Ochrana rádioamatérskych zariadení pred prepätím z antén

            Základné zariadenia rádioamatéra sú vysielač, prijímač a anténa. Pripojenie na sieťové rozvody a na antény musí spĺňať slovenské normy. Pri obsluhovanej aj neobsluhovanej prevádzke (Remote) musíme zabezpečiť ovládanie ochrany pred atmosférickým prepätím.

Sieťové rozvody

Pripojenie zariadenia na sieťový rozvod je jednoduché. Bytový sieťový rozvod má fázový vodič, nulový vodič a ochranný vodič. Fázové napätie je 230V, nulovací vodič by mal mať nulové napätie voči zemi a ochranný vodič chráni sieťový rozvod pred napätím na neživom kryte zariadenia. Dnes máme v bytoch dva typy rozvodov, starý dvojvodičový  - TNC, kde je ochrana nulovaním (ochranná svorka zásuvky je prepojená s nulovacou) a nový trojvodičový rozvod - TNS, kde sú nulovací a ochranný vodič oddelené. Cez ochranný vodič prúd netečie (nesmie tiecť).

Hlavne v starších činžiakoch, kde je dvojvodičový TNC rozvod, už nemusí byť napätie nulovacieho vodiča voči uzemneniu rovné nule. V rodinných domoch a na prízemí činžiakov býva napätie blízke nule, ale v činžiakoch na vyšších poschodiach  nameriame na nulovacom vodiči proti dobrému uzemneniu aj 2-3 Volty a skratový striedavý prúd nulák-uzemnenie  aj 10 A. Či máme tento problém sa dá jednoducho vyskúšať. Pripojíme 20A ampérmeter medzi ochranný vodič rozvodu a najbližšiu zem, napríklad radiátor kúrenia. Pokiaľ nám tečie aj malý skratový prúd nesmieme anténu uzemňovať. Pri trojvodičovom rozvode tieto problémy nenastávajú, lebo medzi ochranným vodičom a uzemnením môže tiecť maximálne 30 mA, inak sa vypne prúdová ochrana.

V činžiakoch so starým rozvodom môžeme mať nasledovný problém. Kúpime si FM transceiver na pásmo 144 MHz, na strechu si namontujeme GP anténu, podľa najlepšieho svedomia pripojíme držiak antény na hromozvodnú sieť a po pol hodine počúvania zaujímavej prevádzky na prevádzači zistíme, že transceiver je horúci, hoci ešte nevysielal. Po odpojení antény transceiver ochladne. Pritom odber transceivra zo zdroja je v poriadku, ale medzi kostrou transceivra a opletením napájacieho koaxu tečie vysoký striedavý prúd napr. 10 A. Šikovný amatér si urobí pomocnú škatuľku s dvomi konektormi SO-239, živé vývody prepojí silnejším vodičom a zemné vývody prepojí keramickým kondenzátorom 47n/1kV, prípadne niektoré antény vyžadujú kondenzátor medzi živými aj medzi zemnými vývodmi, ale celkovo to nie je správne riešenie. Problém je v upevnení antény na uzemnený stožiar. Po počiatočnom rozčúlení zistíme, že podľa STN normy sa anténa nesmie pripojiť priamo na hromozvodnú sieť, ale len cez iskrište. V nových činžiakoch s novým rozvodom tento problém nenastáva, ale aj tak uzemnenie antény (opletenia napájacieho koaxu) nesmie byť pripojené na hromozvodnú sieť.

Ochrana pred atmosférickým prepätím

Problém sieťových rozvodov je atmosférické prepätie v búrkovom období, ktoré pôsobí na naše anténne systémy aj na rozvody v bytoch. Obidva priestory musíme ochrániť. Zákon prežitia hovorí, že anténa môže byť pripojená na transceiver len keď nie je v blízkosti búrka. Keď je v blízkosti búrka musí byť anténa odpojená od zariadenia, teda živý prívod aj opletenie koaxu a oba sú pripojené na vonkajšiu hromozvodnú sieť, aby sa prepätie z hromozvodnej siete nedostalo do bytového rozvodu. Aby sme to nezabudli, musí  sa anténa automaticky odpojiť pri vypnutí napájania 230 V pre zariadenie. Obzvlášť nutné je to pri neobsluhovanej prevádzke.

Tu treba vysvetliť, že prepätie je napätie voči zemi na živom vodiči, na opletení koaxu a samozrejme aj medzi živým vodičom a opletením.

Pozn.1: Samotná rádioamatérska anténa musí byť ochránená voči atmosférickému prepätiu. Všetky antény napájané koaxiálnym káblom musia mať medzi živým vodičom a opletením koaxiálneho kábla zapojenú aspoň 100 kA bleskoistku (DGT). Klasická KV-VKV smerovka z duralových trubiek s oddeleným žiaričom od zeme, musí byť pripojená na hromozvodnú sieť a napájací koaxiálny kábel by mal mať blízko antény medzi opletenie  a hromozvodnú sieť pripojenú druhú 100 kA bleskoistku.  Antény, ktoré majú vodivo spojený živý vývod a opletenie, napríklad vertikálna anténa, či HB9CV musia byť uzemnené len cez bleskoistku, či iskrište. Drôtové dipóly a drôtové smerovky napríklad Hexbeam, tiež musia mať medzi opletenie a živý vývod napájacieho koaxiálneho kábla pripojenú bleskoistku a medzi opletenie napájača a hromozvodnú  sieť pripojenú druhú. Pozri obr. 6. Je to takzvaná ochrana v zóne 0.

Snom každého amatéra je mať zariadenie, ktoré pri vypnutí transceivra automaticky odpojí anténu od transceivra a pripojí ju obomi pólmi na hromozvodnú sieť.  Počas búrky sa aj tak nedá vysielať a takto automaticky ochránime transceiver. Takéto zariadenie začali predávať asi pred tromi rokmi v Nemecku, v poslednej dobe ho vyrábajú firmy INRAD, PARADAN RADIO a ďalšie.  

Obr. 1 Odpojovač antény fy Paradan Radio

Obr. 2 Schéma odpojovača fy Paradan Radio

Pre amatérov v rodinnom dome s jednou anténou odporúčam tento jednoduchý odpojovač, prípadne jeho lepšiu verziu na obr. 5, ktorý ochráni transceiver pri vypnutí napájacieho napätia. Na základe popisu a zapojenia INRADU som navrhol podobné zariadenie, lebo originál nespĺňal naše normy. Pozri na obr. 3,4 a 5. Základ zariadenia je „Prepínač antén“, ktorý obsahuje relé RE1 a RE2, pričom relé RE2 prepína signál na jednu z dvoch antén. Keď máme len jednu anténu, relé Re2 vynecháme. Relé RE3 skratuje vo vypnutom stave v Spliteri VF konektor transceivra či PA.

Popis činnosti  Prepínača antén: vo vypnutom stave sú relé RE1 a RE2 v kľudovej polohe,  oba kontakty relé RE1, alebo kontakty RE1 a RE2 skratujú živý vývod koaxu s opletením a tento bod (uzemnenie) je prepojený krátkym, silným vodičom na hromozvodnú sieť. Pre väčšie výkony sa odporúčajú relé RE1 a RE2 automobilové. Tieto relé majú len jeden prepínací kontakt na 40 až 60 A. V prepínači antén sú tri zeme, modrá (opletenie koaxov oboch antén), zelená (pripojenie na hromozvodnú sieť) a fialová (kostra TRX, alebo PA). Prepínač antén je napájaný po prepojovacom koaxiálnom kábli cez jednotku „SPLITER VF/DC“, ktorá má prenos od 1 – 50 MHz = 0 dB a na 144,5 MHz = – 1 dB. Jednotka „Voľba antény“ sa napája z TRX zdroja cez DC/DC menič z 13,8V na 12V, pričom vstupné svorky meniča sú galvanicky oddelené od výstupných. Keď má jednotka „Voľba antény“ na výstupe +12V máme pripojenú ANT2 a keď je zvolené napätie   -12V máme pripojenú ANT1. Keď vypneme napájací zdroj, antény sa odpoja od napájacieho koaxu a uzemnia sa. Antény vtedy pracujú ako snímače (hromozvody) a v jednotke „SPLITTER“ kontakty relé Re3 skratujú vstupný VF konektor, teda živý vývod so zemou. Jednotka „SPLITTER“ môže byť umiestnená pod stolom, jednotka „Voľba antény“ musí byť v dohľade operátora na stole a jednotka „Prepínač antén“ musí byť na streche v blízkosti hromozvodnej siete.  

Keď sa blíži búrka, alebo ideme na dovolenku musíme odpojiť anténny kábel z TRX  alebo PA a zavesiť ho na trubky či radiátor kúrenia, mimo všetkých ostatných káblov nášho zariadenia.

Obr. 3 Schéma odpojovača pre jednu anténu

Obr. 4 Schéma odpojovača pre dve antény

Obr. 5 Schéma odpojovača jednej antény - upravený od firmy Paradan Radio

          Tento odpojovač jednej antény sa dá použiť pre každý zvod našich antén, ktoré prepíname ručne podľa potreby. Čiže koľko máme zvodov antén toľko potrebujeme odpojovačov. Spliter a napájanie ochrany „Voľba antény“ nám stačí len po jednom.   

Obr. 6  Príkladny nutnej ochrany antén

Obr. 7 Pohľad na otvorený spliter

Obr. 8 Pohľad na jednotku "Voľba antény"

Na predchádzajúcom obrázku je jednotka „Voľba antény“ pre dve antény. Prepínač antén má tri polohy (ON-OFF-ON). V krajných polohách si volíme jednu z dvoch antén a v strednej polohe  sú všetky tri relé bez napätia a prepínač antén je vypnutý. Zelená LED indikuje pripojenie záťaže (relé) a červené LED indikujú zvolenú anténu.

Použité bleskoistky:

            Bleskoistky Bl1 a Bl2 sú aspoň na 100 kA a majú zápalné napätie 350-450 Voltov. Pre výkon 750 W musíme zapojiť aspoň dve do série. Bleskoistku Bl1 používame na ochranu napájacieho koaxiálneho kábla pri anténe (medzi živým a opletením). Bleskoistku Bl2 používame medzi opletením napájacieho koaxu a hromozvodnou sieťou, prípadne stožiarom pripojeným na hromozvodnú sieť.

            Bleskoistky v jednotke „Prepínač antén“ sú na 20 kA a zápalné napätie majú 350-450 Voltov. Napríklad typy CG2-350L alebo CG470L. Ale je to už ochranná zóna 1.

            Zápalné napätie bleskoistiek BL1 volíme podľa používaného výkonu tak, aby sa bleskoistka nezapálila výkonom vysielača. Výkon 100 W na 50 ohmoch dáva 70,7 V_eff, ale pri PSV 1:3 plus rezerva potrebné zápalné napätie môže byť aj 210 V_eff , čo je asi 300 V_š. Výkon 1 kW dáva 224 V_eff  a potrebujeme zápalné napätie aspoň 950 V. Z dôvodov rezervy dávajú výrobcovia tri 500 V bleskoistky do série. Vzorec na výpočet minimálneho zápalného napätia bleskoisky je:

Uz= √2 x (√(W x 50))          kde U_z je zápalné napätie pri PSV 1:1       a W je výkon

Pri PSV=2 je treba násobiť U_z x 1,5, pri PSV=3 je treba násobiť U_z x 2.

            Bleskoistky CG2-470L a podobné typy do zóny 1 dostaneme u viacerých predajcov elektroniky napríklad gme.sk, tme.sk, hakel.cz a u ďalších. Bleskoistky vhodné pre rádioamatérov do zóny 0 sú na stránke https://www.polyphaser.com/   alebo na https://www.arraysolutions.com/as-302u. Vyrábajú ich aj firmy Diamond, OPEK, MFJ atď. Cena bleskoistky na 1500 W do zóny 0 je vyše 100 USD. Samozrejme sa môžeme pozrieť na rádioamatérske stránky ako sa to dá spraviť lacnejšie, lebo profesionáli vyrábajú bleskoistky pre operátorov veľkých sietí do 3 GHz a nám obyčajne stačia do 100 MHz.

Obr. 9 Bleskoistka Diamond 400W 10kA

Obr. 10 Bleskoistka MFJ 400W 10kA

Obr. 11 Náhradný GDT fy MFJ

Obr. 12 Bleskoistka ARRAY SOLUTION, 3kW, 10kA

Bleskoistka PolyPhaser IS-VU50HN-MA

Táto profi bleskoistka, ktorá sa u nás vyskytovala, mala tieto základné parametre:

Prenášaný výkon - 750 W pri záťažovom PSV < 1:1,3. Maximálne vf. napätie je 1200 V.

Vypínací čas je 15 ns.                                                            

Je na špičkový prúd 50 kA.

Originálna bleskoistka pracuje v pásmach 50 MHz až 300 MHz a 380 MHz až 550 MHz. Upravená pracuje v pásme 1 - 500 MHz.

Home Made bleskoistka

Bleskoistku si môžeme spraviť aj sami. Potrebujeme hliníkovú krabičku G-105 (z AVELMAK), prepojovaciu planžetu PP, dva konektory SO239 teflón, 2 – 3 ks CG2-470L. V tomto obsadení to bude bleskoistka 20 kA, spínací čas 15 ns.

Obrázok obr. 13 je pohľad dovnútra krabičky a obrázok obr. 14 ukazuje zmontované bleskoistky BL1 a BL2.

Útlm bleskoistky som meral s NWT-500, v rozsahu 1-150 MHz a 400-450 MHz bol útlm 0,2 dB. Spínacie napätie 350-450 V. Používa dve bleskoistky CG2-470L.

Maximálny prenášaný výkon je asi 500 W v rozsahu 1-70 MHz. Keď bleskoistka zopne pri našom výkone pridáme do série ešte jednu bleskoistku.

Obr. 13 Pohľad do bleskoistky BL1

Obr. 14 Pohľad na bleskoistky BL1 a BL2

Obr. 15 Schéma home made bleskoistky BL1 20kA

Obr. 16 Bleskoistka POLYPHASER

Dôležité súčiastky v jednotke SPLITER:

                Oddeľovací kondenzátor 3x10n/3kV musí byť dimenzovaný na VF prúd pretekajúci kondenzátorom.

               Tlmivka 125 uH má asi 55 závitov smaltovaného drôtu s hodvábnou izoláciou (CuPl) s priemerom 0,5 mm, alebo len smaltovaným drôtom na kúsku feritovej antény s priemerom 8 mm dlhom asi 35 mm. Kúsok feritovej antény získame tak, že ihlovým pilníkom si na mieste zlomu vybrúsime po celom obvode  drážku a potom ju v rukách  opatrne  zlomíme.           Meranie impedancie tlmivky na NWT500: 1,8 MHz = -20 dB, 3,5 MHz = -26 dB,       7 MHz = -31 dB, 14 MHz = - 39 dB, 21 MHz = -46 dB, 29 MHz = - 52 dB, 50 MHz = -48 dB, 144 MHz = - 27,5 dB

-                Kondenzátor 10n/250V je kvalitný keramický kondenzátor.

-               Relé RE1 a RE2 musia byť kvalitné relé, napríklad FINDER, SCHRACK RT1 alebo RT2 a podobné na 12V s kontaktmi na 16 A. Ja som použil namiesto relé RE1 dve FINDER relé, každé s jedným prepínacím kontaktom. Relé RE3 môže mať kontakty  na 8 A.

-               Bleskoistka v zóne 0, je umiestnená v blízkosti napájacieho konektora antény a pripojená medzi opletenie koaxu a hromozvodnú sieť a medzi živým vodičom a opletením. Pokiaľ používame vyšší stožiar, musíme zaradiť každých 5 metrov bleskoistku 100 kA medzi opletenie koaxu a stožiar.

-               Prepäťová ochrana v zóne 1 je typu CG2-350L až CG2-470L výrobcu Littelfuse, alebo podobná.

-               DC/DC menič je napríklad typ SWC03A-12V (SWC05A-12). Pri vstupnom napätí     9-18V má výstupné napätie 12V. Maximálny výkon je 3W (5W).

-               Vstupné napätie jednotky „Voľba antény“ je 13,8V zo zdroja pre TRX. Keď zdroj vypneme, tak sa antény automaticky odpoja od transceivra !

-               Jednotka „Prepínač antén“ je vstavaná do vodotesnej krabičky, do ktorej nezabudneme na spodnej strane vyvŕtať otvory na odvod skondenzovanej vody alebo použijeme pretlakovú membránu Amphenol VENT-PS1YBK-N8001 (TME á 2,50 €) aby nám tam nevliezli pavúky, či natiekla voda.

-               V bytových rozvodoch je nutné používať poistky aj zásuvky s ochranou proti prepätiu.

Montáž zariadenia: Anténa musí byť namontovaná podľa predchádzajúcej Pozn.1. Jednotka „Prepínač antén“ musí byť namontovaná na streche domu v blízkosti  vodičov hromozvodnej siete a svorka „Uzemnenie“ musí byť krátkym silným vodičom pripojená na hromozvodnú sieť. Opletenie koaxiálneho kábla spájajúceho jednotku „Prepínač antén“ a TRX nesmie byť priamo pripojené na hromozvodnú sieť, maximálne cez bleskoistku. Dôležité: všetky zvody od antén musia byť vedené k zariadeniu úplne oddelene od ostatnej kábeláže.

Hlavne jednotku „Prepínač antén“ a bleskoistky v zóne 0 musíme raz za rok alebo vždy po blízkom údere blesku kontrolovať. Skontrolujeme hlavne relé RE1 a všetky bleskoistky vymeníme.

Téma ochrany pred bleskom a atmosférickým prepätím je zanedbávaná, lebo poznáme krásnu výhovorku, „ja mám anténu už 50 rokov a žiadny blesk mi ešte neublížil“. Príspevok som písal dlhšiu dobu, bol zverejnený v Tatranskom zborníku, informácie som postupne dopĺňal a preto nejdú chronologicky po sebe. Každá veta má svoj význam, ale môžu tam byť nejasnosti.

Bolo by dobré, keby sa našiel výrobca jednotiek „Prepínač antén“, „Spliter VF/DC“ a „Voľba antény“, hoci jednotky sú jednoduché a ich výrobu zvládne každý amatér.

👨