Заземление любительской радиостанции

20 апреля 2020

В рамках поста Защита трансивера от статического электричества несколько раз упоминалось заземление, но не было сказано, как его сделать. Настало время устранить этот пробел. Сразу должен сказать, что бывают разные виды заземления и к ним предъявляются разные требования. Все их не представляется возможным рассмотреть в рамках одной статьи. Это сложная тема, по которой пишут целые книги.

Важно! Электричество — очень опасная штука. Знайте, что неосторожное обращение с ним может привести к вашей смерти. Если сомневаетесь, лучше попросить помощи у профессионального электрика.

Теория: что такое «земля» и «заземление»?

Когда говорят «заземление», многие представляют себе вбитую в почву медную трубу длиной 2.5 метра. Предполагается, что заземление может принять в себя сколько угодно электронов. Также считается, что относительно «земли» можно измерять напряжение всего остального. На практике, к сожалению, все намного сложнее. Две медные трубы, вбитые на расстоянии в несколько метров, имеют далеко не нулевую разность потенциалов. Способность земли принимать в себя электроны завист как минимум от самой почвы, погодных условий и частоты тока. Плюс к этому есть множество других нюансов. Забивать медные трубы в рамках этой статьи мы не будем.

На самом деле, в разных контекстах под заземлением понимают разные вещи:

  • В контексте переменного тока, который 220 В в розетке (AC grounding). Фаза, если она по какой-либо причине попадет на корпус устройства, представляет смертельную опасность для человека. Заземление корпуса необходимо для правильного срабатывания УЗО в этом случае. Данный вопрос более подробно рассмотрен ниже;
  • Заземление, как место, куда может стекать статический заряд, накапливаемый антенной. Сообразительный радиолюбитель обязательно заземляет свое оборудование по причинам, описанным в первом пункте. Антенна должна иметь такой же потенциал, как и это оборудование. В противном случае антенна может разрядиться статикой в трансивер, что скорее всего привете к выходу последнего из строя;
  • ВЧ заземление. Трансивер (а также блок питания и т.п.) находится недалеко от антенны, а его корпус сделан из металла. Поэтому корпус работает, как приемная антенна, пусть и не очень хорошая. В любой антенне текут ВЧ токи. В зависимости от их амплитуды и распределения может сложится ситуация, когда корпус трансивера или тангента «кусаются». Задача ВЧ заземления — отвести эти токи от пользователя. Это не такая уж простая задача, поскольку само заземление тоже является антенной. К тому же, на частотах в десятки мегагерц начинает играть большую роль паразитная индуктивность проводов;
  • Заземление в контексте грозозащиты. При ударе молнии в относительной близости от антенны (включая ее мачту, металлические оттяжки и т.п.) в ней возникают огромные токи. Задача заземления — чтобы эти токи ушли в землю, а не в шек. Таким заземлением обычно занимаются «big guns». Для казуального радиолюбителя с проволочной антенной цена грозозащиты во много раз превосходит цену самой антенны. Если отсоединить коаксиальный кабель от трансивера снаружи здания и оставить его лежать на земле в паре метров от любых металлических предметов, это обеспечит адекватную защиту;

Добавьте сюда еще пару пунктов, таких, как «земля» в смысле точка, относительно которой измеряется напряжение в цепи, «земля» в контексте моделирования антенн, и вы получите общее представление о путанице, связанной с этим словом. Плюс к этому есть связанное понятие уравнение электрических потенциалов (bonding). Оно нужно для правильной реализации перечисленных выше заземлений, а также уменьшает выравнивающий ток. Последний может проявляться, например, как низкочастный гул в наушниках.

Если вы хотите серьезно ознакомиться с вопросом, рекомендую книгу Grounding and Bonding for the Radio Amateur. В рамках этого поста далее речь пойдет исключительно о первых двух пунктах из приведенного списка. Отмечу, что использованные мной иллюстрации позаимствованны из названной книги.

Теория: фаза, ноль и земля

В старых российских розетках есть два контакта — фаза и ноль. Все просто, на фазе у нас 220 В переменки с частотой 50 Гц относительно нуля. Заметьте, что это RMS напряжение. Амплитуда составляет 310 В, а размах — около 620 В.

Но в современных новых розетках (так называемые евророзетки) есть третий контакт, называемый землей. Земля должна быть соединена с корпусом устройства, если он металлический. Это необходимо из соображений безопасности. При определенных условиях фаза может попасть на корпус. Из-за вибрации какой-то проводочек может отсоединиться или перетереться. Также случается, что оторвался и стал путешествовать по корпусу кусочек припоя. В корпусе может накопиться проводящая пыль, дети могут что-то пролить и побояться сказать об этом, и так далее. Если человек дотронется до корпуса, на котором находится фаза, это с большой вероятностью приведет к его смерти.

Чем помогает заземление корпуса? Для ответа на этот вопрос рассмотрим, как работает устройство защитного отключения, УЗО (также известно под именами выключатель дифференциального тока, ground fault circuit interrupter, GFCI, и рядом других):

Как работает УЗО

В штатном режиме ток течет с фазы на ноль. Магнитные поля, создаваемые этими токами, компенсируют друг друга на трансформаторе и усилитель ничего не регистрирует. Если же фаза попадет на корпус, а корпус заземлен, ток потечет не с фазы на ноль, а с фазы на землю. В этом случае магнитные поля больше не скомпенсированы. УЗО увидит это и разорвет цепь. Как результат, все подключенные к нему устройства будут обесточены до тех пор, пока вы не найдете и не исправите проблему.

Насколько мне известно, в каждом доме есть по крайней мере одно УЗО. Увы, это еще не означает, что в каждом доме правильно разведено заземление. Я живу в старом многоквартирном доме со старыми розетками, и никакого заземления в нем нет. Однако загородный дом построен сравнительно недавно, и в нем есть нормальное заземление. Как проверить заземление? Самый простой способ — это взять мультиметр и измерить переменное напряжение между фазой и землей. Если вы видите 220 В, скорее всего, заземление сделано правильно.

Важно! Категорически запрещается использовать газовые трубы и трубы центральной системы отопления в качестве заземления. Использование газовых труб чревато взрывом бытового газа, а использование системы отопления — поражением электрическим током ваших соседей. Медные трубы с холодной водой в загородных домах также являются плохим решением. Во-первых, подключаться к ним нужно в том месте, где труба уходит в землю. Это означает использование длинного провода, который может стать причиной ВЧ-наводок. Во-вторых, в современных домах медные трубы используются совместно с пластиковыми. Не факт, что такая труба вообще имеет контакт с землей.

Практика

В моем блоке питания Samlex SEC-1235M используется евровилка с тремя контактами и корпус соединен с землей. Значит, от корпуса можно заземлить трансивер, защитный дроссель, и все остальное. К сожалению, на корпусе не нашлось клеммы заземления, поэтому ее пришлось сделать самому:

Клемма заземления на блоке питания

Краска легко снимается с помощью дремеля. Остерегайтесь попадания металлической пыли внутрь устройства! В процессе я заметил, что крышка блока питания не имеет хорошего контакта с остальной частью корпуса. Поэтому я также снял краску в местах крепления крышки. Учитывая, что крепление осуществляется с помощью четырех болтов, думаю, что теперь контакт довольно надежен. На трансивере клемма заземления уже была, поэтому его сверлить не пришлось. На защитном дросселе клемма была добавлена по тому же принципу, что и на блоке питания.

«Grounding and Bonding for the Radio Amateur» предлагает несколько способов соединения корпусов. Рекомендуется следующий:

Соединение корпусов для уравнения электрических потенциалов и заземления

Общая шина представляет собой кусок медной трубы. Остальные устройства крепятся к ней с помощью коротких проводов. Однако прямое соединение корпусов также допустимо. Книга рекомендует соединять шину с заземлением для грозозащиты, если такое имеется. Иначе допускается заземление на AC safety ground. Если и его нет, то соединять корпуса лучше, чем вообще не соединять.

Провод необходимо использовать не тоньше 14 AWG (то есть, с диаметром проводника 1.8 мм). С моим Yaesu FT-891 шла пара проводов 12 AWG (диаметром 2.3 мм) длиной 2.5 метра, предназначенных для питания трансивера. Я укоротил эти провода, потому что мне столько не нужно, и использовал излишки для заземления. Соединительные провода не должны быть длинными. У меня они вышли по 20 см. Также я укоротил кабель питания от SEC-1235M.

Вот и все! Мне понадобилось лишь немного болтов и гаек M6, одна клемма M4 (для трансивера), пара клемм M6 (для блока питания и дросселя), немного термоусадок, ну и повозиться с паяльником, дремелем и шуруповертом. То есть, себестоимость всего этого мероприятия примерно нулевая.

Заключение

Сделать подобное заземление не занимает много времени. Зато однажды оно может спасти ваш трансивер, а может быть и вашу жизнь. При любом раскладе заземление точно не делает хуже.

Как обычно, любые дополнения и указания на неточности приветствуются. Также мне было бы интересно узнать, как вы решаете вопрос с заземлением.

Метки: , .