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.
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.
