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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Gewitter, statische Aufladung und Antenne. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Antennen. Theorie Die Fragen des sicheren Betriebs von Antennen und daran angeschlossenen Geräten während Gewitterperioden werden in der Amateurfunkliteratur von Zeit zu Zeit diskutiert. Dennoch achten Kurzwellen- und Ultrakurzwellenbetreiber bei der Gründung eines Amateurfunksenders zuletzt auf diese Probleme und hoffen offenbar auf das berühmte russische „Vielleicht kommt es durch.“ Aber das ist grundsätzlich falsch, denn... Laut Statistik gibt es in Mitteleuropa durchschnittlich ein bis fünf Blitzeinschläge pro Jahr und Quadratkilometer. Mit anderen Worten: Sie können grundsätzlich sicher sein, dass es alle paar Jahre im Umkreis von 100 m um Ihre Antenne zu einem Blitzeinschlag kommt (im Süden und in den Bergregionen ist diese Wahrscheinlichkeit höher als im Norden und in der Ebene). Und wenn ja, dann ist es viel klüger, sich im Voraus darauf vorzubereiten, als die Verluste später zu zählen – bei Transceivern sind es in diesem Fall normalerweise nicht nur die Eingangskreise des Empfängers, sondern auch die Ausgangstransistoren des Senders. ausfliegen". Welche Gefahren birgt ein Gewitter für Amateurgeräte? 1. Sich langsam ansammelndes statisches Potential und seine abrupten Änderungen bei Entladungen in einer Entfernung von mehreren hundert Metern oder mehr von der Antenne. Wenn die Antenne oder eine Hälfte davon von der Erde gleichstromisoliert ist (z. B. ein GP oder ein symmetrischer Dipol), können sich vor und während eines Gewitters hohe statische Potenziale darauf ansammeln. Betrachten wir dieses Beispiel. In einer Höhe von zwei Kilometern gibt es eine Gewitterwolke mit einem Potenzial von 2 MB (Megavolt!), und in diesem Fall hat der Boden kein Potenzial. Dieser riesige Kondensator hat eine statische elektrische Feldstärke von 1 kV/m. Das heißt, an einer vom Boden isolierten Antenne, beispielsweise einem Dipol oder LW, die in einer Höhe von 10 m hängt, entsteht ein statisches Potential von etwa 10 kV. Beim Herabfließen erzeugt es im Empfänger knisternde und raschelnde Geräusche. Wenn eine Wolke entladen wird (in eine andere Wolke oder auf den Boden weit entfernt von der betreffenden Antenne), sinkt das Potenzial der Wolke und damit der Antenne abrupt auf nahezu Null. Ein an der Antenne erzeugter Impuls mit einer Amplitude von 10 kV reicht völlig aus, um den Transceiver zu beschädigen. 2. Wenn in der Nähe Ihres Zuhauses (bedingt einige zehn Meter) ein Blitzeinschlag in die Erde auftritt, entstehen neue Gefahren, die nicht nur mit der Antenne, sondern auch mit dem Stromversorgungsnetz und den Erdungskreisen verbunden sind. Zusätzlich zu der starken Änderung der Feldstärke und der damit verbundenen Änderung des Potenzials aller in der Nähe befindlichen Leiter treten induzierte Ströme auf. Der Entladestrom im ionisierten Blitzkanal erreicht in den ersten 1...10 µs Werte von 20...500 Ampere und fällt dann in 200...1000 µs auf Null ab. Diese enormen Ströme induzieren Sekundärspannungen in allen umliegenden Leitungen. Es entsteht so etwas wie ein Transformator, bei dem die Primärwicklung der Blitzkanal und der Blitzableiter und die Sekundärwicklung die umgebenden Drähte sind. Der Übertragungskoeffizient dieses Transformators, der vom Abstand zur Leitung abhängt, ist prinzipiell sehr klein. Aber selbst bei einer Verstärkung von 0,001 können Stromimpulse in geschlossenen Schleifen umgebender Drähte (z. B. einer Erdschleife) Hunderte von Ampere erreichen und an diese Schleifen angeschlossene Geräte beschädigen. Wenn der Stromkreis nicht geschlossen ist und die Lücke zwischen seinen Enden klein ist, kann die im Stromkreis induzierte Spannung, die viele zehn Kilovolt erreicht, ihn durchbrechen. Beispiel: Ein Gamma-angepasster Wellenkanal aus Ganzmetall ist auf einem gut geerdeten Mast installiert und wird über ein Kabel gespeist, das schräg vom Mast ausgeht. Im Radiosenderraum wird das Kabel an einen Transceiver angeschlossen, der keine zusätzliche Erdung hat. Auf den ersten Blick scheint es nicht nötig zu sein – der Mast ist zuverlässig geerdet, die Antenne ist ganz aus Metall und durch das Kabelgeflecht ist eine gute Erdung gewährleistet. Aber ... wenn es zu einem Blitzeinschlag in der Nähe kommt, wird im offenen Stromkreis „Erde-Mast-Kabel-Transceiver“ eine Spannung induziert, die eine Steckdose in dem Bereich sucht, in dem der Stromkreis unterbrochen ist – zwischen dem Transceiver und dem nächstgelegenen "Boden". Dadurch kommt es entweder zu einem Erddurchschlag über das 220-V-Versorgungsnetz oder zu einem Lichtbogen zur nächstgelegenen „Erde“ (z. B. Heizungsrohre). Es ist klar, dass weder die eine noch die andere Option etwas Gutes für den Transceiver verspricht. 3. Und schließlich ist der seltenste, aber auch schwerwiegendste Fall ein direkter Blitzeinschlag in die Antenne oder den Blitzableitermast, auf dem die Antenne installiert ist. Beginnen wir mit der Tatsache, dass es einen Blitzableiter geben muss (also einen Weg für den Blitzstrom zum Boden). In seiner Abwesenheit fließen Hunderttausende Ampere Entladestrom auf dem Weg, der ihnen am kürzesten erscheint, zur Erde. Und wenn Ihr Abstiegskabel und Ihre Ausrüstung auf diesem Weg zusammentreffen, wird davon nur noch wenig übrig bleiben. Betrachten wir zwei Beispiele. Erstes Beispiel. Der Blitzableiter ist als separate Struktur gefertigt und mit einem dicken Draht mit der allgemeinen Erdung des Hauses verbunden, die Antenne befindet sich viel tiefer als der Blitzableiter. Mal sehen, was passiert, wenn ein Blitz einschlägt. Nehmen wir an, der Erdungswiderstand des Blitzableiters beträgt 2 Ohm (das ist eine sehr gute Erdung). Bei einem Blitzeinschlag mit einem Spitzenstrom von 200 Ampere (Durchschnittswert) entsteht an der Erdungsschiene und an allen daran angeschlossenen Geräten (einschließlich des Neutralleiters des Netzwerks) ein Potential von etwa 400 kV. Offensichtlich bleibt an einem vom Haus entfernten Punkt das Erdpotential Null und alle 400 kV werden letztendlich an den Neutralleiter des Netzwerks angelegt, wodurch die Sicherungen durchbrennen. Dies ist der kleinste Verlust durch einen direkten Blitzeinschlag. Zweites Beispiel. Ein Ganzmetall-Wellenkanal ist auf einem freistehenden und gut geerdeten Mast mit einem Erdungswiderstand von 2 Ohm montiert. Das Abstiegskabel verläuft am Mast entlang und dann am Boden entlang zum Gelände der Funkstation. Der Raum verfügt über eine eigene hochwertige Erdung. Bei einem Blitzeinschlag mit einem Spitzenstrom von 200 Ampere beträgt das Erdpotential am Fuß des Mastes 400 kV und nimmt zu den Seiten des Mastes hin ab, wodurch ein sogenannter „Spannungstrichter“ entsteht. Das Erdpotential rund um das Gebäude ist geringer als am Mastfuß. Nehmen wir an, es werden 100 kV. Und diese 100 kV bewirken das Gleiche wie im ersten Beispiel beschrieben, aber damit nicht genug. Das Potential des Antennenkabelgeflechts wird 400 kV betragen, und das Erdpotential auf dem Gelände des Radiosenders wird nur 100 kV betragen. An dem Kabel scheint eine Differenz von 300 kV anzulegen. Aufgrund seines geringen Querschnitts kann sein Geflecht keinen großen Ausgleichsstrom durchlassen und das Kabel brennt durch. Wenn das alles ist, haben Sie Glück, andernfalls wird auch der Transceiver beschädigt. Selbst wenn das Kabel (wie es bei einem Gewitter sein sollte) vollständig abgeklemmt ist, aber nicht weit von geerdeten Gegenständen im Raum entfernt liegt, können diese 300 kV mit einer Bogenentladung mehrere zehn Zentimeter Luft durchdringen. Deshalb müssen bei einem Gewitter alle von der Antenne kommenden Kabel komplett abgezogen und weit genug entfernt verlegt werden. Es ist zu beachten, dass die Schutzzone eines Blitzableiters (in der kein direkter Blitzeinschlag zu befürchten ist) ein Kegel mit einer Spitze am Ende des Blitzableiters und einem Radius am Boden von etwa 3/4 ist. XNUMX der Höhe des Blitzableiters. Wie kann man die Zerstörung verhindern? Es versteht sich, dass die drei im vorherigen Abschnitt genannten Gründe gleichermaßen wahrscheinlich sind. Statisches Potenzial ist etwas, dem jeder oft begegnet. Und das nicht nur bei Gewitter. Nahezu jeder wird im Durchschnitt alle paar Jahre auch mit induzierten Strömen durch einen nahegelegenen Blitzeinschlag konfrontiert sein. Das Schicksal kann Sie vor einem direkten Blitzeinschlag bewahren, aber es ist besser, nicht auf den Zufall zu hoffen, sondern im Voraus über eine solche Möglichkeit nachzudenken. Es wird billiger sein! Daher ist es besser, bereits in der Phase des Antennenentwurfs mit der Bekämpfung des statischen Potenzials zu beginnen. Sie können fast immer ein Design wählen, das über Gleichstrom vollständig gegen Masse geschlossen ist – Schleifendipole auf einer geerdeten Traverse, Schleifen-GP, Antennen mit Gamma- und Omega-Anpassung, J-Antenne usw. Wenn die Antenne nicht gegen Masse kurzgeschlossen ist, dann Die Situation wird durch einen (bei einer unsymmetrischen Antenne) und zwei (bei einer symmetrischen) Zwei-Watt-100-kOhm-Widerstandsverbindung zwischen dem Antennenblatt und dem geerdeten Mast (oder dem Geflecht des Koaxialkabels) deutlich verbessert. Diese Widerstände bilden einen Stromkreis, um sich langsam ansammelnde statische Aufladung zu entfernen und Spannungsstöße am Empfängereingang während Entladungen erheblich zu reduzieren, bis zu mehreren zehn Volt (abhängig von der Höhe und dem Potenzial der Gewitterwolke). Allerdings nur für Entladungen, deren Weg deutlich von der Antenne entfernt ist. Bei starken statischen Entladungen ist es sinnvoll, selbstgebaute Ableiter an den Antennenpanels anzubringen – an den Enden geschärfte M5-M8-Schrauben. Die Spitze der Bolzen sollte 1...1,5 mm (einstellbar durch Drehen der Bolzen) zur geerdeten Platte betragen. Um das Auftreten von Induktionsströmen zu verhindern, sollten ringförmige Erdungsschienen vermieden werden; alle Geräte sollten sternförmig an eine gemeinsame Erde angeschlossen werden. Analysieren Sie Ihr Verkabelungssystem sorgfältig auf geschlossene Stromkreise mit großer Fläche und beseitigen Sie diese. Dabei besteht die Gefahr nicht so sehr für den geschlossenen Stromkreis selbst, sondern für die daran angeschlossenen Geräte. In Rahmenantennen werden sehr hohe Spannungen induziert, zu deren Beseitigung sollten Funkenstrecken am Steckdosenpunkt installiert werden, mit möglichst geringem Abstand (1 ... 2 mm) – ein Widerstand reicht nicht aus. Wenn möglich, ist es besser, das Antennenkabel in einem Metallrohr zu verlegen oder im Boden zu vergraben. Zum Schutz vor direkten Blitzeinschlägen müssen zwei unterschiedliche Probleme gelöst werden. Die erste besteht darin, einen hochwertigen Blitzableiter mit guter Erdung herzustellen. Der Blitzableiter selbst und sein Erdungskabel müssen aus Material mit einem Querschnitt von mindestens 50 mm2 bestehen und dürfen keine scharfen Biegungen aufweisen. Dadurch erhöht sich die Induktivität, und für einen so kurzen und energiereichen Impuls wie einen Blitzeinschlag stellt bereits eine kleine Induktivität einen erhöhten Widerstand dar. Eine induktive Reaktanz in der Größenordnung von einigen Ohm erzeugt bei Strömen von mehreren Tausend Ampere eine extrem große Spannung. Das zweite Problem entsteht, weil in der Praxis ein seltener Funkamateur nicht in Versuchung geraten wird, einen Blitzableitermast zum Aufstellen seiner Antennen zu verwenden (tatsächlich, wann wird es diesen Blitz geben, aber hier ist der hohe Mast untätig!). Und diese Aufgabe besteht darin, sicherzustellen, dass der Blitzentladungsstrom größtenteils durch den geerdeten Mast und minimal durch das Kabel fließt, das die Antenne in das Gerät einspeist, d. h. es ist notwendig, einen Weg für den Blitzstrom in den Boden mit viel geringerem Widerstand zu legen durch das Kabel. Um dies zu erreichen, ist es äußerst wünschenswert, dass die Mastspitze 1 ... 1,5 Meter höher ist als die Antenne. Der Mast kann mit einem Stück Metallrohr oder einem dicken Stab (Draht) verlängert werden, wodurch der Großteil der atmosphärischen Elektrizität direkt zum Mast mit seiner obligatorischen Blitzschutzerdung abgeleitet wird. Die Antenne selbst muss sicher am Mast geerdet sein. Ist dies konstruktionsbedingt nicht möglich, sollten Funkenstrecken eingebaut werden. Machen Sie mehrere Windungen des Antennenstromkabels direkt unterhalb des Antennenstromanschlusses. Der Teil des Stroms, der noch in das Kabel „fliegt“, trifft auf den für einen kurzen Impuls erheblichen induktiven Widerstand der Koaxialdrossel und führt zu einem Spannungsabfall darüber. Diese Spannung durchbricht die Lücke der Ableiter und der entstehende Lichtbogen erzeugt einen Leckpfad für den Strom zur Erde durch den Mast mit weniger Hindernissen als durch das Kabel. Die Erdung des Mastes muss über eine separate Leitung mit großem Querschnitt (mindestens 50 mm2) mit der Erdung des Hauses verbunden werden, um das Erdpotential bei einem Blitzeinschlag auszugleichen. Alle oben genannten Maßnahmen beseitigen Spannungsspitzen an den Geräten nicht vollständig, ermöglichen jedoch eine Reduzierung auf akzeptable, zerstörungsfreie Werte. Dennoch ist es ratsam, zusätzliche Schutzmaßnahmen im Gerät selbst zu treffen – es empfiehlt sich, am Empfängereingang einen Widerstand mit einem Nennwert von 100...200 kOhm zu installieren. Am Antennenanschlussstecker befindet sich eine Funkenstrecke mit einer Mindestzündspannung (sofern diese nicht durch das Signal des eigenen Senders ausgelöst wird). Wenn eine Steuereinheit oder ein Tiefpassfilter nach der P-Schaltungsschaltung vorhanden ist, wird diese Rolle erfolgreich von der Ausgangssteuereinheit mit einem Luftspalt (minimal möglich!) übernommen. T-förmige Steuersysteme am Ausgang der meisten industriellen Transceiver sind in dieser Situation ungeeignet – der Entladungsfunke „fliegt“ durch sie hindurch direkt zum Ausgang des Senders. In den Stromkreisen der von der Antenne kommenden Drähte (Kabel) zur Steuerung von Getrieben und Schaltern müssen Varistoren oder besser Ableiter installiert werden. Und schließlich ist zu bedenken, dass bei Herannahen eines Gewitters alle Antennenkabel vollständig vom Gerät und dieses vom Netzwerk getrennt werden müssen! Autor: I.Goncharenko
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