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 es totalmente 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.

 

Figura 1: Dipolo sin balun y toma de tierra interior

 

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

 

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.

 

Figura 3: Esquema de un IPC o protector diferencial

 

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 estos cables de tierra común eléctrica (Figura 3).

Figura 4: Puesta a tierra común de los equipos.jpg

 

¿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.

 

Figura 5: Dipolo con balun

 

¿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.

 

Figura 6: Balun de tensión

Figura 7: Unun de ferritas

 

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  (de Unbalanced/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.

 

 

Figura 8: Dipolo con balun y con unun en la estación

 

¿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

Figura 10: Vertical GP con balun

¿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.

 

Figura 11: Vertical con tierra natural

Figura 12: Vertical con tierra y balun

 

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?

   

Figura 12: Antena de hilo corto

Figura 13: Antena de hilo largo

 

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.

 

Figura 14: Toma de tierra efectiva con 4 picas

 

73 Luis A. del Molino EA3OG