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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Orage, statique et antenne. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Antennes. La théorie Les problèmes de fonctionnement en toute sécurité des antennes et des équipements qui y sont connectés pendant les périodes d'activité orageuse ont été discutés de temps à autre dans la littérature radioamateur. Néanmoins, lors de la création d'une station de radio amateur, les opérateurs de radio à ondes courtes et à ondes ultracourtes prêtent attention à ces questions en dernier, espérant apparemment le fameux russe "peut-être que cela se poursuivra". Mais c'est fondamentalement faux, parce que ... Selon les statistiques, en Europe centrale, il y a en moyenne un à cinq coups de foudre par kilomètre carré et par an. En d'autres termes, vous pouvez essentiellement être sûr qu'un coup de foudre se produira à moins de 100 m de votre antenne une fois toutes les quelques années (dans le sud et dans les zones montagneuses, cette probabilité est plus élevée que dans le nord et dans les plaines). Et si tel est le cas, il sera beaucoup plus raisonnable de s'y préparer à l'avance que de calculer les pertes plus tard - dans les émetteurs-récepteurs à transistors, non seulement les circuits d'entrée du récepteur, mais également les transistors de sortie de l'émetteur "s'envolent". Quels sont les dangers pour le matériel amateur porte un orage ? 1. Potentiel statique qui s'accumule lentement et ses changements brusques avec des décharges éloignées de l'antenne (plusieurs centaines de mètres ou plus). Si l'antenne, ou une moitié de celle-ci, est isolée en courant continu du sol (par exemple, GP ou dipôle symétrique), des potentiels statiques élevés peuvent s'y accumuler avant et pendant un orage. Considérons un tel exemple. À une hauteur de deux kilomètres, un nuage d'orage avec un potentiel de 2 Mo (mégavolts !) se bloque, et le potentiel près du sol dans ce cas est nul. Ce condensateur géant a une intensité de champ électrique statique de 1 kV/m. C'est-à-dire que sur une antenne isolée du sol, par exemple un dipôle ou LW, suspendu à une hauteur de 10 m, un potentiel statique d'environ 10 kV apparaîtra. En descendant, il crée des craquements et des bruissements dans le récepteur. Lorsqu'un nuage se décharge (vers un autre nuage ou vers le sol loin de l'antenne considérée), le potentiel du nuage, et, par conséquent, de l'antenne, va brusquement décroître presque jusqu'à zéro. Une impulsion d'une amplitude de 10 kV formée sur l'antenne est plus que suffisante pour désactiver l'émetteur-récepteur. 2. Si une décharge de foudre au sol se produit non loin de votre maison (conditionnellement - quelques dizaines de mètres), de nouveaux dangers apparaissent, associés non seulement à l'antenne, mais également au réseau d'alimentation et aux circuits de masse. En plus d'un changement brusque de l'intensité du champ et du changement associé du potentiel de tous les conducteurs à proximité, des courants induits apparaissent. Le courant de décharge dans le canal de foudre ionisé pendant les 1...10 premiers µs atteint des valeurs de 20...500 mille ampères puis tombe à zéro en 200...1000 µs. Ces énormes courants induisent des tensions secondaires dans tous les fils à proximité. Quelque chose comme un transformateur est formé, où l'enroulement primaire est le canal de foudre et le paratonnerre, et l'enroulement secondaire est les fils environnants. Le coefficient de transmission de ce transformateur, qui dépend de la distance au fil, est en principe très faible. Mais même avec un rapport de transfert de 0,001, les impulsions de courant dans les boucles fermées des fils environnants (par exemple, une boucle de masse) peuvent atteindre des centaines d'ampères et endommager les appareils connectés à ces boucles. Si le circuit n'est pas fermé et que l'écart entre ses extrémités est faible, la tension induite dans le circuit, atteignant plusieurs dizaines de kilovolts, peut le traverser. Un exemple est un canal d'onde gamma adapté entièrement métallique monté sur un mât bien mis à la terre et alimenté par un câble s'étendant du mât à un angle. Dans la salle de la station radio, le câble est connecté à un émetteur-récepteur qui n'a pas de mise à la terre supplémentaire. À première vue, il semble que ce ne soit pas nécessaire - le mât est mis à la terre de manière fiable, l'antenne est entièrement métallique, une bonne mise à la terre est assurée par la gaine du câble. Mais ... avec un coup de foudre proche dans un circuit ouvert "terre-mât-câble-émetteur-récepteur", une tension est induite, qui cherchera une prise dans la section du disjoncteur - entre l'émetteur-récepteur et la "terre" la plus proche . En conséquence, soit un défaut à la terre se produira via le réseau d'alimentation 220 V, soit un arc se produira à la "terre" la plus proche (par exemple, des tuyaux de chauffage). Il est clair que ni l'une ni l'autre option ne promet quoi que ce soit de bon pour l'émetteur-récepteur. 3. Enfin, le cas le plus rare, mais aussi le plus grave, est un coup de foudre direct sur l'antenne ou le mât du paratonnerre sur lequel l'antenne est installée. Commençons par le fait qu'il doit y avoir un paratonnerre (c'est-à-dire un chemin pour le courant de foudre vers le sol). En son absence, des centaines de milliers d'ampères de courant de décharge s'écouleront vers la terre selon un chemin qui leur semble le plus court. Et si votre câble de dérivation et votre équipement se rencontrent sur ce chemin, il en restera peu. Prenons deux exemples. Premier exemple. Le paratonnerre est constitué d'une structure séparée et est relié par un fil épais à la terre commune de la maison, l'antenne est située beaucoup plus bas que le paratonnerre. Voyons ce qui se passe lorsque la foudre frappe. Disons que la résistance de mise à la terre du paratonnerre est de 2 ohms (c'est une très bonne mise à la terre). En cas de coup de foudre avec un courant de crête de 200 400 ampères (valeur moyenne), un potentiel d'environ 400 kV apparaîtra sur le bus de terre et sur tous les appareils qui y sont connectés (y compris le fil neutre du réseau). Évidemment, à un point éloigné de la maison, le potentiel de terre restera nul et tous les XNUMX kV seront appliqués au fil neutre du réseau, faisant sauter les fusibles. C'est la plus petite perte lors d'un coup de foudre direct. Deuxième exemple. Sur un mât autoportant et bien mis à la terre avec une résistance de terre de 2 ohms, il y a un canal d'onde entièrement métallique. Le câble de dérivation court le long du mât puis sur le sol jusqu'à la station radio. La pièce a sa propre mise à la terre de haute qualité. Lors d'un coup de foudre avec un courant de crête de 200 400 ampères, le potentiel de terre à la base du mât sera de 100 kV et diminuera en s'éloignant du mât, formant ce que l'on appelle "l'entonnoir de tension". Le potentiel du sol autour du bâtiment sera moindre qu'à la base du mât. Disons qu'il devient 100 kV. Et ces 400 kV feront la même chose que décrit dans le premier exemple, mais la question ne se limitera pas à cela. Le potentiel de la tresse du câble d'antenne sera de 100 kV et le potentiel de terre dans la salle de la station radio ne sera que de 300 kV. Une différence de 300 kV est appliquée au câble. Sa tresse, du fait de sa faible section, ne pourra pas faire passer un courant d'égalisation important, et le câble grillera. Ce sera de la chance si tout se limite à cela, sinon, l'émetteur-récepteur sera également endommagé. Même si le câble (comme il se doit lors d'un orage) est complètement déconnecté, mais se trouve pas très loin des objets mis à la terre dans la pièce, ces XNUMX kV sont capables de percer plusieurs dizaines de centimètres d'air avec une décharge d'arc. C'est pourquoi tous les câbles provenant de l'antenne doivent être complètement déconnectés lors d'un orage et retirés suffisamment loin. Il convient de garder à l'esprit que la zone de protection du paratonnerre (dans laquelle vous ne pouvez pas avoir peur d'un coup de foudre direct) est un cône avec un sommet à l'extrémité du paratonnerre et un rayon près du sol d'environ 3 /4 de la hauteur du paratonnerre. Comment empêcher la destruction ? Il devrait être clair que les trois raisons décrites dans la section précédente sont également probables. Le potentiel statique est quelque chose que tout le monde rencontrera plusieurs fois. Et pas seulement pendant les orages. Les courants induits d'un coup de foudre à proximité devront également être ressentis par presque tout le monde en moyenne une fois toutes les quelques années. Peut-être que le destin vous sauvera d'un coup de foudre direct, mais il vaut mieux ne pas compter sur le hasard, mais penser à l'avance à une telle possibilité. Ce sera moins cher ! Ainsi, il est préférable de commencer la lutte contre le potentiel statique dès la conception de l'antenne. Il est presque toujours possible de choisir une conception complètement fermée à la terre par courant continu - dipôles en boucle sur une traverse mise à la terre, boucle GP, antennes avec adaptation gamma et oméga, antenne J, etc. Si l'antenne n'est pas fermée à la terre , puis améliorez sensiblement la situation une (pour une antenne asymétrique) et deux (pour une résistance symétrique) de deux watts de 100 kOhm, connectées entre la feuille d'antenne et le mât mis à la terre (ou tresse de câble coaxial). Ces résistances créent un circuit pour l'élimination de l'électricité statique qui s'accumule lentement et de manière significative, jusqu'à plusieurs dizaines de volts (selon la hauteur et le potentiel du nuage orageux), réduisent les surtensions à l'entrée du récepteur lors des décharges. Mais uniquement pour les décharges dont le trajet est considérablement éloigné de l'antenne. Avec de fortes décharges statiques, il est logique de fixer des parafoudres faits maison aux feuilles d'antenne - boulons M5-M8 fortement affûtés aux extrémités. La pointe des boulons doit s'ajuster de 1 à 1,5 mm (réglable en tournant les boulons) à la plaque de sol. Pour éviter l'apparition de courants induits, les jeux de barres de terre réalisés sous la forme d'un anneau doivent être évités, tous les appareils doivent être connectés en étoile à une masse commune. Analysez soigneusement votre économie de fil pour la présence de circuits fermés avec une grande surface et éliminez-les. Le danger ici n'est pas tant pour le circuit fermé lui-même, mais pour les appareils qui y sont connectés. Des tensions très importantes sont induites dans les antennes à boucle, pour la suppression desquelles des éclateurs doivent être installés au point d'alimentation, avec le plus petit écart possible (1 ... 2 mm) - la résistance ne suffit pas ici. Si possible, il est préférable de poser le câble de réduction d'antenne dans un tuyau métallique ou de l'enterrer dans le sol. Pour se protéger contre un coup de foudre direct, deux tâches différentes doivent être résolues. La première consiste à fabriquer un paratonnerre de haute qualité avec une bonne mise à la terre. Le paratonnerre lui-même et son fil de terre doivent être constitués d'un matériau d'une section d'au moins 50 mm2 et ne pas présenter de coudes prononcés. Cela augmente l'inductance, et pour une impulsion aussi courte et élevée que la foudre, même une petite quantité d'inductance présentera une résistance accrue. Une tension extrêmement importante sera libérée sur une réactance inductive de l'ordre de quelques ohms à des courants mesurés en milliers d'ampères. Le deuxième problème se pose car, en pratique, un rare radioamateur ne sera pas tenté d'utiliser un mât de paratonnerre pour placer ses antennes (en fait, quand y aura-t-il des éclairs, et ici le mât haut est au ralenti !). Et cette tâche consiste à s'assurer que le courant de décharge de foudre passe principalement par le mât mis à la terre et au minimum par le câble alimentant l'antenne à l'équipement, c'est-à-dire qu'il est nécessaire d'ouvrir un chemin pour le courant de foudre vers le sol avec beaucoup moins de résistance que par le cable. Pour cela, il est hautement souhaitable que le sommet du mât soit 1 ... 1,5 mètre plus haut que l'antenne. Le mât peut être prolongé avec un morceau de tuyau métallique ou une tige épaisse (fil), qui détournera la majeure partie de l'électricité atmosphérique directement vers le mât avec sa mise à la terre obligatoire de la protection contre la foudre. L'antenne elle-même doit être correctement mise à la terre sur le mât. Si cela ne peut pas être fait en raison de ses caractéristiques de conception, des éclateurs doivent être installés. À partir du câble d'alimentation de l'antenne, faites quelques tours juste en dessous du point d'alimentation de l'antenne. La partie du courant qui va encore "voler" dans le câble rencontrera la résistance inductive de la self coaxiale, qui est considérable pour une impulsion courte, et créera une chute de tension à ses bornes. Cette tension traversera l'espace des parafoudres, l'arc résultant créera un chemin de fuite pour le courant vers la terre à travers le mât avec moins d'obstruction qu'à travers le câble. La mise à la terre du mât doit être reliée par un fil séparé de grande section (au moins 50 mm2) à la terre de la maison afin d'égaliser les potentiels de terre en cas de coup de foudre. Toutes les mesures ci-dessus n'éliminent pas complètement les surtensions sur les équipements, mais permettent de les réduire à des valeurs acceptables et non destructives. Néanmoins, il est souhaitable de prendre des mesures de protection supplémentaires dans l'équipement lui-même - il est souhaitable d'installer une résistance d'une valeur nominale de 100 ... 200 kOhm à l'entrée du récepteur. Sur le connecteur de connexion de l'antenne, il y a un éclateur avec une tension d'allumage minimale (si seulement il ne fonctionne pas à partir du signal de son propre émetteur). En présence d'un SU ou d'un LPF, réalisé selon le schéma P-loop, ce rôle est assuré avec succès par le KPI de sortie avec un entrefer (minimum possible !). Les SU en forme de T, se tenant à la sortie de la plupart des émetteurs-récepteurs industriels dans cette situation, ne conviennent pas - l'étincelle de décharge "vole" à travers eux, jusqu'à la sortie de l'émetteur. Dans les circuits de fils (câbles) de commande des boîtes de vitesses et des interrupteurs provenant de l'antenne, il est nécessaire d'installer des varistances, ou mieux, des parafoudres. Et, enfin, il ne faut pas oublier qu'à l'approche d'un orage, il est nécessaire de déconnecter complètement tous les câbles d'antenne de l'équipement, et ce dernier du réseau ! Auteur : I. Goncharenko
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