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PROTEÇÃO DE ESTAÇÕES DE RADIOAMADOR CONTRA DESCARGA ELETRICA

PROTEÇÃO DE ESTAÇÕES DE RADIOAMADOR CONTRA DESCARGA ELETRICA

Um dos grandes receios de qualquer radioamador é ter sua estação atingida por uma

descarga atmosférica. Os estragos em geral não são pequenos e nem sempre temos proteção

suficiente. O Brasil é o país com a maior incidência de descargas atmosféricas, sendo que em 2011

aproximadamente 50 milhões de descargas atmosféricas forma identificadas ( fonte: INPE -

Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais). Infelizmente não existe uma “cultura de proteção” sendo

que na maioria das vezes a “proteção” é feita sem muitos cuidados ou técnica.

Algumas concessionárias de energia elétrica disponibilizam informações sobre a formação e

os tipos de ráios, tais como a Copel e Furnas , bastando fazer uma busca na internet. Um site muito

útil é o do RINDAT ( Rede Integrada Nacional de Detecção de Descargas Atmosféricas ,

www.rindat.com.br) que mostra em tempo real as localidades onde estão ocorrendo descargas

atmosféricas.

A ideia deste artigo é indicar algumas formas seguras de proteção, lembrando que uma

descarga atmosférica tem uma potência muito elevada, sendo impossível conceber um sistema

100% seguro. São três os caminhos para uma descarga atmosférica atingir nossas estações:

1 – Antena 2 – Rede elétrica 3 – Rede telefônica/Internet

Vamos analisar cada um deles para indicar o sistema mais adequado de proteção

Antena:

Neste caso duas são as formas que uma descarga pode se manifestar:

A – Descarga direta, onde o raio, ou melhor uma faísca do raio , “cai” diretamente na antena, sendo

que neste caso o estrago é muito grande , com pouquíssima possibilidade de proteção.

B – Indução de tensão ou descarga secundária. Muitas vezes o campo elétrico formado no local

onde ocorre uma descarga atmosférica acaba induzindo a formação de elevados valores de tensão e

a antena converte esse campo elétrico em um nível de tensão muito elevado e essa tensão acaba por

chegar em nossos rádios. Neste caso existem precauções que podem ser tomadas de forma a

minimizarmos os estragos. Vale lembrar que as proteções contra descargas atmosféricas não são

100% eficientes.

Um dispositivo que pode ser inserido na linha de alimentação , leia-se cabo coaxial, é o protetor

contra descargas. Existem vários fabricantes como a MFJ , AlphaDelta e Cushcraft. Alguns

modelos podem ser vistos abaixo:

Atualmente o sistema mais utilizado é com ampola de gás, onde uma ampola com um gás

permite a condução da descarga elétrica quando a tensão entre seus terminais excede o valor para o

qual ele foi dimensionado, protegendo a entrada do rádio mas necessita ser substituído cada vez que

ele entra em ação. Outro detalhe – importantíssimo – é que ele necessita de um sistema de

aterramento eficiente pra promover uma proteção adequada.

O lugar ideal para instalar um protetor de entrada está no ponto de entrada para o

edifício/casa onde o rádio está localizado. Não se esqueça de fornecer uma conexão de terra de

baixa resistência para o protetor, ou seja tenha certeza que o terra seja eficiente.

A haste de aterramento para estes protetores deve estar localizada o mais próximo possível

do equipamento, tipicamente fora do edifício/casa, no ponto de entrada dos cabos coaxiais das

antenas. Outra dica interessante, se você mora em casa ou sítio não deixe o cabo coaxial sobre o

solo. Instale um conduíte sob o solo e passe o coaxial dentro dele.

Uma outra opção para aumentar a proteção de seus rádio é utilizar uma chave de antena que

possua um sistema de centelhamento. Algumas chaves de antena da MFJ ou da Alpha Delta

( dentre outros fabricantes) possuem uma posição em que a entrada da chave de antenas é ligada a

uma ampola de gás , fornecendo uma proteção parcial, pois essa proteção só estará presente na

posição específica, posição essa que não permite seleção de nenhuma antena.

Observação: A melhor proteção contra descargas oriundas de antenas é desconectar o(s)

cabos(s) Coaxial(ais) do(s) rádio(s), e mantê-lo longe. Não adianta desconectar o cabo coaxial

e deixa-lo a 30 cm do rádio !

Rede Elétrica:

Outro caminho de entrada de surtos de Alta Tensão é a rede elétrica. Neste caso para se ter

uma proteção o mais eficiente possível é necessário a instalação de diversos sistemas. Apenas um

não basta. Vou estar explicando sobre o DPS ( Dispositivo de Proteção contra Surtos ) e também

sobre o uso de varistores .

Como nome diz, o DPS tem a função de descarregar picos de alta tensão, provenientes de

descargas atmosféricas para o terra. O DPS deve ser instalado no quadro geral de distribuição, logo

após os disjuntores. Existem vários fabricantes brasileiros como a Siemens, Schneider, etc,

bastando fazer uma rápida pesquisa na internet para encontrar os vários fabricantes e fornecedores,

sendo hoje facilmente encontrados .

O principio de funcionamento de um DPS é baseado na mudança da sua impedância interna, que

diminui com o aumento da tensão em seus terminais, permitindo um desvio da corrente de surto

para o sistema de aterramento (proteção de modo comum), evitando assim que sobre o equipamento

protegido apareça uma tensão acima daquela que ele possa suportar. Para nosso caso devemos

utilizar um DPS do tipo II (8/20us). Recomenda-se a instalação de um conjunto de DPS a cada 50

mts de fiação. Para instalações residenciais ( casas e apartamentos ) apenas um é necessário. No

caso de sítios, chácaras ou fazendas, deve-se instalar um DPS classe I ( 10/350 US) logo depois do

quadro de entrada , devendo ser instalado outro DPS classe II no quadro de distribuição da casa

onde a estação está instalada. O valor de um DPS de bipolar de 40 KA (classe II) está em torno de

35,00 variando um pouco em função da marca.

Lembrando que no caso do DSP tambem é muito importante que o sistema de aterramento

seja eficiente.

Porem apenas o DPS não fornece proteção suficiente e dessa forma devemos instalar mais

um tipo de dispositivo, que é o Varistor de óxido de zinco.

Os varistores são componentes que possuem uma elevada resistência entre seus terminais,

mas essa resistência depende do valor de tensão sobre ele. Quando a tensão sobre o varistor alcança

um valor específico, a sua resistência cai para para praticamente zero. Essa resistência

extremamente baixa causa um curto-circuito na rede elétrica, transformando o pico de tensão

proveniente da descarga atmosférica em calor, protegendo assim a entrada AC dos equipamentos da

estação. Varistores são largamente utilizados nas áreas de telecomunicações, eletrônica de potência,

eletrônica automotivas, etc . Em nosso caso devemos ligar os varistores entre Fase - Neutro para as

tomadas de 127V e entre Fase – Fase para as linhas de 220V.

Os varistores podem ser encontrados com diversos valores de operação sendo que devemos

sempre escolher valores ligeiramente superiores a tensão da rede elétrica, ou seja 140V para redes

de 127Vac e 275V para redes de 220Vac. Os varistores devem ser instalados tanto no quadro de

distribuição interna como também em cada tomada a ser protegida. É recomendável existir um

fusível antes do(s) varistor(es), mesmo que na rede existam disjuntores independentes para a rede

elétrica da estação. Uma opção é utilizar caixas para tomadas também chamadas de “caixa para

tomada em sistema X” pois são ideais para a instalação do varistor e de um porta-fusível, veja na

foto abaixo:

 Nessa caixa para tomada pode-se ligar uma barra com tomadas para poder alimentar os

diversos itens da estação. Cabe aqui uma informação: a grande maioria dessas barras com tomadas

vendidas como “filtro de rede” nas lojas de material elétrico não tem nenhum sistema real de

proteção ou de filtragem. As menos piores tem um varistor pequeno como proteção contra sobretensão

e uma bobina e um capacitor como sistema de filtragem. Não confiem nesses “filtros de

rede” .

É importante que todas as tomadas da estação estejam com varistores, de forma a proteger

todos os equipamentos ligados na rede elétrica, pois basta que apenas um deles permita a passagem

de um pulso de alta-tensão e o estrago pode ser bem grande ! Não utilize barras de tomadas

com mais que 4 locais de ligação, prefira utilizar 2 ou mais barras de tomada ao lugar de uma única

com muitas saídas.

A forma de ligação dos varistores é mostrada abaixo:

Rede Telefônica/Internet:

Também é muito comum que a rede telefônica / internet / TV a cabo seja a porta de entrada

para um pulso de alta-tensão. Nosso problema começa quando conectamos qualquer rádio a um PC

e esse PC esteja ligado em um cable modem que forneça o sinal de internet. Como o GND é o ponto

comum de todo o sistema e o PC nunca é ligado ao terra, não existe caminho para a fuga desse

pulso de AT.

Neste caso são três as forma de proteção, sendo que as três são necessárias, não bastando

apenas uma ou duas. Devemos utilizar um filtro na linha de entrada do cable modem, utilizar uma

conexão Wireless entre o PC e o cable modem e uma interface com transformadores de isolação

entre o PC e o rádio. Na figura abaixo temos o diagrama de como do sistema deve ser:

Com o sistema acima teremos uma isolação entre o sistema de internet, o PC e o Rádio.

Teremos um pequena perde de velocidade de conexão a internet, mas como a distância entre o

roteador e o PC é pequena, a perda de velocidade será muito pequena. Abaixo temos uma placa de

rede Wifi, que deve ser instalada internamente no PC. Existem várias marcas no mercado.

Na entrada da linha de sinal do Cable modem deve ser instalado um filtro contra descargas

atmosféricas.

Hoje com os diversos sistemas de comunicações em modo digitais disponíveis, é muito

comum o radioamador conectar diretamente o seu rádio diretamente ao PC , diga-se a placa de som,

abrindo um ótimo caminho para um pulso de alta-tensão proveniente de uma descarga atmosférica.

A interface com transformadores de isolação na saída / entrada da placa de som é um ítem

muito importante pois ela garante o isolamento elétrico entre o PC e o rádio. Essas interfaces podem

ser de fabricação comercial (Rigblaster, Microham, etc) ou mesmo de construção caseira , cujo

esquema pode ser facilmente encontrado em uma busca pela internet.

No caso do cabo CAT ( Computer Aided Transceiver ) mesmo os cabos com conversores

USB/Serial não possuem uma isolação galvânica com valor adequado para prevenir um surto de

alta-tensão.

Aterramento

Muitos radioamadores não tem em suas estações um sistema de aterramento adequado, Não

vou entrar na questão do aterramento da torre ou uso de para-raios, pois esse assunto é discutido já a

bastante tempo, sendo muitos a favor e muitos outros contra. Para aqueles que residem em prédios

ou que possuem alguma estrutura ( torre) aterrada , NUNCA usem o cabo do para-raios para ligar

qualquer equipamento eletro-eletrônico. Para os que desejarem maiores informações sobre

aterramentos, consultem as normas:

NBR-5419 Proteção de Estruturas contra descargas Atmosféricas,

NBR-5410 Instalações Elétricas de Baixa Tensão

Como foi visto, para o uso correto dos DPS´s e dos sistemas de descarga com ampola de gâs

é necessário o uso de um sistema de aterramento que terá a função de descarregar o surto de AT

No caso do DPS, um sistema de aterramento convencional (3 barras do tipo Copperweld,

por exemplo) do mesmo tipo que é exigido pelas concessionárias de energia elétrica já é o

suficiente. No caso dos centelhadores, basta uma única barra de aterramento , instalada na entrada

dos cabos coaxiais na estação. Todos os fabricantes desse tipo de dispositivo informam que eles

devem ser instalados do lado de fora da estação. Para esse fim o uso de uma caixa de passagem do

lado de fora da casa é suficiente para acomodar todos os centelhadores, lembrando que deve ser

instalado um centelhador para cada cabo coaxial, com a ligação ao aterramento sendo feita dentro

da caixa de passagem.

Da mesma forma, os sistemas de proteção da linha de transmissão devem ser instalados do

lado de fora da estação, devidamente protegidos das intempéries e devidamente conectadas a um

aterramento.

Um cuidado que devemos ter nos sistemas de aterramento é que não deve ser realiza a

equipotencialização dos aterramentos do DPS e protetores das linhas de transmissão com o

aterramento da torre ou para-ráios.

CARGA NÃO IRRADIANTE PARA POTÊNCIA

Carga não irradiante para potência > 1,5 KW 

Seja para o experimentador, seja para o apenas "operador" uma carga não irradiante é ítem obrigatório na estação.

Existem diversas cargas comerciais a venda, todas muito boas : cargas boas

Porém cargas não irradiantes para potência elevada não são facilmente encontradas.

O que é uma Carga não irradiante ou Carga Fantasma? Basicamente é um sistema que possue uma impedância constante em função da frequência de trabalho e que permite dissipar a potência a ela entregue possibilitando assim efetuar-se a sintonia / teste de transmissores e lineares.

As cargas mais comuns são construídas com apenas alguns resistores de carvão ou resistores de metal film , enquanto que cargas não irradiantes de maior potência são construídas com resistores de óxido de Berílio ou óxido de Alumínio.

Desssa forma para obtermos os 50 ohms desejados de impedância necessitamos fazer alguma associação de resistores para obtermos o valor ohmico desejado bem como uma potência dissipada adequada as nossas necessidades .

As mais famosas são as cargas Palstar - DL5K ( http://www.palstar.com/en/dl5k/ ) e a Alpha 2000 ( http://www.rfconcepts.com/PRODUCTS/New-Products/Alpha-2000-Dummy-Load_2 ) , porem ambas são caras e de elevado custo de remessa.

Daí a idéia de confeccionar uma carga não irradiante que suporte uma potência elevada (> 1,5 KW) em modo contínuo com alguns recursos extras para garantir a performance e longevidade. Dessa forma as características dela são as seguintes:

- Suportar uma potência mínima de 1,5 KW continuamente por um tempo de pelo menos 2 minutos

- Possuir sistema de ventilação forçada para garantir o uso prolongado

- Monitoramento da temperatura das pastilhas de óxido de berílio

Eu escolhi utilizar duas pastilhas de 100 ohms x 800W que serão ligadas em paralelo, possibilitando assim uma carga não irradiante de 50 ohms com uma potência nominal de 1600 W . As especificações da pastílha escolhida pode ser vista aqui ( arq. PDF) . Para poder ter uma carga não irradiante que suporte potências elevadas ( > 1,5 KW) durante tempos relativamente longos as pastilhas de óxido de berílio são fixadas em um dissipador de calor de alumínio , sendo o conjunto colocado em uma caixa metálica com um sistema de medição de temperatura do dissipador e duas ventoinhas de PC controladas por um sistema que irá monitorar a temperatura do dissipador e "regular" a velocidade das ventoinhas.

As pastilhas foram compradas na internet pelo Ebay.

Indo por partes : 1o. a Carga !

As pastilhas foram fixadas em duas placas de cobre com 15cm x 5cm x 0,8cm. Foi utilizada uma barra de cobre vendida em lojas de material elétrico, pois essa barra de cobre é utilizada em quadros elétricos de distribuição predial. Depois ambas as placas de cobre foram fixadas em um dissipador de alumínio com as dimensões de 20cm x 15cm x 5cm. Foi aplicada uma fina camada de pasta térmica entre todas as superfícies metálicas. As placas de cobre foram fixadas ao dissipador de alumínio com 8 parafusos Allen M4x20 de aço inox.

A pequena peça preta entre as placas de cobre é um sensor de temperatura LM35 que será responsável pela leitura da temperatura do dissipador e controle de velocidade das ventoinhas que irão resfriar o conjunto. Segundo a especificação das pastilhas utilizadas a temperatura não deve ser superior a 110 graus centígrados, daí o suso de duas ventoinhas para melhorar a dissipação de calor. Observem o detalhe da fixação da malha do cabo coaxial ( RG213) . A malha foi soldada em uma folha de cobre que foi fixada as placas de cobre. O circuito de controle de temperatura pode ser visto abaixo:

O circuito foi montado em uma pequena placa de circuito impresso universal. O funcionamento é o seguinte:

Quando uma RF é aplicada nos resistores, o trafo T! capta uma amostra da RF, retifica e envia para o gate do transistor Mosfet IRF510, fazendo com que o rele RL seja energizado e com isso liga as ventoinhas porem com uma menor tensão sobre elas devido aos resistores R. Quando a temperatura no dissipador atinge 70 graus o sensor LM35 estará com um nível DC de saída de 700 mV, sendo esse valor DC comparado com o valor de tensão pré-ajustado pelo trimpot de 5K. Nesse momento o comparador de tensão LM393 muda o seu nível de saída para alto, fazendo com que o outro Mosfet IRF510 entre em condução, aumentando a tensão sobre as ventoinhas fazendo com isso que ocorra um maior fluxo de ar pelo dissipador, diminuindo assim a temperatura . Se a temperatura do disspador estiver acima de 70 graus, mesmo sem RF na entrada, as ventoinhas continuarão a girar em sua velocidade máxima, até que a temperatura caia abaixo de 70 graus.

Observações:

- O trafo T1 foi confeccionado utilizando-se um toroide FT-50 43 com 35 espiras de fio esmaltado 0,4mm

- Os resistores R são de 100Omhs x 2W ( metal film) , sendo que o seu valor pode ser alterado dependendo da velocidade das ventoinhas ou do nível de ruído que elas gerem

- Para alimentação da placa e das ventoinhas utilizei uma pequena fonte chaveada de 12V x 1,5A

Abaixo uma imagem da carga montada com a placa de CI do controlador de temperatura , fonte de alimentação. A caixa foi aproveitada de uma fonte chaveada 48Vx20A , que foi utilizda na montagem do linear EB-104 de 600W com transistores MRF150:

Aqui uma foto do trafo T1, montado em uma pequena placa logo na entrada de RF:

Aqui uma foto da carga não irradiante totalmente montada:

fonte py2ne