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Villa Carlos Paz, Córdoba, Argentina
Profesor Capacitador Profesional. Técnico Electrónico -Electricista - Torrista - Antenista.

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lunes, 19 de enero de 2015

Supresor de RF en Estación de Radio-Sistema de Tierra


El supresor de RF en un Sistema de Tierra

A través de los años, he venido escuchando problemas de amigos radioaficionados a través del aire, también en contactos cara a cara, acerca de como pueden ellos organizar e implementar un buen y efectivo sistema de tierras que, evite la interferencia de radio frecuencia (RFI) en el shack de radio. Algunos de estos problemas que he escuchado son los mismos que yo tuve, cuando empecé con este hobby. Muchos de los nuevos aficionados que operan mayormente en las bandas de VHF y UHF disfrutan la operación hasta que llegan al HF, y los problemas surgen de inmediato. La primera vez que ellos presionan en PTT y empiezan a hablar frente al micrófono, todos los equipos activos en el shack se vuelven locos. Los instrumentos enloquecen, el indicador de voltaje de la fuente salta hacia arriba y hacia abajo y si tiene un micrófono con carcasa metálica puede sufrir una mordida en los labios que lo tomara por sorpresa...

Para organizar un sistema de tierras efectivo en el shack de radio, el aficionado debe preocuparse de dos aspectos importantes acerca de las tierras. Ellas son:

Primero – Cumplir con las guías de seguridad para sistemas de tierra eléctricas.

Segundo – Trabajar las interferencias de radiofrecuencia en el shack (sistemas de tierra para radiofrecuencia).

En general, la mayoría de los nuevos aficionados cumplen con lo primero en el contexto de seguridad eléctrica, pero fallan en reducir la presencia excesiva de radiofrecuencia dentro del shack. Muchos creen que cumpliendo con la seguridad eléctrica es suficiente para disipar los problemas. Aunque esto pareciera ser verdad, de hecho es una falacia. Algunos de los signos del problema y síntomas de un pobre sistema de tierras de radiofrecuencia en el shack, que degradan la calidad y satisfacción al operar equipos de radio, se detallan a continuación:

1. Mordidas de labios por el Micrófono (shock de radiofrecuencia)
2. Modulación áspera y/o difusa (Distorsión)
3. Mal funcionamiento del manipulador electrónico (envía caracteres equivocados)
4. Shock de radiofrecuencia al tocar objetos metálicos dentro del shack
5. Inestabilidad de las fuentes de poder (las reguladas pierden la regulación)
6. Lecturas locas del medidor de roe.
7. Computador se vuelve loco
8. El monitor del PC se convulsiona.
9. Las luces fluorescentes parpadean.
10. Switches TTL se prenden y apagan solos.
11. Medidores varios en paneles separados del equipo se mueven solos.
12. Cuando se transmite se escucha un audio distorsionado en el parlante del computador.
13. Aparatos caseros del barrio con severas interferencias de radiofrecuencia (rayones).
14. Circuitos sensibles muestran un comportamiento anómalo.

Todo lo anterior son los mayores signos y síntomas de presencia de voltajes de radiofrecuencia en la vecindad inmediata del shack de radio cuando el transmisor esta transmitiendo, y estas son todas atribuidas a un pobre sistema de tierras de radiofrecuencia. Todos los objetos conductores absorben energía de radiofrecuencia por acoplamiento e irradian a su vez. Uno puede decir...-- Pero yo ya tengo una buena tierra eléctrica! Verdad o Mentira?

Si UD. esta experimentando cualquiera de los problemas detallados mas arriba, estoy seguro que UD esta sufriendo problemas de tierras de radiofrecuencia en el shack de radio. Analicemos algunos escenarios de sistemas de tierra que típicamente cumplen con una buena conexión eléctrica de seguridad, pero que son pobres sistemas de tierra para la radiofrecuencia. Una relato de un caso simple y otro en el peor escenario son presentados y los posibles problemas que pueden aparecer al instante en que el transmisor se activa.



Los Ground loops (bucles) se forman cuando los cables individuales de tierra de cada equipo:

1. Se conectan a la tierra principal (bus de tierra), en puntos diferentes dejando una distancia entre ellos.

2. Los equipos individualmente ya tienen una referencia a tierra pero cuando se interconectan, conectando cada equipo a una tierra general crean Ground loops, por donde circulan corrientes de tierra debido a las inductancias de los cables y donde los cables cierran el circuito.

3. Cuando los Ground loops están en el campo cercano de la antena, durante la transmisión, en estos loops se induce radiofrecuencia (acoplamiento de radiofrecuencia). A medida que la radiofrecuencia se acopla en cada loops, un voltaje fluctuante se induce al unísono con la modulación. Esta energía fluye por el sistema buscando el camino más fácil, buscando la menor resistencia siguiendo por los circuitos y eventualmente pasando a otros.

4. Una vez que la radiofrecuencia esta dentro de esos circuitos interfiere la operación normal de circuitos sensibles causando estragos. La radiofrecuencia que escapa de los cables coaxiales también puede fluir en cada loops bañando todo el shack con radiofrecuencia.

Apéndice.
La idea de que teniendo un buen sistema eléctrico de retorno a tierra es suficiente para garantizar la seguridad en el shack del radioaficionado es una falacia. Esto es consistente en los escenarios presentados aquí, donde no se tomaron las precauciones para reducir la presencia de radiofrecuencia en el shack. Por supuesto uno puede considerar que las soluciones presentadas simplemente reducen la posibilidad de acoplamiento (el Ground loops) y la reducción de los voltajes altos de las ondas estacionarias debido al uso de cables largos (tierras sin tierra) que son iguales a. de onda. Quizás muchas preguntas aparecerán después de las lecciones aprendidas en estos dos escenarios y puedan anticiparse como sigue:

1. Que tal si el aficionado con el problema en el escenario 2 no puede reubicar su barra a tierra más cerca del shack?

2. Que otras recomendaciones, el aficionado que ayudo a superar el problema, puede sugerir si el cable de tierra no puede ser acortado?

3. Que pasa si la radiofrecuencia todavía persiste después de hacer todos los remedios recomendados en el escenario 1 y 2?

Estas son buenas preguntas. No todos los aficionados tienen la suerte de tener sus shacks de radio instalados en el primer piso de su casa. Muchos aficionados viven en departamentos en altura y sus shacks están en el tercer piso o más en sus edificios o pueden vivir en condominios. Tales aficionados no tienen la posibilidad de acortar sus cables a tierra. A pesar de esta situación todavía hay formas efectivas a considerar.
Algunas de estas son nuevas y otras son tan antiguas como la radio misma.

Las técnicas de tierra son tan antiguas como la edad de la radio. El uso de esta técnica data desde 1895 Es utilizada efectivamente cuando la tierra física conduce pobremente. Pero como la antena necesita una tierra de radiofrecuencia para propagarse eficientemente a esa altura mayor sobre la tierra física (lo cual escapa a este artículo pero que será cubierto en futuras publicaciones), puede instalarse para ejecutar las dos funciones. Esto es proveer una tierra artificial para la antena cuando esta elevada sobre la tierra física y mantener la radiofrecuencia lejos de los equipos de la estación.

Esta es la versión moderna de un aparato ingenioso desarrollado e introducido por muchos radioaficionados en los años recientes, notablemente por William Chesney. Este sistema de tierra resuelve ambos requerimientos de los radioaficionados la tierra eléctrica y la tierra de radiofrecuencia. El dispositivo es para cables largos de tierra... El dispositivo de tierra utiliza una línea coaxial donde el cable de tierra esta aislado por la malla, tal como una línea de transmisión tipo RG-8, para prevenir que se forme una onda estacionaria de alto voltaje cerca del equipo de radio. Esta línea de tierra no es sensitiva por su largo y puede usarse cualquier largo sin tener que preocuparse. Mantendrá la radiofrecuencia lejos del shack. 

La configuración de este práctico sistema de tierras se muestra en la Figura mas abajo:
  

 Instalación del supresor de RF

Remueva el cable de tierra existente y reemplácelo por coaxial RG-8 suficiente para llegar a la barra de tierra y el shack para conectar los equipos. En una punta una la malla con el conductor central del RG-8 y luego conecte un trozo corto y grueso de cobre que alcance para conectar a la barra de tierra. En la otra punta, pele el coaxial para que aparezca el conductor central y remueva parte de la malla. Conecte el conductor central al circuito de tierra de los equipos. Deje la malla suelta en este punto pero conectada a un capacitor de cerámica (marcado como C1 = 0.001 a 0.1 Microfaradios x 1 Kvolt). Un terminal del capacitor va conectado a la malla y el otro terminal al conductor central. El supresor de radiofrecuencia esta terminado.

Por supuesto el valor del capacitor se escoge dependiendo de la frecuencia más baja y el largo del coaxial. El valor correcto se elige al desaparecer la radiofrecuencia del shack (en la banda más baja). O cuando sus labios no se queman al tocar la carcasa metálica del micrófono a medida que UD. transmite. 
Sin embargo debe usar un capacitor para alto voltaje, alrededor de 1 Kilovolt como mínimo, mientras más alto mejor. De otra manera, ZAPPP!!! , el capacitor explotara si hay un Peak de alto voltaje de onda estacionaria que surja instantáneamente a o sobre 500 Volts en este terminal.

El circuito es una configuración efectiva para tierra de radiofrecuencia. El shack del autor esta en el segundo piso y usa este mismo sistema de tierra el cual lo ha estado usando desde 1989 no habiendo presencia de radiofrecuencia ni siquiera con un amplificador lineal de 1 Kilowatt. Estoy usa el mismo sistema de tierra. 
Usamos capacitor de 0.01 microfaradios x 1kilovolt para C1.

Principio del supresor de radiofrecuencia – Mediante la inspección, el cable de tierra esta encapsulado efectivamente por la malla del coaxial de manera que no presenta onda estacionaria de alto voltaje en este cable. Sin embargo dado que la malla esta expuesta y flotando, una onda estacionaria de alto voltaje aparecerá en la parte de afuera de la malla. Este voltaje es cero a nivel de la barra de tierra y alto en la parte abierta. Cuando UD conecta un capacitor entre el terminal de alto voltaje de la malla y el central del coaxial, la impedancia del capacitor es muy baja a la frecuencia de operación de manera que actúa como una carga de baja impedancia (en virtud de su baja reactancia = Z, en ohms) entre la malla y el centro del conductor. La corriente de radiofrecuencia fluirá fácilmente a través del capacitor y se desviara al conductor central encapsulado por la malla y finalmente a tierra. La creación de estos altos voltajes de ondas estacionaras entre la parte interna de la malla y el conductor central se suprime a causa de la impedancia característica del RG-8 que es solo 50-52Ω. La caída de voltaje a través del capacitor externo (C1) entre la parte abierta de la malla y el conductor central es:


C1 = 0.01 μF, a continuación la reactancia de C1 en 7.035 MHz es:

                     1                                        1
Xc = ------------------------ = ---------------------------------------- = 2.26 Ω
          (2 * π) * f * c             6.28 * 7.035 Mhz * 0.01 μF


Asumiendo que transmite con una potencia de 100 W, la caída de voltaje a través del capacitor C1 sería aplicando la Ley de Ohm:
            _____         _________
E = P * Z   =  100 * 2.26  =  15.03 Volts RMS solamente.

La reactancia combinada del capacitor, en paralelo con la capacitancia total del cable RG-8 disminuirá aun más la caída de voltaje. También a medida que la frecuencia de operación sube, la reactancia de C1 baja. Por lo tanto, la caída de voltaje será aun mas baja. Esto es como si el largo físico del cable fuera de 1 Mt de largo eléctrico.

La curva de atenuación del voltaje a frecuencias de operación sobre 7.035 Mhz de hecho baja al ritmo de 6 dB por octava. Esto significa que cuando la frecuencia de operación sube al doble (14.07 Mhz); el voltaje que existe a través de C1 disminuye a la mitad de su amplitud original. Adicionalmente debido a que conductor central de la línea coaxial esta conectado directamente a la tierra física, actúa como una tierra de seguridad eléctrica. Que le parece?

Lo que hemos presentado y discutido tiene que ver solamente en como mantenemos fuera el problema de la radiofrecuencia cerca del shack en lo se refiere a Ground loops y sistemas de tierra sin tierra. Pero como hacemos para tener un buen sistema de tierras de radiofrecuencia para transmisión y recepción?. Su sistema lo necesita le guste o no!. 
Para poder tener una propagación efectiva para DX se requiere un buen sistema de tierra para radiofrecuencia. Simplemente teniendo sus equipos a tierra no es garantía de tener un buen y efectivo sistemas de tierra de radiofrecuencia... Otra verdad!

Mejorar o hacer una buena tierra de radiofrecuencia para trabajar con su antena es otro tópico que no lo cubre este articulo. Similar-mente contestar la pregunta numero 3 también requiere un tópico separado para otro articulo. Tratar numerosas causas de interferencias por radiofrecuencia debido los efectos del campo cercano y una exposición gruesa del equipo de radio a altos campos de radiofrecuencia que no son causados por tener malos sistemas de tierras, es otro tema separado. Aunque tienen alguna relación es un tema aparte! Espacio disponible no garantiza la extensión de estos temas pero con suerte espero que sean cubiertos separadamente en futuros artículos.

Espero que este artículo haya ilustrado al lector para entender la importancia de los paradigmas de sistemas de tierra efectivos y las verdades y mentiras de los sistemas de tierra de los radio-aficionados
Tener un shack libre de radiofrecuencia con técnicas adecuadas de puestas a tierra es una responsabilidad del operador de radio, para definir los aspectos del sistema de tierras cuando trata con altos niveles de radiofrecuencia en el ambiente de operación. 
Un sistema de tierras efectivo de los equipos es mandatario para tener seguridad personal, no danos a equipos sensibles y prevención de radiofrecuencia severa a la comunidad.

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