. Se possibile, è meglio posare il cavo di riduzione dell'antenna in un tubo metallico o seppellirlo nel terreno. Per proteggersi da un fulmine diretto, è necessario risolvere due diversi compiti. Il primo è realizzare un parafulmine di alta qualità con una buona messa a terra. Il parafulmine stesso e il suo filo di terra devono essere realizzati con un materiale con una sezione trasversale di almeno 50 mm2 e non presentare curve strette. Ciò aumenta l'induttanza e per un impulso breve e alto come un fulmine, anche una piccola quantità di induttanza presenterà una maggiore resistenza. Verrà rilasciata una tensione estremamente elevata su una reattanza induttiva dell'ordine di pochi ohm a correnti misurate in migliaia di ampere. Il secondo problema nasce perché, in pratica, un raro radioamatore non sarà tentato di utilizzare un albero parafulmine per posizionare le sue antenne (infatti, quando ci saranno i fulmini, e qui l'albero alto è fermo!). E questo compito è garantire che la corrente di scarica del fulmine passi principalmente attraverso l'albero messo a terra e minimamente attraverso il cavo che fornisce l'antenna all'apparecchiatura, ad es. è necessario aprire un percorso per la corrente del fulmine a terra con molta meno resistenza che attraverso il cavo. Per questo, è altamente auspicabile che la parte superiore dell'albero sia 1 ... 1,5 metri più alta dell'antenna. L'albero può essere esteso con un pezzo di tubo metallico o un'asta spessa (filo), che devierà la maggior parte dell'elettricità atmosferica direttamente all'albero con la sua messa a terra obbligatoria per la protezione contro i fulmini. L'antenna stessa deve essere adeguatamente collegata a terra all'albero. Se ciò non può essere fatto a causa delle sue caratteristiche di progettazione, è necessario installare spinterometri. Dal cavo di alimentazione dell'antenna, fare alcuni giri appena sotto il punto di alimentazione dell'antenna. Quella parte della corrente che deve ancora "volare" nel cavo incontrerà la resistenza induttiva dell'induttanza coassiale, che è considerevole per un breve impulso, e creerà una caduta di tensione ai suoi capi. Questa tensione romperà la fessura degli scaricatori, l'arco risultante creerà un percorso di dispersione per la corrente verso terra attraverso l'albero con meno ostruzione che attraverso il cavo. La messa a terra del palo deve essere collegata tramite un filo separato di grande sezione trasversale (almeno 50 mm2) alla messa a terra dell'abitazione per equalizzare i potenziali di terra in caso di fulmini. Tutte le misure di cui sopra non eliminano completamente i picchi di tensione sulle apparecchiature, ma consentono di ridurli a valori accettabili e non distruttivi. Tuttavia, è auspicabile adottare misure protettive aggiuntive nell'apparecchiatura stessa: è consigliabile installare un resistore con un valore nominale di 100 ... 200 kOhm all'ingresso del ricevitore. Sul connettore di collegamento dell'antenna è presente uno spinterometro con una tensione di accensione minima (se solo non funziona dal segnale del proprio trasmettitore). In presenza di un SU o LPF, realizzato secondo lo schema P-loop, questo ruolo viene svolto con successo dal KPI di output con un gap aereo (minimo possibile!). Le SU a forma di T, che si trovano all'uscita della maggior parte dei ricetrasmettitori industriali in questa situazione, non sono adatte: la scintilla di scarica "vola" attraverso di esse, direttamente all'uscita del trasmettitore. Nei circuiti di fili (cavi) per il comando di riduttori e interruttori provenienti dall'antenna, è necessario installare varistori, o meglio, scaricatori. E, infine, va ricordato che quando si avvicina un temporale, è necessario scollegare completamente tutti i cavi dell'antenna dall'apparecchiatura e quest'ultima dalla rete! Autore: I.Goncharenko
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