EL ABC DE LAS ANTENAS

 

6. Las tomas de tierra

Por Luis A. del Molino EA3OG (Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.)

 

La seguridad es muy importante

En toda estación de radioaficionado es indispensable tomar todas las medidas de seguridad necesarias para evitar descargas eléctricas al manejar nuestros equipos, cuando se Ha producido por avería una fuga interior en cualquier dispositivo. Sería desastroso que al manejar nuestros equipos sufriéramos descargas que pusieran en peligro nuestra integridad física (Figura 1). La protección eléctrica contra descargas es primordial.

Figura 1

El elemento fundamental de la instalación eléctrica que nos protege de posibles descargas mortales es el Interruptor Diferencial (ID) (Llamado también Dispositivo Diferencial Residual o DDR), un dispositivo que se encarga de proteger a las personas de una descarga a través de su cuerpo, detectando que parte de la corriente no retorna por el otro cable de la instalación. Si la corriente de ida no es igual a la de vuelta, es que ha habido una fuga (Figura 2).

Figura 2

Consta de un relé interruptor que se dispara y corta la corriente si hay una diferencia entre la corriente de ida y la devuelta, porque I1 ≠ I2. También disponen de un pulsador con una resistencia que simula una fuga para comprobar su funcionamiento.

Es decir, un ID en cuanto detecta que hay una diferencia entre la corriente de ida y de vuelta superior a 30 mA en la instalación, desconecta inmediatamente la corriente pues ha detectado que parte de la corriente suministrada retorna por un circuito no previsto, lo que constituye una fuga incorrecta en el circuito cerrado que debe formar todo elemento conectado a la red eléctrica.

Hoy en día no se concibe mi autoriza ninguna instalación sin que esté presente un ID diferencial, por lo que, si no estuviera instalado, sería imperdonable no colocarlo intercalado en la instalación, además de los indispensables fusibles electromecánicos o limitadores del consumo que son obligatorios para prevenir cortocircuitos que pudieran causar incendios en la instalación.

 

Más requisitos para nuestra instalación

La principal es que todos los dispositivos de nuestra estación sean equipotenciales a la corriente eléctrica, es decir, que sus chasis metálicos tengan todos el mismo potencial eléctrico, tanto de corriente continua como de corriente alterna de 50 Hz. Es importante que ese potencial común sea el de la toma de tierra eléctrica del edificio, obligatoria en todas las instalaciones modernas.

Al conectar todos los equipos entre sí, evitamos sufrir una descarga desagradable al manipular dos dispositivos distintos, como por ejemplo al conectar y desconectar los latiguillos de coaxial con que los unimos para canalizar la RF hasta la antena.

En las instalaciones modernas, no es necesario tomar precauciones especiales al respecto al conectar los equipos entre sí, porque, al ser obligatorio el tercer cable en los cables de conexión a la red (cable amarillo/verde), y siendo obligatorio en todos los enchufes, todos se conectan automáticamente al cable de toma de tierra de la instalación eléctrica del QTH. Así que normalmente no es necesario instalar una conexión de masa común adicional.

 

Si no hay tercer hilo en los enchufes

Si la instalación es muy antigua, entonces y sólo en este caso, tenemos que proporcionar nosotros la misma tensión de referencia a todos los chasis, de todos los dispositivos. La solución más obvia es conectarlos todos a una masa común que se llevará luego a una tierra externa a la estación (Figura 3).

Pero esta solución tan simple presenta muchos problemas de RF para los radioaficionados y debe mejorarse modificándola de otra forma que veremos más adelante.

Figura 3

Problemas de la RF con las tomas de masa comunes

El problema que se presenta con la toma de masa común se debe a que muchas antenas comerciales y caseras no equipan un balun que evite corrientes de RF por el exterior de la malla del coaxial. Este problema se presenta en antenas como la G5RV, que la venden sin balun, así como muchos dipolos multibanda con trampas o con radiantes múltiples que también se venden con un soporte central sin balun. y muchas verticales con radiales incorporados, que son en realidad dipolos verticales, pero que también se comercializan sin balun (figura 4).

Figura 4

Si existe una corriente de RF que circula independientes por la malla del cable coaxial, cuando la desviamos mediante la toma de tierra común, aparecen dos problemas adicionales:

En transmisión: La RF que circula por la toma de tierra se está radiando en el interior de la estación, produciendo todo tipo de problemas asociados. Lóbulos de radiación de la antena alterados, radiofrecuencia en el micro en alguna banda, problemas en las conexiones USB con programas digitales que cuelgan la conexión, etcétera.

En recepción: La toma de tierra común ahora forma parte de nuestra antena receptora de forma que estamos recibiendo muy fuertes todas las señales parásitas generadas dentro de nuestra estación, como por ejemplo la RF generada por un alimentador conmutado del teléfono fijo, un cargador conmutado de móvil o tableta, la pantalla de un ordenador, etcétera.

Sí, ahora estamos bien protegidos eléctricamente de las descargas eléctricas accidentales, pero hemos creado muchísimos problemas con la RF en el interior de nuestra estación.

Una comprobación de que tenemos un problema de RF, se puede obtener añadiendo un latiguillo de un par de metros de cable coaxial a la bajada de antena. Si la ROE varía, hay un problema de RF por el exterior del cable. Si por casualidad disponemos de dos medidores de Rf (uno en el equipo y otro exterior, si la lectura de ROE difiere en los dos instrumentos, también tenemos RF circulante.

 

No existe equipotencialidad en RF

En RF, no podemos nunca decir que haya el mismo potencial de RF entre dos puntos de un cable separados por una cierta distancia de decenas de centímetros e incluso de algún metro, pues la tensión de RF cambia con la distancia, al propagarse a lo largo de un cable.

Es falso que conectando todos los dispositivos de una estación a una toma de tierra común estén todos al mismo potencial de RF, porque como se observa en la figura 5. Si hay una distancia de 2,5 metros entre un lineal y la toma de tierra, si por ejemplo en la tierra hubiera una tensión de RF nula, a 2,5 metros (¼ de onda en 10 metros) en 28 MHz ahora habrá precisamente una tensión de RF máxima en el amplificador lineal y es muy probable que tengamos problemas de RF en nuestra instalación cuando operemos en esta banda (figura 5), si no tomamos otras precauciones. A continuación veremos las precauciones que debemos tomar.

Figura 5

Tomas de masa comunes sin RF

Debemos evitar por todos los medios posibles que circule RF por una toma de tierra común, si nos hemos visto obligados a instalarla por ausencia de cable amarillo/verde de protección eléctrica común en la instalación.

La solución adecuada para impedir su circulación es colocar anillos de ferrita que impidan cualquier circulación de RF por la toma de tierra común en la instalación (Figura 6). No parece difícil, ¿verdad? Lo difícil será saber cuántos anillos de ferrita serán necesarios para actuar como choque suficiente para impedir el paso de la RF, pero se puede aumentar su eficacia como choque enrollando el cable en varias espiras que pasan varias veces por dentro del anillo de ferrita, todas las que quepan.

Figura 6

Si teníamos RF en el micrófono o en la estación, es mejor no intentar solucionarlo con una toma de tierra común que pueda ocasionar problemas en alguna banda porque la bajada coaxial resulta resonante en cuarto de onda, sino que lo que procede es impedir que la RF circule por el exterior del cable coaxial mediante el uso de un balun equilibrador o un un-un de ferritas que impida su paso actuando como un choque.

 

¿Son imprescindibles las tomas de tierra a pie de antena?

Las tomas de tierra son necesarias en muchos casos que no son demasiado frecuentes, dado que en Europa la población es ya en un 60% urbanita. Pero nos quedan algunas:

- Casas aisladas con terreno alrededor en la que puede haber descargas de rayos..
- Otros lugares elevados propensos a descargas de rayos con historial de impactos anteriores.
- Lugares muy secos con posible acumulación de estática.

Realmente no es imprescindible ni aconsejable complicarse la vida colocando tierras problemáticas y lejanas en casas situadas en el interior de pueblos y ciudades rodeados de edificios con antenas y pararrayos por todas partes, y en lugares muy húmedos muy cerca del mar donde no se acumula estática prácticamente jamás, pero el autor del artículo no se hace responsable de que los rayos no respeten esta opinión.

 

Cuándo no sirven de nada

En edificios de apartamentos rodeados por otros edificios y en los que hay instalados pararrayos a activos de puntas agudas, en los que hay más probabilidades de que caiga el rayo. Es estos casos, es mejor conformarse con la toma de tierra de protección eléctrica interior de la casa, a menos que nuestra antena s e encuentre en el edificio singular más alto del vecindario y aislado, es decir, sea un edificio en que es muy posible la caída de un rayo.

Otra cuestión es que nos obliguen las normativas locales, aplicando normas cuya eficacia preventiva no se ha demostrado y que más bien se vuelven peligrosas para los que se ven obligados a instalarlas.

Modernamente ya existen pararrayos pasivos contra la caída de rayos que son capaces de evitar por completo la caída de rayo en las superficies protegidas por ellos, aunque su importe es bastante elevado.

 

Tomas de tierras siempre en el exterior

Todas las tomas de tierra adicionales deben ser realizadas en el exterior de la estación, especialmente la que pone a tierra el soporte de la antena si es una torreta o el mástil de soporte de la antena si consideramos que es necesaria.

Disponemos de varias configuraciones para realizar las tomas de Tierra:

Figura 7, 8 y 9

Una sola piqueta de cobre de 2,5 metros no basta para conseguir una resistencia de tierra suficientemente baja, pues se considera que en terrenos normales sedimentarios tiene como mínimo 60 ohmios de resistencia a tierra por piqueta de 2,5 metros. Por tanto, es necesario colocar por lo menos 4 piquetas bien separadas para intentar bajar la resistencia a un valor inferior a 15 ohmios, pero eso solo se consigue separándolas todas a distancias superiores a 1 metro y medio , porque si la distancia entre ellas es inferior, la resistencia a tierra no disminuye lo suficiente.

 

Antena vertical con tierra natural

En una antena vertical con tierra natural hay que tener en cuenta que la resistencia de la toma de tierra se convierte en resistencia de pérdidas en serie con la resistencia de radiación de la antena, tal como se observa en la figura 10.

Figura 10

El rendimiento del sistema equivale se obtiene por la relación Rr/(Rr+Rp), de forma que cuanto mayor es la resistencia de pérdidas, peor es el rendimiento de la vertical.

 

Tierras para verticales

El mejor artículo que conozco que se haya publicado sobre tipos de radiales para verticales de HF apareció en el QST de Marzo de 2010 An experimental look at ground systems for HF Verticals por Rudy Severns, N6LF, quien se dedicó a experimentar con medidas, número de radiales y su longitud, consiguiendo unas conclusiones sorprendentes, que se hace imposiblel resumir todas aquí. Yo os recomendaría que buscarais ese artículo en la web de la ARRL, o que pidierais que os lo descargara algún miembro de la ARRL o me lo pidáis a mí directamente.

 

Operación en portable

Generalmente no se dispone de tiempo ni ganas de ponerse a realizar una toma de tierra con la suficiente gran conductividad (baja resistencia), de forma que se recomienda utilizar antenas que no necesiten una toma de tierra, sino siempre las que sean dipolos, o Vs invertidas, o que dispongan de contraantena, o sean alimentadas por un extremo (EndFed).

 

Mejor el mar que la montaña

Los lugares más adecuados para la operación en portable en HF no son, como pudiera parecer, las zonas más altas de las montañas, pues acostumbran a ser de rocas graníticas con mala conductividad, sino en las cercanías del mar o de corrientes de agua en lugares que haya capas sedimentarias con buenas capas freáticas subterráneas que sí son buenas conductoras, de modo que proporcionaran una buena reflexión a las ondas electromagnéticas.

 

Descargadores de gas

Tal vez os hayáis fijado en que todos los conmutadores de antena para cables coaxiales ponen a masa todas las antenas no seleccionadas, para evitar alguna descarga inoportuna de estática que podría saltar incluso al no estar conectada directamente al receptor si las dejamos flotantes. Esa es una precaución muy aconsejable para evitar acumulación de estática o que cualquier descarga en otra antena salte la desconexión y dañe la entrada de nuestro receptor, a pesar de que no esté directamente conectada a esa antena.

Una precaución muy aconsejable consiste en colocar intercalados en las bajadas de cable coaxial descargadores de gas conectados a un cable de tierra exterior, los que evitarán que posibles descargas de estática o que pequeñas descargas colaterales de rayos afecten directamente a nuestros equipos (Figura 11). Hay modelos para un máximo de 400 W y otros para 1500 W.

Figura 11

Solo se disparan cuando la tensión es superior a un umbral muy superior a la tensión de RF de diseño. Deben colocarse adecuados a la potencia que solemos operar y hay que tener en cuenta que la tensión de RF puede llegar a doblarse por una ROE elevada.

El lugar perfecto para su colocación es justo antes de entrar en nuestro QTH o al pie de la torreta por donde descienden los coaxiales.

 

Defensa contra los rayos

No hay defensa posible contra la descarga directa de un rayo en nuestra antena, pues por muchas precauciones que tomemos con tomas de tierra, las sobretensiones que se producen afectarán a todos nuestros equipos y es muy probable que se produzca la destrucción total de nuestra estación (Figura 12).

Figura 12

Sin embargo, es posible y conveniente defenderse de la caída de una chispa menor colateral, tomando las máximas precauciones posibles, por lo que, de todos modos, si nos encontramos en un lugar con descargas probables, se recomienda prevenir el impacto utilizando todas las defensas pasivas posibles. Entre ellas las más importantes son redondear en lo posible las puntas de las antenas y desconectar los cables coaxiales de los equipos.

 

Redondear las puntas en las antenas

Por una parte, la mejor defensa pasiva consiste en eliminar en todo lo posible las puntas agudas en nuestras antenas. Las puntas agudas alcanzan un potencial superior de carga y pueden llegar a desprender electrones o cargas positivas en presencia de nubes cargadas eléctricamente. Cuando la punta o extremo es muy agudo (el radio de la esfericidad de su punta es muy pequeño), las cargas que desprenden pueden llegan a ionizar el aire y pueden convertirse en trazadores precursores que favorecen el camino de la descarga del rayo.

El efecto de las puntas hace que el potencial estático aumente inversamente proporcional al cuadrado del radio de la punta, de forma que la solución es redondear al máximo todas las puntas de los elementos mediante la utilización de tapones de plástico de gran radio. No debemos olvidar cubrir de algún modo el extremo del tubo de soporte más elevado que generalmente es el eje de giro del rotor, utilizando algún tipo de sombrero plano (Figura 13). Lo importante es eliminar las puntas agudas al mínimo posible.

Figura 13

Desconectar los coaxiales

La siguiente defensa pasiva consiste en desconectar todas las bajadas de antena de nuestra estación ante cualquier anuncio de tormentas con fuertes descargas eléctricas, e incluso podemos llegar a colocar los extremos de los cables coaxiales con sus conectores dentro de botellas de vidrio, para evitar que la descarga directa de un rayo o de una chispa colateral pueda llegar a saltar del conector hasta nuestros equipos situados en las proximidades.

Claro que me temo que los conectores coaxiales PLs y Ns actuales no pasan bien por los cuellos de las botellas, por lo que habrá que buscarlas de más capacidad, como por ejemplo las garrafas de 5 litros con cuellos más amplios. Esta es una precaución que he leído que toman muchos americanos del centro-sur de EE.UU. muy propensos a sufrir tormentas eléctricas impresionantes, acompañados de tornados.

 

Conclusión

En resumen: cuidado con las tomas de masa comunes que transporten RF a tierra porque es peor el remedio que la enfermedad. Cuidado con los rayos, pero evaluemos si nos encontramos en zona de peligro y pongamos en práctica todas las precauciones posibles, especialmente las pasivas, pero no las imposibles si no es imprescindible.

Y os deseo buena suerte, porque afortunadamente la descarga directa de un rayo es un fenómeno que toca tan poco como la lotería, si no compramos muchos números. Aquí no hay problemas de blanqueo de dinero negro para que nos toque muchas veces.

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