Как сделать землю в радиоприемнике

Записки программиста

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):

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:

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 винтов, 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:

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.

Вы можете прислать свой комментарий мне на почту, или воспользоваться комментариями в Telegram-группе.

Как сделать заземление на радио?

В ссылке — достаточно объемная статья по практике обустройства заземления для разных условий.

Ну и если есть желание, можно пообщаться на форумах радиолюбителей, они более часто имеет дело с этой проблемой, могут подсказать — разделы по антенной технике, самое то:

Устройство «Искусственная земля»

Устройство «Искусственная Земля» (Artificial Ground) применяется радиолюбителями-коротковолновиками на своих радиостанциях и является высокочастотным заземлением ( не путать с обычным заземлением на заземляющий контур)

С его помощью устраняется высокочастотный потенциал на корпусе трансивера или усилителя мощности при работе на передачу.

Как пишется в умных статьях, цитирую-« С его помощью устраняют реактивную составляющую на участке между шасси радиостанции и реальной землей, искусственно приближая «Землю» непосредственно к корпусу радиостанции.» А если говорить простым языком, то с помощью устройства «Искусственная земля» устраняют полностью или в значительной мере помехи от радиопередающих устройств на бытовую технику-телевизоры, телефоны, активные акустические системы и прочее.

Помехи эти возникают при не очень хорошем согласовании антенн, или в случае применения недостаточно хорошо настроенной и отлаженной самодельной радиопередающей аппаратуры.

Но, случаи бывают разные…

Изредка я тоже выхожу в эфир. Использую при этом фабричный трансивер. Антенны у меня настроены в резонанс и согласованы. Кроме того, мой трансивер имеет встроенный автоматический антенный тюнер, который обеспечивает оптимальные условия для работы выходного каскада, и тем самым, устраняет вероятность появления помех на бытовую аппаратуру.

В сущности , так у меня и есть, за одним исключением-есть помехи на FM радиоприемник. Непонятно, откуда они взялись, но, что-то с этим делать надо… Поэтому пришлось изготовить устройство «Искусственная земля».

За основу взята схема аналогичного устройства, выпускаемого фирмой MFJ Enterprises:

После ряда манипуляций и испытаний эта схема претерпела небольшие изменения-для повышения чувствительности была переделена схема измерителя ВЧ тока-вместо одного диода был применен мостик из 4-х диодов. Финальный вариант выглядит так:

Устройство «Искусственная земля» собрано в корпусе от компьютерного блока питания. К клемме Х1, которая подсоединена к корпусу, подключается корпус трансивера или усилителя мощности. К клемме Х2, которая изолирована от корпуса, подключается или внешнее заземление, или противовес.

В случае применения противовеса, он должен иметь длину около четверти длины волны того диапазона, на котором наблюдаются помехи на бытовую технику.

Элементы L1С1 служат для настройки устройства. Трансформатор Т1-трансформатор тока и работает в схеме измерителя ВЧ тока. ВЧ ток, протекающий по цепи клемма Х1, индуктивность L1, емкость С1, первичная обмотка трансформатора Т1, клемма Х2, наводит во вторичной обмотке трансформатора Т1 высокочастотное напряжение, которое после выпрямления диодным мостиком, индицируется на измерительном приборе. Переменный резистор R2-регулировка чувствительности измерителя.

Детали.

В качестве конденсатора переменной емкости применен обычный конденсатор с воздушным диэлектриком от ламповых радиоприемников, имеющий две секции с пределами изменения емкости 12…495 пФ.

Катушка индуктивности L1 в моем случае намотана на кольце из феррита 600НН и диаметром 40 мм, и содержит 12 витков провода диаметром 0,5 мм с отводами от каждого витка. Индуктивность получилась что-то около 50 мкГн.

Трансформатор Т1 измерителя тока намотан на ферритовом кольце К12 проницаемостью 50…600 (не критично) и содержит 40 витков провода диаметром 0, 2 мм во вторичной обмотке. Первичная обмотка содержит два витка провода диаметром 0,5 мм.

Вид собранного устройства «Искусственная земля» сверху:

Плата измерителя ВЧ тока расположена на задней панели:

Органы управления на передней панели:

Важный момент-такое устройство обязательно должно иметь ножки из изоляционного материала.

Как пользоваться устройством.

Ставим конденсатор переменной емкости С1 в положение максимальной емкости. Включаем трансивер (передатчик) на передачу. Подаем или несущую, или тональный сигнал.

Переключением индуктивности L1 находим такое положение, при котором показания измерителя максимальны. После этого подстройкой КПЕ С1 находим максимум показаний. Это и будет положение, при котором ВЧ тока на корпусе трансивер (передатчика или УМ) минимален. Соответственно-и помехи будут или устранены, или сведены к минимуму.

Разумеется, на каждом диапазоне это устройство нужно будет подстраивать.

Сразу отмечу, что в моем случае помехи на FM радиоприемник при передаче наблюдаются на диапазоне 7 МГц. И полностью их устранить не удалось.

Это не в последнюю очередь зависит и от качества и схемотехники FM приемника-дешевые китайские приемники от помех не спасет ничто и никто))

Как сделать землю в радиоприемнике

Важную роль на радиостанции играет заземление. В радиопередающих устройствах желательно использовать также и высокочастотное заземление. Предлагаемое устройство «Искусственная Земля» (Artificial Ground), является эффективным ВЧ заземлением. С его помощью устраняют реактивную составляющую на участке между шасси радиостанции и реальной землей, искусственно приближая «Землю» непосредственно к корпусу радиостанции.

«Общую точку» — шасси Антенного Тюнера соединяют согласно схеме (рис.1) с корпусом РА, трансивера, электронного ключа и т.д. Провод применяют в изоляции диаметром 2. 3 мм, медный, одножильный или многожильный. Можно применить оплетку с толстого коаксиального кабеля диаметром 10-12мм продетого в кембрик.

Если в составе радиостанции нет Антенного Тюнера, то общей точкой соединения блоков будет PA, т.е. Усилитель Мощности, но не трансивер. В качестве заземления желательно не использовать батарею центрального отопления. В худшем случае можно использовать кран (трубу) холодной воды, в лучшем — заземленный контур здания.

Устройство Искуственная Земля изготавливается в небольшом экранированном корпусе с диэлектрическими ножками. Необходимо, чтобы контакт с другими устройствами по шасси был только посредством соединения ”Общая Точка” Антенного Тюнера – Разъем Х1 Устройства Искуственная Земля.

L1 — обычный токовый трансформатор. В моем случае, это 1 виток провода диаметром 1,6 мм на столбике из сложенных вместе 2-х –3-х ферритовых колец с проницаемостью 50. 400. Диаметр кольца некритичен. Через кольцо продевается провод, соединяющий вход устройства X1 и L2.

L2 — переменная индуктивность от р/станции «РСБ-5», «Микрон» и т.д.

С2 — от лампового вещательного приемника.

R1 — выводится на переднюю панель, определяет чувствительность схемы измерения.

X1 — соединен с корпусом Устройства Искуственная Земля и соединяется с корпусом Антенного Тюнера (Общая точка), при его отсутствии с PA.

Х2 — разъем ВЧ типа.

”Oбщую точку” – корпус Антенного Тюнера соединяют толстым медным проводом с обычным заземлением, например с контуром здания, тем самым выполняют соединение по постоянной составляющей — это общее требование для электрооборудования.

Х2 – Выход Устройства Искусственная Земля соединяют также с «Землей», но уже в другом месте, например с краном холодной воды или подключают противовес длиной 1/4 длины волны для конкретного диапазона. Эта часть схемы работает как ВЧ Заземление.

Вначале настраивают Антенный Тюнер по минимум КСВ по его входу, обеспечивая необходимую нагрузку для передатчика. Затем настраивают Устройство Искуственная Земля по МАКСИМУМ показаний прибора М изменяя значения переменной индуктивности L2 и переменного конденсатора С2.

Использование ВЧ заземления способствует повышению эффективности радиостанции в плане устранения таких видов помех, как TVI, помех телефонным аппаратам и звукозаписывающей аппаратуре.