TÓPICOS DE LA RADIOAFICIÓN 3: Una tierra común para la RF es indispensable?
TÓPICOS DE LA RADIOAFICIÓN-3: LA TOMA DE TIERRA COMÚN DE
RF
La radioafición está llena de
tópicos que circulan como si fueran auténticas verdades y que no están basados
en ninguna realidad científica ni experimental. En este artículo intentamos
desmontar una de las más difundidas, incluso por mismos los fabricantes de acopladores
y transceptores, que recomiendan unir todos los equipos una toma de tierra
común, para evitar la circulación de RF, justamente lo contrario de lo que se
debe hacer.
En el Test sobre tus
conocimientos prácticos sobre la radioafición,
planteábamos cuál era la respuesta correcta a la pregunta: “Una buena toma de tierra de RF en la estación elimina la RF en el
micro y en la estación”. ¿Verdadero o falso?
La respuesta que dábamos como
correcta en el test sobre tus conocimientos es que esta afirmación estotalmente falsa. Las tomas de tierra en el
interior de la estación deben ser exclusivamente para protección eléctrica y
debemos evitar en todo lo posible que circule RF por ellas.
Si tenemos RF en el micro, no debe
intentar realizarse la cura con una puesta a tierra de RF, porque lo peor que nos puede ocurrir es que una toma de tierra de RF común
en la estación funcione realmente como toma de tierra de RF
y conduzca la radiofrecuencia y la derive hacia tierra.
Entonces, como todo conductor que conduce RF, ese cable actúa realmente como
una antena y radia energía en el interior del shack, en nuestra
estación como puede verse en la figura 1, con los consiguientes problemas de
que todo se llena de RF, desde el micro hasta el manipulador electrónico.
Así que la prudencia aconseja que debemos impedir por todos los medios posibles que la RF circule por cualquier toma de tierra de protección eléctrica en el interior
de la estación y eso significa evitar en todo lo posible las tomas de tierra
comunes para RF en la estación.
Sin embargo, es fundamental la toma de protección eléctrica
¿Es posible que todos nuestros
equipos no estén al mismo potencial eléctrico si están enchufados a la misma
red eléctrica? Desgraciadamente sí.
Modernamente, por fortuna, es difícil que todos los equipos no estén al
mismo potencial eléctrico, porque cualquier equipo o dispositivo eléctrico de
cierta potencia debe llevar instalado un tercer hilo en la clavija y en el cable de alimentación,
normalmente un cable recubierto con un aislante de color amarillo con franjas verdes,
que debe quedar conectado a una tierra común de protección de la instalación
eléctrica actual, tierra común que actualmente se exige que se encuentre en
todos las bases de enchufes modernos. Pero hay muchas excepciones.
Desgraciadamente no todas las bases de enchufes del domicilio
son modernas ni todos los equipos llevan el tercer hilo en la clavija del
enchufe ni en el cable de alimentación. Si no lo llevan, puede darse muy bien
que dos dispositivos electrónicos se encuentren a distinto potencial eléctrico
y experimentemos una descarga al manejarlos con las dos manos.
Es muy frecuente encontrarse con televisores cuyo potencial de
masa común (chasis) es distinto del de la tierra de la toma de antena y
experimentemos una descarga al intentar conectar el cable coaxial de antena,
por poner un ejemplo con el que yo me he encontrado (y picado) muchas veces.
La fuente de alimentación de algunos equipos enchufados a 220 V
sin tercer hilo es muy probable que lleve condensadores de desacoplo de RF que
no son exactamente iguales. Esto hace que el chasis de estos equipos puedan
quedar a potenciales diferentes. Por ejemplo, puede ocurrir que uno de ellos
tenga un potencial intermedio equivalente a 110 V AC (220/2) y que otro quede a
un potencial intermedio de 175 V o 45 V (220-175), según la posición de la
clavija, con lo que aparece una diferencia de potencial entre ambos equipos de
65 V. Y esta tensión pica, aunque no peligrosamente, pues la descarga se produce
a través de condensadores con una reactancia suficientemente elevada. Pero es
suficientemente molesta.
La distribución más normal de corriente alterna se basa en 3 fases de con diferencia
de 380 V entre ellas. pero con una tensión al conductor neutro de 220 V entre
fase y neutro. Se distribuye a cada apartamento con un solo cable vivo y un
solo cable de retorno, aparte de un cable de tierra independiente que no lleva
corriente, pero que se utiliza como cable de protección eléctrica. Realmente
sólo pica uno de los dos cables, pero con la tensión alterna de 220 V, que es
muy peligrosa (Figura2).
Figura 2: Redes de distribución
eléctrica de baja tensión
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Pero también podemos encontrarnos con instalaciones más antiguas
con 220 V entre las 3 fases y solamente 125 V entre fase y neutro. Para
proporcionar modernamente 200 VAC en estas instalaciones, se distribuye a los
domicilios actuales con dos fases vivas que pueden dar descargas de 125 V al
despistado que toque uno cualquiera de los dos cables. Y los 125 V son también
muy peligrosos. Cualquier tensión alterna superior a los 50 V es realmente
peligrosa.
La protección del interruptor diferencial o IPC
Para protegernos de las descargas peligrosas (mayores de 30 mA)
deben instalarse también obligatoriamente un tipo de relés diferenciales, que
saltan cuando hay una corriente desigual en los dos hilos del relevador. Esta
diferencia de corrientes se produce cuando aparece una corriente de fuga que
circula fuera del circuito formado por los dos hilos, es decir, circula
solamente por una de ellos hacia un tierra en lugar de retornar por el
otro cable.
Supongamos que tocamos una lavadora
que ha tenido un problema de aislamiento y se produce una fuga que pone el
chasis en tensión y en ese momento la tocamos con las manos mojadas. La
lavadora puede que no haya disparado hasta ahora el diferencial, porque los
tacos de goma anti-vibración la mantenían aislada del suelo, por lo que
nosotros, al tocarla, le proporcionamos un circuito de retorno a la tensión del
chasis metálico a masa. Si no existiera el protector diferencial que desconecta
al detectar una corriente que no pasa por los dos conductores, sino solamente
por uno de ellos a través de nuestro cuerpo, podríamos morir electrocutados.
Así que no lo olvidéis. El perfecto funcionamiento del
interruptor diferencial es fundamental para nuestra protección. Debemos
comprobar que funciona correctamente pulsando un botoncito de prueba situado en
el exterior junto al interruptor. El protector diferencial debe saltar
inmediatamente y desconectar la corriente eléctrica.
¿Por qué es necesario que nuestros equipos estén todos al mismo
potencial?
Para evitar que suframos descargas al
conectar y desconectar un elemento de la estación de otro elemento diferente.
Lo más normal es que cualquier dispositivo que utilicemos, sea un acoplador o
un medidor de ROE o un manipulador electrónico, o un filtro de audio, lleve su
propia alimentación incorporada y su chasis quede a diferente potencial unos de
otros, si no van equipados con el tercer hilo. Debemos prestar especial
atención a los equipos con clavija de solamente dos polos sin contacto lateral
de masa, pues es evidente que adolecen de este problema. Debemos unirlos de
algún modo, pero procurando siempre que no circule la RF por estoscables de tierra común eléctrica (Figura 3).
¿Cómo podemos impedir que la RF se pasee por nuestra estación?
El elemento esencial para conseguir
que la RF no circule por el interior de nuestra estación, no es ni más ni menos
que la colocación del balun (de Balance/Unbalance)
más adecuado en la antena para evitar que circulen corrientes de RF
independientes por el exterior de la malla del cable coaxial.
Como hemos visto en un artículo anterior (Revista CQ 331 de
Junio de 2012), si no se coloca un bálun en el punto donde se conecta un
cable coaxial asimétrico, se puede producir corrientes asimétricas que circulan
por el exterior del cable y que no solo radian RF como si formaran parte de la
antena, sino que la conducen al interior de la estación, buscando un camino
para llegar a tierra, camino que pasa por los cables de protección eléctrica.
¿Qué tipo de balun se recomienda en el centro de un dipolo?
En general, es más recomendable el balun de tensión con tres
devanados de la Figura 5, que el simple balun de arrollamiento o con anillos de
ferrita, llamados vulgarmente balunes de corriente, aunque en algunas antenas
se puede utilizar este último sin problemas.
Digo que es preferible el balun de
tensión porque por una parte une
en cierto modo conductivamente el vivo y la malla para corrientes continuas,
con lo que elimina cualquier posibilidad de que se cargue de estática el hilo
central del cable coaxial. Le concede un camino de descarga para la
electricidad estática. Por otra parte, dicen muchos expertos que esa unión
impide en cierto modo que el hilo central del coaxial y la rama de la antena a
la que va conectada se comporten como una antena vertical que capta ruidos
eléctricos de campo eléctrico vertical de las proximidades y hace que la antena
sea menos ruidosa.
Sin embargo, muchas Yagis y antenas
directivas horizontales ya llevan algún tipo de unión entre el vivo y la malla,
realizado por medio de adaptaciones simétricas de tipo betamax, o por medio de
líneas de ¼ de onda entre el vivo y la malla de la antena (antenas de VHF y
superiores) colocados en la viga de soporte (boom). En ese caso, los balunes
Unun ( de Unbalance/Unbalance) de anillos de ferrita (de material
adecuado a la frecuencia de la antena) son perfectamente aconsejables para
evitar las corrientes de malla que pudieran modificar el lóbulo de la antena.
No olvidemos que algunas antenas de VHF llevan balunes de ¼ de
onda de tipo bazooka que impide las corrientes por la malla de coaxial. En ese
caso, hay que comprobar si hay circuito entre el vivo y la malla para evitar
problemas de acumulación de estática.
¿Es suficiente este balun de tensión para evitar corrientes de
malla?
A veces no es suficiente y no basta
con colocar este balun o choque en la antena para impedir la circulación de RF
por el exterior del cable, porque da la casualidad de que la bajada tiene una
longitud resonante en ½ onda y la malla del coaxial se comporta como una antena
receptora, captando directamente la radiofrecuencia radiada por la antena. Para
resolver este segundo problema, lo mejor es colocar otro balun de corriente Unun (deUnbalanced/Unbalanced)
inmediatamente en la estación, junto a la salida del transmisor o del
acoplador de antena.
Un balun de corriente Unun (Figuras 7 y 8) consiste en un choque de
RF realizado con anillos de ferrita colocados por el exterior de un trozo de
cable coaxial que pasa por su interior y que impide su circulación por el
exterior de la malla. De esta forma, obligamos a que toda la RF circule
únicamente por el interior del cable coaxial de salida. Recordemos que la
corriente del vivo del cable coaxial y del interior de la malla son siempre
iguales y opuestas y su radiación se cancela en cualquier caso.
La colocación de una toma de tierra en lugar de este choque UNUN
en el interior de la estación podría hacer que la RF captada por radiación por
la bajada de coaxial circulara por ese cable de toma de tierra, que entonces
llenaría de RF captada en el interior de la estación, produciendo todo tipo de
interferencias en otros dispositivos.
¿Pueden dar problemas otros cables?
Es muy posible que en la estación entren otros cables, como por
ejemplo los destinados al control de rotores o a la alimentación de
preamplificadores. Estos cables son también susceptibles de captar RF y
entrarla en la estación, por lo que es muy posible que modernamente debamos
tomas precauciones especiales con ellos.
Este problema no se presentaba
anteriormente cuando los mandos de los rotores eran electromecánicos, basados
en contactos y relés, pero cuando modernamente se basan en electrónica más
sofisticada, con conexiones y cables USB para poderlos que permiten su manejo
mediante programas de seguimiento de satélites o de la posición de la Luna, el
tema empieza a ser preocupante. La conexión USB es muy sensible a la RF, como
han podido comprobar todos los que utilizan equipos SDR. Nada que no se pueda
resolver colocando ferritas ad hoc que
envuelvan los cables de control de rotores y alimentación.
¿Pueden dar problemas de RF las verticales?
Si la vertical es una Ground Plane con radiales elevados (Figura
9), puede dar exactamente los mismos problemas que un dipolo, por lo que
es imprescindible utilizar un balun, preferiblemente de tensión, en el punto de
conexión con la antena. De lo contrario, nos arriesgamos a tener Rf en la
estación.
Figura 9: Vertical GP sin balun
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Figura 10: Vertical GP con balun
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¿En qué tipo de antenas es necesaria una auténtica toma de
tierra de RF?
Evidentemente en todas las que
pretendemos utilizar la tierra como
contraantena, es decir las que solamente disponen de la mitad
del radiante en comparación con un dipolo o antena simétrica, es decir, verticales , hilos cortos e
hilos largos.
De todos modos, aunque no sea imprescindible, en cualquier
antena vertical con tierra natural (figura 11) es siempre recomendable la
colocación de un balun de tensión para asegurarse de que hay un circuito de
descarga de estática a tierra por el devanado central del balun de tensión de
tres hilos (figura 12). Claro que eso podría también conseguirse por un método
más barato de colocar una resistencia de carbón de 1 Megohmio entre el vivo y
la masa, que no absorbería potencia RF y apenas se calentaría, pero nos
descargaría la electricidad estática, pero la pregunta es ¿dónde la
colocaríamos?
Si la antena es de hilo corto (< 1 L) como la de la figura 12,
por favor, no le pongáis un balun de 9:1 porque la impedancia de la antena es
menor de 50 ohmios. Aquí pensamos que un hilo largo es algo que tiene poco más
de un cuarto de longitud de onda y eso no es así. Una antena de hilo largo
(Figura 13), para que tenga una impedancia que se acerque a los 600 ohmios de
una línea de transmisión de un hilo con tierra, necesita tener una longitud de
más de 2 L para que su impedancia sea suficientemente elevada para acercarse
por lo menos a los 400 ohmios y aaptarse con un balun 9:1. Una auténtica antena
de hilo largo con varias longitudes de onda alcanzaría una impedancia de 600
ohmios, la impedancia de una línea de transmisión formada por un hilo
horizontal y la tierra.
¿Cómo deben ser las auténticas tomas de tierra de RF?
La mayoría de radioaficionados
considera que una pica de 2,5 metros clavada en tierra es
suficiente para realizar una buena toma de tierra de RF. Sin embargo, la
práctica nos demuestra que la resistencia de una pica clavada en tierra se
encuentra sobre los 20-40 ohmios en un suelo de conductividad media. Esa
resistencia es excesivamente elevada para nuestros propósitos.
En efecto, si tenemos en cuenta que la resistencia de tierra
queda en serie con la resistencia de radiación de una antena de por ejemplo de
¼ de longitud de onda (37,5 ohmios), nos encontramos con que el rendimiento de
la antena sería como máximo del 50% y eso ya son 3 dB de pérdidas en la
potencia radiada por la antena.
La conclusión es que deberíamos
reducir esta resistencia clavando por lo menos 4 picas (Figura 14)en los vértices de un
cuadrado con una separación de por lo menos un metro de lado. De esta forma,
conseguiremos reducir la resistencia de tierra a unos valores de entre 5 y 10
ohmios, con lo que aumentamos el rendimiento de la antena hasta un 75-90%, un
valor muy aceptable, pues representa solamente unas pérdidas de décimas de
decibelio.
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