Perguntas Frequentes sobre ATERRAMENTO

 

"Aterramento" é um assunto importante, mas mal compreendido por grande parte dos colegas, pois a sua explicação não é simples devido às múltiplas funções desta prática, como será visto adiante. São funções distintas envolvendo energia elétrica em frequências que vão do DC (corrente contínua) presente nas descargas atmosféricas, passando pelos 50 ou 60 Hz da nossa rede elétrica, indo até as frequências de operação de nossas estações, que variam de centenas de KHz a centenas e milhares de MHz! E isso faz com que os cuidados envolvidos em cada função varie em alguns aspectos. Mas como todas as suas funções são importantes para nós, a solução mais completa deve contemplar todo um conjunto de cuidados.

Em vista disso e considerando que o assunto aterramento e proteção é muito mais extenso do que aquilo que consegui cobrir nos vídeos, resolvi responder às dúvidas mais frequentes que chegavam até mim, em um conjunto de perguntas e respostas descritas abaixo, subdivididas em sub-temas. E a abordagem que procuro dar é voltado, evidentemente, para o radioamadorismo.

Uma das funções do aterramento é evitar problemas de instabilidade durante a transmissão devido a correntes de RF (retorno de RF ou induções diretas). Apesar da crença de que o simples aterramento tudo resolve, a solução para estes problemas não é trivial. Portanto, é importante notar que os vários recursos de aterramento e dispositivos auxiliares (ferrites, baluns etc) para resolver esses problemas são apresentados sob a forma qualitativa, sem números e cálculos. Ou seja, são recursos que "tendem" sempre a solucionar um problema, mas podem não ser suficientes, pois depende de cada estação, do problema específico, assim como da forma como forem implementados. Um exemplo: o emprego de ferrites em cabos de interligação ou alimentação como redução de interferências, sob o ponto de vista "qualitativo", pode ser uma solução, mas dependerá do nível de perturbação e da implementação, ou seja, do tipo de ferrite, número de espiras, espaçamento, frequência de operação, local de aplicação etc.   Outro exemplo é o balun de corrente. Cito no artigo várias vezes a utilidade de se usar um na alimentação da antena, mas isso dependerá muito do balun e de características da estação. Ou seja, o sucesso na implementação de soluções para resolver problemas em área complexa como aterramento em RF passa pelo entendimento dos conceitos, pelo menos de forma qualitativa. E essa é a minha intenção. 

Outra dica: como o assunto é extenso e com muitos detalhes, muitas vezes torna-se difícil o entendimento em uma primeira leitura. É assim mesmo. Leia e releia aos poucos. Mas, para os que apreciam esse apaixonante assunto (radioeletricidade), a compreensão dos conceitos e a verificação deles nas suas experimentações dá um prazer indescritível! Isso também é radioamadorismo.

Esse artigo está em permanente construção, na medida em que pretendo ir aprimorando as explicações e complementando com mais questões ao longo do tempo, e dentro das minhas possibilidades de tempo! Tenho a esperança de que o artigo seja útil para os colegas interessados no assunto, mostrando a importância e as limitações do aterramento na qualidade do funcionamento de nossas estações.

Por questão de segurança pessoal e patrimonial, a estação (incluindo antena) deve atender às normas NBR5410- ”Instalações Elétricas de Baixa Tensão”, e  NBR5419- “Proteção contra descarga atmosférica”, além de outras normas e requisitos legais, devendo ser analisada por profissional devidamente habilitado. Esse texto tem caráter apenas informativo.

 

INTRODUÇÃO

1) O que é o aterramento?

O aterramento é, basicamente, a conexão a um ponto de referência, mas varia de acordo com a sua função. Por exemplo, em um dispositivo eletrônico com a sua fonte de alimentação, como em um rádio, as tensões são normalmente referidas ao ponto de potencial 0V da fonte de alimentação deste rádio. É o ponto de retorno das correntes que alimentaram os diversos circuitos. 

Nos rádios valvulados esse ponto era comumente conectado ao chassis metálico, enquanto em um rádio moderno com transistores e circuitos integrados, essa referência de 0V da fonte é normalmente associada a uma camada de um circuito impresso multicamadas. É a camada de “terra” ou “referência de terra”.

No aterramento para a proteção contra descargas atmosféricas a referência é o solo, para onde as imensas correntes do raio se dirigem. Por isso é importante um aterramento ao solo, com a menor impedância possível, das estruturas metálicas sujeitas a receber um raio, como os captores de para-raios (e as nossas torres!) para que as correntes do raio sejam escoadas para o solo da forma mais eficiente possível.

No aterramento elétrico para a proteção contra choque elétrico ou curtos circuitos (que podem gerar até incêndios), a referência mais comum é o neutro da rede, que é a referência das tensões de alimentação. Neste caso, os "terras de proteção" (ou terceiro pino, PE) são conectados ao neutro na entrada da instalação elétrica para referenciar-se a ele (cuidado, essa conexão deve obedecer a cuidados especiais para não prejudicar o funcionamento de certas proteções da instalação elétrica). Mas como o solo também é uma referência para os circuitos de distribuição de energia elétrica, onde o neutro é aterrado em diversos pontos, então as tensões entre fases e neutro existirão entre fases e o solo. Logo o solo passa também a ser uma referência para a rede de distribuição de energia elétrica. 

Já, para a RF, é um mito se considerar o solo como uma referência, apesar dele influenciar nos campos gerados ou recebidos pelas nossas antenas. Ao se transmitir, os campos gerados pela antena podem interagir com o próprio cabo que a alimenta, podendo gerar correntes de RF externamente nesse cabo. São as correntes de retorno de RF que podem, em parte, até “procurar o solo”, dependendo das impedâncias envolvidas. E essas impedâncias podem ser altas em função dos comprimentos das conexões a terra e das frequências envolvidas, conforme veremos a frente.  

Porém, existem antenas que usam o solo como elemento participante na formação dos campos eletromagnéticos responsáveis pelo seu funcionamento. Neste caso, o solo passa a ser uma referência importante para o funcionamento destas antenas, e a sua conexão (o aterramento) requer certos cuidados.

Conforme pode ser visto, o terra tem distintas funções associadas à rede elétrica, à proteção contra descargas atmosféricas e ao controle de fenômenos gerados pela RF na estação como instabilidades, captação de ruídos e geração de interferências. As duas primeiras funções fazem, do aterramento, uma importante questão de segurança pessoal e patrimonial. Por isso, deve ser dada uma especial atenção ao aterramento na estação, que deve seguir a norma brasileira de instalação elétrica (NBR5410) e a norma brasileira de sistemas de proteção contra descargas atmosféricas (NBR5419).

Enquanto as duas primeiras funções descritas do aterramento (proteção elétrica e contra raios) estão mais relacionadas com a vinculação física ao solo, a terceira função (aterramento de RF), relacionada ao desempenho da estação na transmissão e até na recepção, dependerá muito mais de outros aspectos, como a forma como a estação é organizada e seus cabos são interligados, do que de uma conexão física ao solo com um eletrodo enterrado, condição por vezes até impossível de ser realizada.

2)      Quais são as funções do aterramento?

a)       Conforme já dito acima, o aterramento tem três funções:

i)        Proteção contra choques elétricos e curtos-circuitos,

ii)      Proteção dos equipamentos (e pessoas) contra os efeitos das descargas atmosféricas (raios)

iii)     Auxilia em problemas relacionados à RF (retornos de RF, ruído  etc);

  

3)      Para eu garantir um aterramento correto, basta eu cravar um eletrodo no chão?

a)     Absolutamente, NÃO. O aterramento envolve a integração de vários elementos na instalação elétrica, como o terceiro pino (terra de proteção), e os aterramentos definidos pelo Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA) e/ou de torres etc;

b)     As características do aterramento (como a sua resistência de aterramento p. ex.) dependem de cada uma das três funções acima:

i)       Para a proteção contra os choques elétricos é necessário o terceiro pino nas tomadas, ou seja, o terra de proteção (PE) atendendo os requisitos de instalação definidos na NBR5410. Na imensa maioria das instalações elétricas residenciais, é usado o sistema TN onde o PE (terceiro pino) é ligado ao neutro no ponto de seu aterramento na entrada da instalação elétrica de sua residência, e só lá! Isso, juntamente com os dispositivos de seccionamento, como os fusíveis e disjuntores, garantem a proteção contra choques elétricos, curto-circuitos e mesmo incêndios em caso de curtos-circuitos francos. E essa função depende mais da forma de interconectar o PE, bitolas de cabos, dispositivos de proteção etc do que do tipo e resistência dos eletrodos de aterramento. 

      As frequências envolvidas são a frequência industrial (50 ou 60 Hz) e suas harmônicas, o que faz com que os comprimentos dos cabos não sejam importante se as resistências dos cabos atenderem às correntes de curto esperadas.

ii)    Para a proteção contra os efeitos das descargas atmosféricas, cujas correntes sempre buscam o caminho do solo, já se torna importante a menor impedância possível dos eletrodos de aterramento usados pelo sistema de proteção contra descargas atmosféricas (SPDA), ou seja, os pára-raios.  E, considerando-se a ocorrência de raios na edificação (casa ou prédio) ou próxima dela, todas as hastes de aterramento de uma instalação devem ser interligadas para a redução de potenciais entre hastes distintas. As hastes de aterramento (ou qualquer tipo de eletrodo de aterramento) incluem o aterramento do neutro na entrada da instalação elétrica, os aterramentos dos pára-raios (SPDA) assim como o aterramento da sua estação (equipamentos, antena, torre etc).  Tudo isso deve ser interligado, e até a forma e distribuição de eletrodos de aterramento influenciam na eficiência da proteção, que deve ser otimizada para as correntes impulsivas e de grande carga dos raios.

       Na proteção contra as descargas atmosféricas as indutâncias dos cabos também são importantes, pois as correntes dos raios têm enorme variação no tempo (na ordem de muitos milhares de amperes em poucos microsegundos!).

iii)    Para ajudar em problemas de RF, o aterramento, a princípio, deveria ter uma baixa impedância do aterramento na frequência de operação. E aí é que está o problema! Isso não é fácil devido à eficiência dos eletrodos e, principalmente, devido ao comprimento dos cabos de interligação, principalmente nas bandas altas de HF. Em VHF e UHV não podemos depender de aterramento de RF! 

      A maior parte das antenas (como as dipolos alimentadas no centro e as Yagis, por exemplo), a rigor, não precisam de aterramento de RF pois essas antenas são auto suficientes para a formação dos campos eletromagnéticos necessários para a radiação. Os campos elétrico e magnético são formados exclusivamente a partir dos elementos da antena. Mas há algumas antenas em que o terra faz parte da formação desses campos, como a "long wire" que usa o solo como elemento formador de campo (contrapeso). Nesses casos, a forma e a localização do terra são importantes devido à natural circulação de corrente neles. O eletrodo até pode ser substituídos por fios sobre o solo para a formação dos campos reativos necessários para o funcionamento destes tipos de antena. Mas eu recomendo evitar estas antenas até ter maior experiência no assunto.

      Há, ainda, o caso em que a sua antena, mesmo as balanceadas, acumula condições (a serem vistas à frente) que propiciam a geração de retorno de RF para a sua estação, ou ela (a antena) está muito próxima da estação. Em ambos os casos pode haver circulação de corrente de RF pelos cabos da estação (incluindo o de aterramento). E, neste caso, ainda é possível o aparecimento de pontos de maior tensão de RF que, para maiores potências, podem até causar um desconforto (uma espécie de choque) ao se tocar em partes metálicas dos equipamentos como nos microfones metálicos. 

      A circulação de corrente nos cabos dos equipamentos pode gerar instabilidades e distorções durante a transmissão. Nestes casos, o aterramento pura e simplesmente não será a solução, dado que poderá não eliminar as correntes nem as tensões de RF por causa do comprimento do cabo de aterramento. Assim sendo, a solução é procurar garantir que todos os equipamentos da sua estação tenham um mesmo potencial de RF para reduzir a circulação de corrente nos cabos de interligação destes equipamentos e as suas consequências. E, para isso, alguns recursos são necessários como redução do tamanho dos cabos, a forma como são dispostos e o estabelecimento de uma referência local de baixa impedância para RF, como uma chapa metálica sobre a qual se distribui os equipamentos e cabos o mais próximo possível para confinar campos. Ou seja, em grande parte dos casos (há exceções!) uma haste de aterramento não resolverá um problema de retorno de RF.  Tudo isso será visto à frente em mais detalhes adiante, mas já podemos ter uma ideia de como o assunto é vasto e muito dependente da aplicação específica.

 4)      A minha estação precisa do aterramento?

a)  A sua estação, como toda a sua residência, precisa do terra de proteção conectado ao terceiro pino das tomadas para a proteção pessoal contra choques elétricos, e para auxiliar na proteção de todos os dispositivos e equipamentos ligados à instalação elétrica contra queimas e até incêndios. Digo auxiliar porque, no caso da presença de surtos de linha gerados por quedas de raio nas redondezas, além do terceiro pino, há a necessidade de protetores tipo DPS (Dispositivos de Proteção contra Surtos). 

ATERRAMENTO PARA RF

 

5)      A minha estação precisa de um aterramento para RF?

a) Primeiramente, pelo exposto no item acima, é difícil (às vezes impossível, dependendo da frequência de operação) se obter um bom aterramento de RF com base em um eletrodo enterrado a certa distância da estação (mais do que um quarto de onda da frequência de operação), principalmente se a sua estação não estiver no térreo, rente ao solo. O que podemos ter, conforme exposto acima, é uma configuração de "aterramento local" dos equipamentos na estação que: i) desvie o máximo possível as correntes de retorno (através do Painel de Aterramento Centralizado) e ii)reduza a diferença de potencial entre os equipamentos que compõem a estação (barra ou chapa de aterramento local). Quando eu falo em "aterramento local" eu me atenho muito mais à forma como os equipamentos e cabos são vinculados a uma referência de terra na estação do que a existência de um eletrodo de aterramento distante, que possivelmente não conseguirá apresentar uma impedância baixa de aterramento para as frequências de operação. Veremos como é feito esse arranjo adequado de conexões de aterramento adiante.

b) Outro aspecto importante é que, como a função do terra de RF seria o de se apresentar como um ponto de "absorção" das correntes induzidas ou de retorno de RF, teoricamente a minha estação NÃO precisa deste tipo de terra se não houver essas correntes indesejadas. E as correntes de RF podem ser reduzidas com determinados cuidados adicionais, conforme será visto à frente. 

c) Além do retorno de RF, outra causa de presença de correntes de RF induzidas na estação é a antena estar muito próxima do shack (pelo menos um ou dois comprimentos de onda). Isso também depende do tipo de edificação do shack. Sendo assim, outro cuidado a ser dispensado é evitar excessiva proximidade da antena à estação para reduzir a indução direta de correntes nos cabos dentro da estação, especialmente com potências maiores!

d)  Existem antenas como a “long wire”, windom etc, que precisam de um aterramento adicional com um eletrodo enterrado porque elas injetam corrente/tensão diretamente no solo. Mas, mesmo assim, esse aterramento com eletrodo pode ser complementado ou mesmo substituído, com vantagens, por um “contrapeso” que nada mais é do que um ou vários fios esticados sobre o solo (melhor, ainda, acima dele pelo menos uns 15 cm para reduzir as perdas no solo!). A função destes condutores, que devem ter comprimento apropriado à faixa empregada, é permitir a formação das correntes e tensões necessárias à geração dos campos elétricos e magnéticos que formarão o campo eletromagnético de radiação.   PORÉM são antenas mais problemáticas se próximas da estação. O uso deste tipo de antena requer cuidados especiais na posição do aterramento da antena em relação à estação.

CONCLUSÃO: 

No lugar de um aterramento de RF problemático baseado em uma haste, a minha estação precisa de cuidados especiais como: (i)antenas que não gerem retornos de RF excessivos, (ii)o arranjo de cabos da estação com seus protetores/filtros em uma Placa de Aterramento Centralizado, e (iii)conexões de terra a placas ou barras metálicas estrategicamente posicionadas na estação para oferecer uma referência de terra que reduza a interação de possíveis correntes de retorno.  Isto, junto com o terceiro pino na instalação elétrica da estação.

6)      O aterramento (com eletrodo enterrado) melhora a eficiência da estação?

 a)       O aterramento pode melhorar a eficiência em determinadas situações, porém essa eficiência de transmissão e recepção (possibilidade de captação de ruído, geração de interferência, instabilidades devido a retorno de RF na transmissão etc) depende de um conjunto de outros cuidados adicionais que devem ser tomados (veja adiante). 

Mas lembre-se que o aterramento através do terceiro pino na instalação elétrica é importante para a proteção do operador e equipamentos da estação.

  

7)      Quais são esses cuidados adicionais?

 a)   Além de um bom conjunto rádio/antena, a qualidade de transmissão e recepção da estação dependerá de:

i)        Para evitar o retorno de RF na transmissão ou minimizar o seu efeito:

(1)    Evitar antenas que não sejam balanceadas como as dipolos alimentadas fora do centro (se optar por alguma antena desbalanceada, como a própria vertical, tome cuidados adicionais, como usar balun de corrente dentre outros);

(2)    Procurar manter a simetria da antena, com a linha de transmissão perpendicular à antena pelo menos nos primeiros 1/8 de onda a partir do centro da antena (preferível ao longo de ½ onda, se a linha for mais longa);

(3)    Usar um (ou mais)  balun  de corrente;

(4)    Passar todos os cabos e circuitos que interligam a estação ao mundo exterior (cabos de antenas, alimentação AC, controles de rotor, cabos de rede etc) por um Painel de Aterramento Centralizado devidamente posicionado na estação.

(5) Interligar localmente os terras de todos os equipamentos de sua estação através de uma barra de aterramento o mais próximo possível deles, ou use, se possível, a Placa de Referência de Terra de RF conforme veremos a frente. Interligar diretamente os gabinetes metálicos dos equipamentos entre si através de conexões curtas e largas é muito pouco prático na movimentação deles (por isso ninguém cita ou faz isso!), mas eletricamente é muito bom. 

 ii)      Para reduzir a injeção de ruído pelo cabo coaxial (além de todos os cuidados anteriores):

(1)   Usar um ou mais baluns de corrente (Chokes de RF) 

(2)  Usar cabos e conectores de boa qualidade;

(2)    Enterrar os cabos sempre que possível ou usar eletrodutos metálicos devidamente aterrados nas extremidades (isto também reduz o retorno de RF na transmissão);

 Para detalhes sobre estes cuidados vide os vídeos sobre “Aterramento e Proteção” (LABRE-SP) 

( https://www.youtube.com/watch?v=rEs68fXt1DU  e 

https://www.youtube.com/watch?v=qojkVoik8R8&t=645s ), 

e “Ruído e Mitigação” ( https://www.youtube.com/watch?v=IGMRjD6WBDI ). 

Você pode encontrar estes links também no blog  www.py1dpu.blogspot.com.br  ;

TERRA DE PROTEÇÃO (TERCEIRO PINO)

 

8)  Eu posso usar o neutro como terra de proteção?

 a)       Nunca, por diversos motivos, dentre os quais, prejuízo na sua proteção contra curto ou fuga da fase no caso do uso de relés tipo DR (diferencial/residual) na instalação elétrica. Esses relés DR são disjuntores sensíveis a pequenas correntes (30 ou 60 mA) usados em locais sujeitos a fugas através de água como em cozinhas, banheiros, jardins etc. O terra de proteção é conectado ao neutro apenas na entrada da instalação elétrica por razões bem definidas na norma NBR5410. Ficaria longo explicar aqui. Para os interessados, sugiro o Portal www.eletricity.com.br ;

 

9)  Mas eu não tenho o terceiro pino, o que fazer?

 a)       Infelizmente, você terá que providenciar o terra de proteção, onde é ligado o terceiro pino de todas as tomadas na instalação elétrica. De acordo com a NBR5410, o terra de proteção (PE) é gerado no ponto de aterramento do neutro na entrada da instalação elétrica, segundo o sistema de aterramento TN-S. Neste sistema, o terra de proteção (logo, o terceiro pino) conecta-se ao neutro somente na entrada de alimentação! Não consegue isso? Veja a próxima pergunta/resposta.

 

10)  O que fazer quando se mora em um prédio antigo onde não é possível trazer o terra de proteção da entrada da alimentação elétrica até o meu apartamento junto com as fases e o neutro?

 a)       Esse é um problema muito comum no Brasil, onde é enorme o número de edificações antigas sem o terra de proteção na instalação elétrica original. A NBR5410 prevê um sistema de aterramento TN-C-S onde o condutor de neutro acumula as funções de neutro (retorno de corrente) e terra de proteção até um ponto onde é gerado o terra de proteção (PE). Esse ponto estaria dentro do painel de distribuição da sua residência, onde são conectados os fios de terra de proteção aos terceiros pinos das tomadas. Porém a última versão da norma não recomenda essa alternativa por razões relacionadas a interferências como, por exemplo, em sistemas eletrônicos que interliguem apartamentos distintos. Como você não pode ficar sem o terra de proteção por questões de segurança pessoal e patrimonial, recorra a uma empresa ou eletricista habilitado, que analisará as possibilidades de instalação do terra de proteção (terceiro pino) no seu caso e a devida justificativa de instalação no caso de ter que usar o sistema TN-C-S como única alternativa.

Para mais informações, existe um canal dedicado a instalações elétricas que achei muito bom  www.eletricity.com.br, que aborda especificamente esta questão de terceiro pino em prédios antigos:

vide:      (https://www.youtube.com/watch?v=9fuYv9ruoFo              e 

https://www.youtube.com/watch?v=uFv6lH1RhVY ).    São muito esclarecedores. 

 

PROTEÇÃO DOS EQUIPAMENTOS CONTRA OS SURTOS DE LINHA

 

11)  O terceiro pino protege o equipamento dos surtos de linha?

 a)      Não. O terceiro pino é necessário, mas não suficiente. Essa proteção é feita por meio de dispositivos de proteção contra surto, DPS. Apesar dos DPSs utilizarem varistores internamente, eles são muito mais apropriados e seguros do que usar diretamente varistores. Os varistores, sozinhos, podem aquecer e até explodir com o fim de vida. Já os DPS têm proteções internas contra a elevação excessiva de temperatura no fim de vida do varistor e desconecta-o automaticamente. 

b)   Existem vários tipos e capacidades de DPSs, e a forma eficiente de utilização em locais em que os surtos podem ser fortes é através do emprego de dois (ou mais) no mesmo circuito, mas com categorias diferentes. Cada categoria tem uma velocidade de atuação, uma capacidade de absorção e deixa passar um surto residual diferente. Quanto maior a energia absorvida, maior é  a tensão que escapa (chamada de tensão residual). E também mais lenta é a atuação do protetor. 

Por isso, uma proteção completa faz uso de duas ou três categorias ao longo do circuito a ser protegido. O de maior capacidade, por exemplo, seria instalado na entrada da instalação elétrica, enquanto um de média capacidade ficaria no painel de disjuntores. Junto dos equipamentos eletrônicos mais sensíveis ficam os protetores mais rápidos e de menor tensão residual, de forma a absorver a energia residual que escapou dos protetores anteriores, limitando o que segue para o equipamento a ser protegido. 

Devido à diferença de potência e velocidade de atuação entre as categorias de protetores, eles devem ser instalados a uma certa distância entre si (mínimo de 10m). Se ficarem muito juntos, na vinda de um surto de maior energia, o protetor menor e mais rápido atua antes do maior e pode absorver mais energia do que ele suporta, vindo a queimar. Quando a distância mínima é respeitada, a impedância resistiva e indutiva do condutor entre eles "segura" a energia absorvida pelo mais fraco, dando tempo para o mais forte atuar e absorver a maior parte da energia. 

c) No caso de uma estação que disponha de uma torre, os protetores da alimentação localizados na placa de aterramento centralizado devem ser de média capacidade ou mesmo alta. Isso acontece porque a descarga na torre gerará uma corrente alta pelas blindagens dos coaxiais e pela interligação do aterramento da torre e da placa de aterramento, e parte desta corrente tenderá a entrar na alimentação via DPSs e terra de proteção. A frequência e intensidade desta corrente e, portanto, a dissipação de energia dos DPSs nesta placa dependerão da altura da torre, da qualidade do aterramento do SPDA (aterramento das torres e aterramentos associados), exposição a raios do local etc. Isso é objeto de projeto com base nas normas NBR5410- "Instalações Elétricas de baixa Tensão" e NBR5419- "Proteção contra Descargas Atmosféricas". Há portais de fabricantes na internet bastante elucidativos sobre as regras de instalação dos DPS.

12) Filtro de linha protege o equipamento contra surtos de linha?

a) NÃO! A função do filtro de linha é atenuar os ruídos conduzidos pela linha sejam aqueles entre fase e neutro ou entre fase e fase (ruídos de modo diferencial), quanto os ruídos entre esses circuitos e o terra (ruídos de modo comum). Dentre outras coisas (como a capacidade de corrente e a tensão máxima suportada pelo filtro), um dado específico do filtro é a curva de atenuação do ruído em função da frequência. 

b) O ruído se caracteriza por um sinal indesejável em frequências muito acima da frequência industrial (50, 60 ou 400 Hz) que você esteja usando para suprir energia elétrica  para o seu equipamento. Em geral este ruído está presente de uma forma constante ou de longa duração.

c) Os surtos de linha se caracterizam por impulsos rápidos gerados na linha de alimentação a partir de descargas atmosféricas, manobras da rede elétrica ou comutação de cargas de grande potência na linha de alimentação. A largura dos impulsos pode variar de nanosegundos a milisegundos. Os ruídos, embora atrapalhem muito, não costumam ter grande tensão e energia,  enquanto os surtos podem ser de grande tensão (alguns milhares de volts) e de energia destrutiva. Inclusive podem queimar os filtros de linha! Por essa razão, devemos instalar supressores adequados antes dos filtros para protegê-los se esta linha for sujeito a surtos perigosos. 

ATERRAMENTO PARA PROTEÇÃO CONTRA DESCARGA ATMOSFÉRICA (Raios)

 

 Notas:

   (i) Quando se fala em Proteção contra Descargas Atmosféricas, devemos considerar dois tipos de proteção. Uma é evitar a incidência direta do raio em algo que se deseje proteger, como uma edificação (casa, prédio etc), pessoas, antenas etc. Outra preocupação é a proteção de equipamentos e sistemas (e consequentemente pessoas) conectados aos circuitos elétricos desta edificação como a alimentação elétrica, cabos ligados a antenas, linhas de comunicação etc. 

  (ii) A proteção contra a incidência direta é feita através de um conjunto de condutores elétricos especiais formado pelos captores (os "pára-raios"), suas descidas, interligações e aterramentos. O segundo é feito com um conjunto de cuidados envolvendo a forma como todos os circuitos elétricos são distribuídos na edificação, o uso de protetores e seus aterramentos.  E esse artigo se foca justamente nesta segunda parte.

  (iii) Todos esses aspectos estão cobertos pela extensa norma brasileira NBR5419, que deve ser seguida para a proteção das edificações e seus sistemas eletro-eletrônios internos. Conforme já alertado, as informações deste texto têm caráter apenas informativo para um entendimento básico, portanto muito distante do detalhamento necessário que dependerá de cada situação específica a ser trabalhada. 

  Observação: A proteção das antenas contra a incidência direta dos raios exige que o projeto do sistema de captores (pára-raios) garanta um volume de proteção dentro do qual a antena não seja atingida. Isso é impraticável para as antenas de HF pelas suas grandes dimensões assim como pela indesejável influência no funcionamento da antena pelos condutores metálicos formados pelos captores e suas descidas. Por sorte, a incidência direta na antena tem uma probabilidade bem menor do que a incidência nas cercanias, digamos, no raio de algumas centenas de metros, situação em que a indução direta sobre a estação e a rede elétrica pode causar surtos destruidores, cuja proteção é bem mais viável se as medidas corretas forem tomadas.

 13) Como é o aterramento para a proteção contra descarga atmosférica?

a)      Se a sua estação tem uma torre e está em região sujeita a raios, é importante que esta torre esteja bem aterrada para que a corrente do raio escoe majoritariamente por este aterramento, assim como cuidados devem ser tomados com o aterramento da edificação que receberá o cabo coaxial que vem da torre. Se for mais de uma torre, os seus aterramentos devem ser interligados e, preferencialmente, por cabos enterrados que também funcionam como eletrodos de aterramento. Tendo a edificação um sistema de proteção contra descargas atmosféricas, o aterramento deste sistema é integrado com os aterramentos das torres. E, conforme já dito antes, o aterramento elétrico da residência deve estar, sempre, interconectado a esse sistema de aterramento. O propósito será sempre reduzir diferenças de potencial entre quaisquer pontos de aterramento distintos do sistema integrado, sempre que um raio incidir nas torres ou captores do sistema de proteção. Isto também é válido para o caso de queda de raios nas proximidades.

 b)      Conforme já dito, os projetos de proteção contra descargas atmosféricas devem atender à norma NBR5419, e esta norma é particularmente útil para torres sobre prédios pelos diversos detalhes inerentes a essa condição, como a presença de captores, massas e condutores metálicos nas proximidades, o aterramento distante junto às fundações etc. Existem inúmeros outros detalhes importantes como bitola e tipo de cabo de aterramento, profundidades em que devem estar enterrados, distâncias entre eletrodos de aterramento, a forma de contato cabo/eletrodo, como o mecânico (que requer manutenção) ou o permanente por solda exotérmica etc. Aspectos como a corrosão galvânica devido à união de metais diferentes também devem ser levados em consideração.

14) Se eu não aterrar a minha torre eu diminuo a chance de ser atingida por um raio?

Isso NÃO é garantido! O canal ionizado que define o caminho que o raio tomará desde a nuvem até a sua torre é formado inicialmente por dois "mini raios", um que vem da nuvem para a terra (líder descendente) e um que sai de algum objeto no solo (a sua torre) em direção à nuvem (líder ascendente). Quando os dois se encontram por atração elétrica, forma-se o canal ionizado (o circuito entre a nuvem carregada e o solo), permitindo a descarga, com uma monumental potência, da  energia acumulada na nuvem. 

Ocorre que a corrente necessária para a formação do líder ascendente é muito menor do que a descarga do raio, significando que, mesmo que a torre não esteja aterrada, as impurezas do solo, umidade etc podem permitir a corrente necessária para formação deste líder ascendente que atrairá o raio para a torre. De fato, vemos árvores, que não são bons condutores aterrados, atraírem raios. Assim, é melhor garantir que, se a torre for atingida, o seu aterramento garantirá o escoamento seguro para o terra da corrente de um raio do que correr o risco dela atrair o raio, mesmo sem um franco aterramento, e a brutal corrente de descarga escolher o seu cabo coaxial para escoar a maior parte da energia inerente ao raio!

Como podem ver, o propósito deste artigo não é, absolutamente, substituir a norma NBR5419- Sistemas de Proteção contra Descargas Atmosféricas", norma extensa e cheia de detalhes. É só um artigo informativo.

 

Mesmo com um aterramento de qualidade e com os cuidados adicionais sugeridos aqui ou por qualquer outro artigo voltado ao radioamador, a única garantia de proteção pessoal ou dos equipamentos contra os possíveis efeitos de uma incidência direta de uma descarga atmosférica sobre torre ou antena é desconectando-se os cabos externos (todos: linhas de transmissão, cabos de controle de rotores etc) e deixando-os distante de equipamentos e pessoas (o ideal é deixar do lado de fora do shack). Somente sistemas profissionais, extremamente caros e com muitos detalhes técnicos de projeto podem garantir essa proteção às pessoas e equipamentos, o que está longe de ser o caso destas simples sugestões.

Uma consideração sobre a recomendação acima: Eu já li um colega americano muito respeitável tecnicamente e autor de portal de altíssimo nível dizer que é possível se ter uma estação imune à incidência direta de raios às antenas ou torres, a menos do natural prejuízo da antena se a incidência for direta nela. 

Para essa visão mais otimista, ele levou em consideração o histórico de sua própria estação que tem inúmeras torres espalhadas por uma grande extensão de terreno no entorno do seu shack. Segundo ele, dada a quantidade e altura de suas torres, frequentemente cai raios nelas (e antenas), nunca tendo tido uma queima de equipamentos no shack. 

Bem, além de o colega ter usado material de alta qualidade e em abundância na sua estação (muito cobre, tubulações metálicas aterradas e enterradas, além dos inúmeros filtros/supressores), a quantidade de torres, provavelmente muito bem aterradas, e a sua extensão de terreno fazem toda a diferença do caso do radioamador típico, mesmo daqueles mais cuidadosos.  

No caso do colega, o fato de existirem muitas torres distantes entre si obriga a longas interligações enterradas e intercaladas por inúmeras hastes, promovendo uma excepcional distribuição e absorção das correntes do raio.  E isso é muito diferente do caso médio de radioamadores que dispõem de um pequeno terreno com a sua torre perto da casa ou, pior, no alto de um prédio. Portanto, há que se entender que o caso do colega é uma exceção. Continuem com os cuidados  preventivos acima!

INFORMAÇÕES COMPLEMENTARES sobre ATERRAMENTO 

e Radiofrequência (RF)

15)      Mas, afinal, o que é o aterramento para RF?

a) O aterramento é a conexão a uma referência, geralmente o solo (ou uma estrutura metálica), com a finalidade de escoar algo que a gente não quer, como uma fuga do cabo de fase da alimentação, um retorno de RF ou a corrente de um raio. No caso do aterramento de RF, a expectativa é que o aterramento "escoe" as correntes de  RF geradas por retorno da antena ou indução direta, desviando-as dos cabos da estação.  Para tanto, a impedância do conjunto condutor e haste de aterramento deve ser baixo, o que não acontece em algumas frequências, conforme veremos adiante. Mostraremos, também, que esta referência de baixa impedância em RF não precisa ser o solo. Pode-se usar estruturas (chapas ou malhas metálicas) como referências locais de baixa impedância para o "escoamento" de correntes de RF longe do solo.

b)  Mas também há aterramentos para escoar algo que a gente quer, como as correntes e tensões geradas por uma antena "long wire" ao funcionar como o "contrapeso" dela. Neste caso o condutor, a haste e o solo (ou o contrapeso) fazem parte da geração dos campos eletromagnéticos gerados pela antena. E isso requer cuidados especiais na localização destes elementos em relação à estação.

c) O aterramento deve ser uma referência comum para todos os circuitos relacionados a essa referência. Ou seja, os circuitos ligados a essa referência devem “ver” 0V e as conexões terem uma impedância desprezível. Em RF isso é mais fácil em uma placa de circuito impresso multicamadas ao dedicarmos uma das camadas de cobre para essa referência, onde todos os pontos dos circuitos que precisarem se conectar a essa referência comum “verão” uma impedância desprezível entre pontos desta camada por se tratar de uma superfície que apresenta impedância muito inferior a um condutor de cobre.  Além disso a conexão fora da placa será bem curta, portanto não apresentando indutância significativa porque não há campo magnético significativo nesta conexão curta.

 d)   Em uma estação é muito diferente, pois uma corrente de RF (como a de retorno) em um cabo de aterramento que interligue qualquer ponto desta estação ao seu terra efetivo no solo gera campos elétricos e magnéticos que causam uma impedância que depende do seu comprimento e da frequência de trabalho.  E, por impedância, não me refiro só à indutância por unidade de comprimento do condutor (aquela que depende da sua espessura), mas à impedância que o condutor apresentará em presença de uma corrente estacionária sobre o mesmo. Sim, corrente estacionária pois, na presença de correntes de RF, o descasamento de impedância do cabo com o terra (ou qualquer outra interligação elétrica) provocará reflexões e ondas estacionárias que podem alterar significativamente a impedância que o cabo apresenta. Correntes de RF em cabos de aterramento ou nas blindagens dos coaxiais de interligação se comportam como as correntes na sua antena, gerando campos e se refletindo na presença de descasamentos de impedância. E, da mesma forma como na antena ou mesmo na linha de transmissão, a impedância apresentada na entrada de um cabo (um condutor único) depende do seu comprimento elétrico. Isso acontece porque o simples cabo de aterramento, quando percorrida por uma corrente de RF, na verdade é uma linha de transmissão unifilar, com retorno pelo solo ou ambiente elétrico no seu entorno! E, como gera campos elétricos e magnéticos entre ele e o solo, este cabo de aterramento age também como uma antena que transmite e recebe!

 e)  Exemplo: se operarmos em 14MHz (20m), um cabo de 5m (um quarto de onda) conectado a um terra perfeito (o que já não existe!) apresentará uma impedância alta no seu ponto de conexão, simplesmente “desaterrando” nesta frequência. 

 Em resumo:

Para RF, os cabos de aterramento funcionam como antenas (ou linhas de transmissão unifilares). Assim, mesmo que se tenha um eletrodo de aterramento de baixa impedância para RF, a eficiência do aterramento depende da impedância apresentada pelo cabo de interligação e, portanto, do seu tamanho, sendo tanto mais crítico quanto mais alta for a frequência. Portanto, o aterramento de RF é mais crítico nas faixas altas de RF e impraticável em UHF e VHF.

 f)  A título de exemplo, vejamos o que ocorre no caso descrito na figura abaixo, onde temos a estação mais simples que pode existir: rádio (alimentado por uma rede elétrica AC) e antena. O rádio está com o gabinete metálico aterrado a um eletrodo de aterramento enterrado.   

g)  Imaginemos que a linha de alimentação carrega uma corrente de ruído induzido por uma fonte próxima da linha em algum lugar. Essa corrente é de modo comum, ou seja, corre igualmente em ambos os fios da alimentação (fase/neutro ou fase/fase, condutor de terra de proteção PE etc), e é desviada para o gabinete pelos capacitores do filtro de entrada (todo bom equipamento tem um internamente). Do gabinete, as correntes de modo comum que vêm da alimentação podem passar para a blindagem do cabo coaxial, correndo externamente. Se não existir um balun de corrente que apresente uma impedância alta para a antena (do inglês, "Choke", ou obstáculo) esta corrente de ruído vindo pela blindagem poderá gerar uma tensão  significativa de ruído que se soma ao sinal captado pela antena (modo diferencial). Isso dependerá do desbalanceamento da antena e sua assimetria em relação ao cabo coaxial, assim como do comprimento do cabo coaxial, dentre outros fatores.

 h)  Mas neste exemplo também existe um caminho dessa corrente de modo comum para o aterramento, a partir do gabinete do rádio.

 i)  É útil notar que, como as correntes de modo comum estão em ambos os fios da alimentação e na mesma direção, podemos representar esta linha de alimentação por um único fio por onde passa a corrente total de modo comum. Da mesma forma podemos representar o próprio cabo coaxial por um único fio por onde passa a corrente externa da blindagem (modo comum). O aterramento já é com um fio único. 

j)  Esses fios únicos funcionam, cada qual, como uma linha de transmissão por onde passam as respectivas correntes de modo comum.  Na figura abaixo encontramos essas linhas, representando o circuito de alimentação, o coaxial e o cabo aterrando este rádio. O nó onde se encontram todos esses condutores representa o gabinete do rádio, que os conecta entre si em um curto circuito. Lembre-se que, como já dito, há capacitores no filtro de entrada da alimentação que existem justamente para desviar para o gabinete as correntes de modo comum dessa entrada. Por isso consideramos que, para o ruído, o circuito de alimentação também está em curto com o gabinete. 

k) Suponha-se, neste exemplo, que a antena esteja bastante desbalanceada. Assim, uma corrente de ruído em modo comum na blindagem do cabo que atinja a antena gerará ruído na recepção porque injetará uma corrente em apenas um dos braços.  

 

l)    Como o rádio está aterrado,  o aterramento desviaria, a princípio, essa corrente do nó para o terra, reduzindo a corrente que segue para a antena pelo cabo e, consequentemente, a injeção nela do ruído induzido na alimentação. Entretanto, se o cabo de aterramento tem ¼  de comprimento de onda (ou múltiplos ímpares), mesmo que o terra fosse perfeito (0 ohm) o cabo de aterramento refletirá uma alta impedância de modo comum, provavelmente superior à impedância apresentada pelo cabo coaxial da antena. Como a divisão de correntes é proporcional ao inverso das impedâncias no nó (gabinete) o escoamento do ruído para terra fica prejudicado, permitindo o ingresso de boa parte da corrente que vem da alimentação ao coaxial e antena. 

m)   Daí, também, a importância de se usar cabos de baixa indutância distribuída para o aterramento (preferível fitas de cobre), para que a baixa indutância do cabo por comprimento (e a alta capacitância do cabo por comprimento) gere uma impedância característica baixa e reduza o descasamento com o eletrodo de aterramento. Isso na hipótese do eletrodo de aterramento ter uma baixa impedância para RF!

Ou seja, em RF, a efetividade do aterramento dependerá muito dos comprimentos dos cabos envolvidos na instalação, podendo o terra (eletrodo) funcionar, ou não, em questões como a redução do ruído na recepção ou redução do retorno de RF na transmissão. No entanto, se tivermos um arranjo especial dos cabos e circuitos que entram ou saem da estação passando por um Painel de Aterramento Centralizado, como veremos adiante, e uma interligação local adequada dos aterramentos dos equipamentos na estação para se criar uma referência de baixa impedância (veja próximo item), essas deficiências naturais de um aterramento de RF na forma de um eletrodo enterrado deverão ser suficientemente compensadas.

 

16)  E se eu estiver com problemas de RF na estação, mas não tiver como ter um eletrodo enterrado bem próximo à estação para funcionar como terra de RF de baixa impedância, o que eu posso fazer?

 a) Se você tem problemas de RF na estação como instabilidades na transmissão, travamento de PC interligado ao rádio etc é porque está havendo circulação de correntes de modo comum em cabos de interconexões de sinais mais sensíveis como sinais de áudio e outros sinais digitais muito comuns nos rádios modernos, PCs etc. A partir disto, conclui-se que para resolver esse problema podemos reduzir a circulação das correntes de RF na estação e/ou reduzir a sensibilidade da estação a estas correntes, conforme detalharemos abaixo. 

Mas, atenção, certas instabilidades durante a transmissão, apesar de típicas de retorno de RF, podem ter origem em problemas na alimentação DC em 13,8V (comum e erradamente referido como 12V). Deficiências nos cabos de alimentação, suportes de fusíveis, fontes de alimentação inadequadas ou mesmo operação com baterias de 12V podem resultar em tensões abaixo do limite mínimo da tensão de alimentação (normalmente 10 a 15% abaixo da tensão nominal de 13,8V) justamente nos picos de modulação. Dependendo de cada equipamento e do quanto a alimentação cai nestes picos, o áudio transmitido pode apresentar distorção. Ou seja, certifique-se de que a sua instabilidade durante a transmissão é, de fato, um problema de RF.

b) A redução da circulação de correntes nos cabos da estação se dá de várias formas: 

-Reduzindo-se o retorno de RF da sua antena. 

-Desviando-se esse retorno de RF através de um "aterramento centralizado em uma placa metálica" antes da linha de transmissão efetivamente chegar no seu rádio. A eficiência deste recurso também pode depender da frequência de operação, mas é sempre útil e recomendado para o caso de desvios de induções de surtos devido a descargas atmosféricas próximas e diretas! 

-Aumentando-se a impedância às correntes de modo comum nos cabos sensíveis que interligam os equipamentos (e alimentações) através de ferrites. Apesar de ser eficiente em várias situações, esse recurso não é milagroso e requer o conhecimento sobre os tipos de ferrites mais adequados para as frequências de operação.

Há, ainda, uma forma de se desviar do transmissor (e dos equipamentos a ele ligados) as correntes de retorno através de um contrapeso junto ao equipamento que manda o sinal para a antena (transmissor, amplificador linear, o antena tuner, ou a placa de aterramento centralizado). Esse contrapeso pode ser formado por um condutor de 1/4 de comprimento de onda para cada faixa de operação. Ele se apresenta como um radial ressonante, com impedância relativamente baixa no ponto de ligação ao terra, "puxando para si as correntes de retorno". Devido a este fato, há quem o considere um "terra de RF". Isso também pode ser feito com um circuito LC para ressonar um cabo de tamanho arbitrário, simulando o contrapeso de um quarto de onda. Nesse caso trata-se do famoso "sintonizador de terra". 

A utilização  de um contrapeso junto da estação, quer seja com um radial de comprimento ressonante ou sintonizado por circuito LC, é um recurso polêmico pelas suas consequências, pois expõe o operador a campos de RF, já que um contrapeso produz campos elétricos e magnéticos reativos próximos. Ele pode vir a funcionar porque, mesmo gerando campos elétricos e magnéticos na estação, ele desloca os campos originalmente interferentes causados pelo retorno de RF, podendo reduzir correntes em cabos sensíveis.   É um tremendo quebra galho que, às vezes, até funciona bem. Além disso o contrapeso apresenta a maior tensão em sua extremidade, podendo alcançar valores perigosos. Também é mais um elemento que requer sintonia se usar o circuito LC. Enfim, o melhor é não depender de um.

c) Finalmente, se as correntes são induzidas diretamente pela antena transmissora por excessiva proximidade com a estação (menos de dois comprimentos de onda, p.ex.), o recurso óbvio a ser tentado é o afastamento da antena. A redução de potência também deverá ajudar, mas o afastamento é bastante eficiente pois os campos reativos próximos da antena caem muito acentuadamente com o afastamento dela. 

 d) A REDUÇÃO DA sensibilidade da estação às correntes de RF pode ser obtida basicamente blindando ou melhorando a qualidade da blindagem de cabos críticos (aqueles de sinais sensíveis) como os cabos entre o rádio e um PC (o cabo de USB, por exemplo). Uma forma muito eficiente é recorrer, quando possível, à isolação elétrica destas interligações com sinais sensíveis. Geralmente resolve o problema de imediato quando identificada qual a interligação é crítica, sendo a porta de entrada para a interferência. Essa isolação pode ser feita por transformadores (áudio, por exemplo) ou isolamento ótico (sinais digitais), mas pode requerer acessórios mais difíceis de serem encontrados.

e) Um outro recurso para se reduzir a sensibilidade da estação é reduzindo-se os loops de captação dos campos magnéticos criados pelas correntes de retorno ou pela proximidade da antena transmissora. Isso implica na redução dos comprimentos de todos os cabos que interligam os vários equipamentos da estação, e melhorar o arranjo dos cabos de forma a ficarem mais juntos. A título de exemplo, vemos na figura abaixo quatro equipamentos interligados por cabos longos de sinais e conexões de aterramento, que formam grandes loops. 

i) Esses loops captam campos de RF gerando correntes que podem percorrer, inclusive, as interligações de 0V nos sinais. Isso pode acontecer também a partir de correntes de retorno para a estação (correntes de retorno e captação de campos andam juntos!). Como todos os sinais são referenciados ao 0V das fontes, que por sua vez são conectados ao gabinete e aos aterramentos, essas correntes e tensões podem interferir nos sinais mais sensíveis que fluem entre os equipamentos. Vai depender do tipo de cabo de interligação (se blindados de boa qualidade etc). Mas, mesmo com bons cabos, certos equipamentos podem acoplar ruído a partir das correntes de blindagem que chegam ao conector por uma deficiência de projeto ou gabinete (isso é mais fácil de acontecer em computadores tipo "desktop"). Portanto, é sempre bom a redução das correntes nos loops, reduzindo-se os loops. 

Mas também é importante se reduzir a impedância entre os pontos de aterramento dos equipamentos. É o que acontece na figura abaixo onde o aterramento é feito diretamente a uma barra mais larga ou um "Plano de Referência de Terra de RF" (melhor ainda!), através de condutores curtos, reduzindo a diferença de potencial entre pontos de aterramento se percorridos por alguma corrente. E os cabos de sinal foram encurtados e mantidos próximos entre si para a redução dos loops formados entre eles, incluindo os condutores de aterramento.

17) O que é e como funciona este "Plano de Referência de Terra de RF"? 

a) O Plano de Referência de Terra de RF (vamos chamar assim para não confundir com o "Plano Terra" das antenas verticais) é realizado por uma chapa metálica na bancada/mesa onde se encontram os equipamentos da estação, sobre a qual serão colocados e aterrados todos estes equipamentos. Conforme dito acima, a sua função é apresentar uma interconexão de baixa impedância para os aterramentos de todos os equipamentos, mantendo todos os equipamentos em (aproximadamente) um mesmo potencial. 

b) A figura abaixo repete o caso das figuras acima onde mostramos as vantagens de se encurtar cabos e reduzir os loops. Porém, para mostrarmos os benefícios da "placa de referência de terra de RF", detalhamos melhor o caso acima ao mostrar uma estação típica com transceptor, fonte, linear, antena tuner, computador e todas as interligações entre estes dispositivos, mesmo usando a placa de aterramento centralizado. Observa-se vários loops formados por todas as interligações, e não apenas pelas interligações do aterramento dos equipamentos. 

É um erro considerar apenas os loops formados pelos cabos de aterramento (os famosos e temidos loops de terra!) na análise de problemas de interferências e instabilidades. Devemos reconhecer que, além dos cabos de aterramento (aqueles que você usa para aterrar cada gabinete) todas as blindagens dos cabos coaxiais e os condutores de terra de proteção (terceiros pinos) em todas as entradas AC dos equipamentos são interconectados às respectivas carcaças metálicas, formando loops. E, pior, todas as interligações de sinal interligam os terras de sinal de cada equipamento e podem ser caminhos de correntes de interferência!  E, no caso do terceiro pino das tomadas, não adianta nem "levantá-lo". Isso pode funcionar muito bem em áudio, mas para RF, a própria capacitância entre os fios no cabo de alimentação permite a passagem da corrente de modo comum do fio terra para os fios de fase e neutro. Além disso, os filtros de linha que os bons equipamentos têm nas entradas de AC conectam as carcaças aos fios de fase e terra através das capacitâncias de modo comum. 

Ou seja, em RF, todos os cabos que interligam todos os equipamentos podem fazer parte de loops que captam campos ou são sujeitos à correntes de retorno de RF e deveriam ser considerados no projeto da estação e seu aterramento, e não apenas os "loops de terra" que, em áudio, podem ser um real problema!

Nota: na figura eu representei apenas quatro loops dos vários existentes nesta configuração.

d) A presença de uma chapa metálica atuando como plano de referência de terra, onde os gabinetes metálicos são aterrados diretamente a ele e todos os cabos entre equipamentos são curtos e próximos à essa chapa, reduzirá substancialmente as induções de corrente nos cabos, produzidas por campos de antenas próximas ou retorno de RF e, consequentemente, as diferenças de potencial entre estes gabinetes e seus circuitos de interligação. Repetindo: isso acontece devido à redução das áreas dos loops formados entre todos os cabos e a redução da impedância entre os pontos de aterramento na placa metálica. 

A figura abaixo mostra um arranjo típico de equipamentos sobre uma placa metálica representando um Plano de Referência de Terra, com as ligações de aterramento bem curtas. São arranjos ("set up", em inglês) utilizados em ensaios de Compatibilidade Eletromagnética em equipamentos, de acordo com normas internacionais, para reduzir as interferências entre os equipamentos e cabos no arranjo que poderiam influenciar nos resultados das medições. Para os ensaios em laboratórios isso garante "repetibilidade" dos resultados em qualquer laboratório no mundo. Para nós, melhora a estabilidade da estação, diminuindo sua sensibilidade a correntes de retorno e induções diretas.

e) E , no nosso caso de estação de radio, esta chapa tem outra vantagem devido à grande capacitância dela se considerarmos altas frequências. A alta capacitância da chapa gera um campo elétrico para "o exterior", incluindo o solo, que permite uma baixa impedância de RF, absorvendo correntes de modo comum como aquela induzida no circuito da alimentação AC mostrada no exemplo do rádio/antena acima. Naquele exemplo, no nó representado pelo gabinete do rádio onde correntes convergem e saem, passamos a ter uma quarta ligação que é a conexão com essa chapa larga. Como ela apresenta uma impedância relativamente baixa para as frequências altas, ela poderá drenar grande parte desta corrente de ruído como um capacitor para a terra e outras massas metálicas próximas (a corrente drenada se transforma em "corrente de deslocamento" presente no campo elétrico gerado, mas isso é papo de eletromagnetismo!). 

f) Essa placa metálica, idealmente, deveria cobrir toda a bancada, mas use o que for possível. Ela pode ser de cobre, alumínio ou até aço galvanizado, e os aterramentos devem ser feitos com condutores os mais curtos e largos possível, podendo ser aparafusado diretamente na chapa na parte do fundo. Se achar conveniente e seguro (para evitar curtos com fios energizados), ela pode ser revestida de algum material isolante que também dê algum acabamento mais decorativo.

g)  Essa técnica de utilização de plano de terra de referência é empregada em locais onde se concentra muita eletrônica sensível a interferências originadas de transmissores próximos, descargas atmosféricas próximas ou na própria edificação (devidamente protegida). Normalmente são estabelecidos nos pisos do recinto através de malhas ou chapas em pisos suspensos especiais para prover a sustentação mecânica junto com esta referência elétrica. Vide figura abaixo. 

 

h) Esse plano terra pode ser feito com malha metálica, desde que os condutores da malha tenham uma boa continuidade elétrica entre eles em toda a sua extensão (p.ex. que sejam soldados) e a distância entre os condutores paralelos seja "bem inferior" a um quarto de onda da maior frequência de operação de uma estação (ou da interferência a ser evitada em outro sistema). Um décimo de um quarto de onda pode ser considerado "bem inferior", ou seja, uma distância adequada entre condutores.

i)   Soluções mais eficientes para sistemas sensíveis passam pelo fechamento das laterais até chegar à solução mais completa que é a gaiola de faraday, usada para os sistemas de alta responsabilidade e sensibilidade como as ERBs de celulares e os sistemas de radar em altos de morros. Salienta-se que, nesses casos, as antenas têm pequenas dimensões e se encontram dentro do volume de proteção de um sistema de proteção contra descargas atmosféricas (SPDA), evitando-se a incidência direta dos raios nas antenas. Para as nossas antenas de HF isso é quase que inviável, principalmente nas faixas baixas.

É importante repetir que nem sempre é necessário se ter uma bancada com essa chapa metálica.  É apenas mais um recurso para a dessensibilização da estação às correntes de RF. 

Veja o artigo "Plano de Referência de Terra de RF: Como funciona, dicas de implementação e resultados" em https://py1dpu.blogspot.com/p/plano-de-referencia-de-terra-de-rf-como.html ;

Se não  puder ou quiser usar o Plano de Referência de Terra, então use pelo menos uma barra/tira metálica bem próxima aos equipamentos que permita o aterramento deles por condutores curtos e largos, além de um rearranjo dos cabos da estação, encurtando-os e reduzindo os loops pode ser suficiente. Não é tão bom, mas em grande parte das estações será suficiente junto com outros cuidados citados aqui. De toda a forma, é sempre bom repetir que você deve evitar a circulação de correntes de RF na sua estação para não ficar dependente de um “aterramento para RF”.

17)    Como evitar a circulação de correntes de RF dentro do shack?

 a)       As correntes de RF na estação são normalmente causadas pela antena. Ou porque a antena está muito próxima da estação, induzindo correntes diretamente nos seus cabos, ou porque está muito desbalanceada, injetando correntes de RF pela blindagem externa de volta para a estação. Estas correntes são estacionárias e causam uma distribuição de tensões e correntes ao longo da linha de transmissão, passando pela estação e seguindo por outros cabos, quaisquer que sejam eles como, por exemplo, nas linhas de alimentação AC que chegam à estação ou o cabo de aterramento. Estas correntes de retorno vão diminuindo com a distância devido às naturais perdas ao longo dos cabos.

 b)      Com uma antena bem balanceada (as dipolos devem ser alimentadas no meio), com a linha de transmissão perpendicular à antena, e usando um balun de corrente, você não deverá ter retorno de RF significativo na transmissão. O assunto balanceamento da antena poderá ser visto na segunda parte do vídeo sobre aterramento na TV LABRE (https://www.youtube.com/watch?v=qojkVoik8R8&t=645s). Também é recomendável não ter a antena muito pertinho da estação para evitar a indução direta nos cabos.

 d)      Mas, mesmo que você tenha uma interligação de terra dos equipamentos da sua estação através de uma barra de terra ou o Plano de Referência de Terra de RF, é sempre recomendável usar um "Painel de Aterramento Centralizado", pois são recursos complementares: uma referência de terra de RF local eficiente reduz as correntes entre os equipamentos pelos motivos descritos acima, enquanto o aterramento centralizado desvia da estação as correntes de modo comum provenientes dos cabos externos, principalmente os gerados pelas descargas atmosféricas próximas! 

e)   O "Painel de  Aterramento Centralizado" não é apenas um ponto onde se conecte os aterramentos de todos os equipamentos da estação, mas uma placa metálica aterrada (que chamamos de painel) por onde passam todos aqueles cabos que vem de fora do shack (e se ligam aos equipamentos). E, ao passar pelo painel metálico, todos os cabos coaxiais terão as suas blindagens conectadas a esse painel. Além disso, todos os circuitos que passam pela placa devem dispor de filtros e/ou supressores de surtos solidamente aterrados nesta placa que, por sua vez, é interligada da melhor forma possível ao terra disponível para a estação. 

f)    Entende-se “tudo o que vem de fora” como tudo mesmo: a entrada de alimentação do shack, as linhas de transmissão para as antenas, cabos de controle (de rotor, p.ex.), cabos de comunicação (telefone, rede/internet, CATV) etc. Enfim, qualquer condutor por onde possa estar chegando (ou saindo) correntes de modo comum (aquelas induzidas por campos externos de RF, vide palestra sobre aterramento).

Figura de uma estação usando o “Painel de Aterramento Centralizado”

18)  E qual é o princípio de funcionamento deste Painel de Aterramento Centralizado?

 a)       Com esta forma de concentrar em um único painel metálico todos os circuitos entre a estação e o exterior, e usar filtros, supressores a terra, além de aterrar as malhas dos cabos coaxiais, todas as correntes de modo comum em qualquer circuito externo que chegue ao shack devido a retorno de RF ou surto atmosférico passam, antes, pelo Painel de Aterramento Centralizado, que faz um curto circuito entre eles para essas correntes, conforme pode ser visto na figura abaixo. Assim, essas correntes formadas pela indução de campos externos tendem a circular  pelos cabos no lado de fora do shack. Elas não tendem a entrar desta placa para dentro porque verão uma impedância maior por aquele caminho (a corrente não tem por onde sair, a menos da capacitância dos gabinetes dos equipamentos que, em estações medianas, ainda apresentam uma impedância razoavelmente alta, pelo menos para as faixas baixas). Nota: se você usa um Plano de Referência de Terra de RF, realmente alguma corrente poderá ser absorvida por essa referência de terra em função de sua baixa impedância, porém sem criar problemas em função dos mecanismos já descritos do funcionamento deste tipo de aterramento. São atuações complementares e desejáveis por parte destas duas placas metálicas.

 

O benefício do uso da Painel de Aterramento Centralizado tende a acontecer independentemente do comprimento e impedância do cabo de aterramento que se liga a essa placa, principalmente para o desvio de surtos atmosféricos, mesmo que o aterramento seja limitado ao terceiro pino. Ainda assim, sempre ajuda uma menor impedância para terra. Sistemas profissionais usam chapas para essa conexão para a terra, buscando a redução da sua impedância (ou abrigam a estação em gaiolas de Faraday). Porém, como somos amadores, fazemos o que nos é possível.  

c)  Veja que, apesar de teoricamente se poder realizar as duas funções (Plano de Referência de Terra de RF e o Painel de Aterramento Centralizado) em uma mesma placa metálica, é recomendável ter essas duas placas separadas porque facilita a separação dos aterramentos de dois tipos de correntes: i)as correntes induzidas nos cabos dentro da estação e ii) as correntes provenientes dos cabos externos com os seus filtros e protetores. As correntes neste segundo caso são normalmente provenientes de retorno de RF e surtos impulsivos de descargas atmosféricas, portanto correntes mais fortes e que se deseja desviar da estação logo na sua entrada. 

19)      Para eu ter esse Painel de Aterramento Centralizado eu preciso ter o eletrodo de aterramento no terreno perto do meu shack?

i)       a)    Conforme dito acima, NÃO!   Se você mora em um apartamento, é possível que você só consiga ter exclusivamente o terra de proteção -terceiro pino- (pelo menos esse você deveria ter!)   Ainda assim é interessante ter este esquema de aterramento para que as correntes induzidas na antena, alimentação, ou qualquer cabo externo tenda a passar majoritariamente por fora da sua estação.

 b)       Mas lembre-se dos outros cuidados que ajudam no desempenho da sua estação: use antenas balanceadas, mantenha a linha de transmissão perpendicular à antena pelo menos nos primeiros 1/8 de onda a partir do centro da antena, use um balun de corrente na antena, providencie uma interligação local dos aterramentos dos equipamentos da sua estação (uma barra de aterramento ou, melhor, a Placa de Referência de Terra de RF) e use cabos de qualidade;

  

20)      Então não vale a pena ter um eletrodo de aterramento perto do meu shack?

 a)       Se você mora em uma casa e tem facilidade de acrescentar um eletrodo de aterramento perto do seu shack, sempre será uma vantagem (pelo menos nas faixas mais baixas) porque as correntes de modo comum que cheguem à placa de aterramento centralizado serão desviadas por um caminho mais curto para o terra, que é um destino comum para essas correntes (não é o único!). Caminho mais curto significa menos radiação, menos campos espúrios, menos problemas. 

b)      Conforme o exemplo acima de uma alimentação com correntes de modo comum induzidas por fontes de ruído, se você tiver um aterramento centralizado e um terra próximo dele, com baixa impedância, há uma boa chance deste ruído ser majoritariamente desviado para terra, reduzindo a corrente pelo coaxial até a antena (pelo menos nas faixas mais baixas onde os ruídos são mais intensos e as antenas menos simétricas pelo seu tamanho). Da mesma forma, no caso de retorno de RF na transmissão por desbalanceamento do conjunto antena/coaxial e falta de um balun de corrente, um terra próximo ajuda a manter menos correntes pela estação (pelo menos nas faixas mais baixas).

 c)   Se esse aterramento adicional vai beneficiar, ou não, só experimentando. Porém, repito que este aterramento deverá ser interligado ao terra de proteção (terceiro pino) do seu shack para evitar a queima de equipamentos (rádios, fontes etc) a partir da queda de raios nas proximidades (vide palestra sobre aterramento). Para quem usa a placa de aterramento centralizado, esta interligação deve ser feita nela, ao se conectar o PE diretamente nesta placa que, por sua vez, está conectado ao terra local. 

d)  Lembre-se que este aterramento centralizado ajuda bastante, principalmente no caso de descargas atmosféricas, mas pode ser insuficiente para mitigar problemas como ruído na recepção se os outros cuidados citados (vide item 6) não forem tomados. Aterramento não é “panaceia”, ou seja a solução de todos os males. Boas técnicas de aterramento são necessárias, mas podem não ser suficientes.  E lembre-se de que se pode ter uma excelente estação em um apartamento sem nenhum eletrodo de aterramento nas proximidades! Tudo depende do conjunto de cuidados tomados na sua construção.                  

  

REDUÇÃO DE RUÍDO NA RECEPÇÃO (complementação)

21)  Ruído vindo pela rede elétrica entra no rádio pela alimentação?

 a)       NÃO. O ruído que você ouve é exclusivamente resultado do sinal de modo diferencial (entre o vivo e a blindagem do cabo) que entra pelo conector de antena (pelo menos em um bom equipamento!). Se os sinais forem muito fortes podem aparecer, também, ruídos produzidos no rádio devido a não linearidades de circuitos internos.

 b)      Adicionalmente, todo o rádio de qualidade tem um excelente filtro de linha para filtrar os ruídos de modo diferencial (aquele que vem entre fase e neutro) da entrada de alimentação (AC ou DC) e desviar para o gabinete os ruídos de modo comum, ou seja, aquelas correntes e tensões que você mede entre fase e terra OU neutro e terra, conforme já explicado acima. Se o gabinete for bem projetado, essas correntes que passam pelo gabinete para outras portas, como a antena ou o aterramento, conforme já vimos anteriormente, não deverão induzir ruído internamente sujando a recepção.

 

21)  Então porque o rádio capta esses ruídos que chegam pela alimentação?

 a)       Conforme já dito, isso acontece quando o ruído prossegue pelo cabo coaxial até a antena, onde injeta sinal para dentro do cabo, de volta à entrada de antena do receptor. Isso dependerá das várias questões já descritas acima. O uso de um bom balun de corrente reduz essa injeção.

22) O aterramento resolve os problemas de ruído na recepção?

Pode até acontecer, mas não é nada garantido tendo em vista que o ruído que você recebe junto com o sinal útil também é um sinal na frequência da faixa de RF. E conforme já descrito acima, em RF temos dificuldades com a eficiência dos cabos de aterramento. Adicionalmente, também conforme relatado, o ruído na recepção depende de aspectos como o balanceamento da antena, tamanho dos cabos coaxiais, a qualidade deles e dos conectores, tamanhos e rota dos cabos de alimentação dentre outros fatores. Vale a pena dar uma olhada no vídeo: "Ruído e Mitigação" no link https://www.youtube.com/watch?v=IGMRjD6WBDI

  

VISTO TUDO ISSO, SEGUEM ALGUMAS DICAS QUE PODEM AJUDAR NO SEU ATERRAMENTO

Importante: a lista abaixo é um apanhado geral de dicas, mas a sua aplicação dependerá de cada situação específica e, certamente, de conhecimento bem mais aprofundado dada a complexidade do assunto. As normas técnicas e requisitos legais devem ser respeitados. Procure orientação profissional.

1) Providencie o terceiro pino (terra de proteção) na sua estação para te proteger de fugas de fase ou mesmo curto-circuitos;

2) Dê preferência para antenas balanceadas (antenas alimentadas no centro como as dipolos, direcionais etc);

 

3) Use um bom balun de corrente (“choke” de RF) na alimentação da antena.

 

4) Distância antena/shack: Evite posicionar a antena perto do shack para evitar a indução direta sobre os cabos da estação durante a transmissão (e atenção às distâncias ao público mantendo dentro dos limites definidos pela Anatel);

5) Monte a sua antena da forma mais simétrica (balanceada) possível em relação à descida, elementos metálicos próximos e ao solo, principalmente a seção mais próxima do ponto de alimentação;

6) Afaste antenas que funcionam com contrapeso: Se usar antena que necessite de contrapeso/aterramento (long wire etc), leve o sinal através de cabo coaxial até um acoplador mais distante da estação, de forma a que não haja radiação de campos próximos ao shack, induzindo correntes de RF em seus cabos. A saída deste acoplador se ligará à linha de transmissão unifilar e ao aterramento da antena. Não pode fazer isso? Então trabalhe com baixas potências com essa antena! 

7) Proteção com DPS: Lembre-se que o aterramento é necessário mas não suficiente para a proteção dos equipamentos no seu shack e residência no caso de descargas atmosféricas próximas (ou, pior, diretas). Em locais de maior risco (casas alimentadas diretamente por rede aérea em regiões de muitos raios) é importante a instalação de protetores na alimentação AC tipo DPS escalonados em categorias (DPS de maior capacidade junto ao quadro de disjuntores ou placa de aterramento centralizado, conjuntamente com um mais rápido junto da bancada da estação);

8) Usar o Painel de Aterramento Centralizado, onde são aterrados todos os cabos coaxiais, e se encontram os protetores e filtros de todos os circuitos entre a estação e o exterior (cabos de antenas, controles de rotores ou outros, alimentação elétrica AC, circuitos de comunicação, terra de proteção, terra local etc). Sim, se a região é sujeita a descargas atmosféricas, todos os circuitos que entram e saem da estação devem ter protetores contra surtos;

9) Aterramento dentro do shack: Interligar localmente na estação os aterramentos de todos os equipamentos que a compõem (rádios, computadores, lineares, acopladores etc) com condutores bem curtos a uma barra de aterramento bem próxima, ou usar a placa de referência de terra de RF na qual igualmente se deve aterrar todos os equipamentos da estação com condutores bem curtos.

10) Redução de loops internos: Mantenha o mais curto possível todos os cabos de interligação dos elementos que formam a estação, procurando juntá-los. Assim, você reduz as áreas dos loops formados por esses cabos, reduzindo a indução de correntes a partir da presença de campos de RF (sejam elétricos, magnéticos ou eletromagnéticos). Se usar a placa de referência de terra de RF, manter estes cabos de interligação rente à placa também reduz a área dos loops formados com os cabos, reduzindo a indução de correntes neles.

11) Alimentação AC na estação e ruído de 60Hz: Alimente todos os equipamentos da sua estação a partir da mesma fase do circuito AC para evitar interferências e ruídos de 60Hz e harmônicos sobre sinais desbalanceados de baixo nível, como áudio e dados, que circulem entre módulos da sua estação (interligação entre rádio e PC por ex.). Essas interferências podem ser causadas por diferenças de potencial nos terras (carcaças) dos equipamentos a partir dos picos de corrente das fontes de alimentação chaveadas (entrada com ponte de retificadores e capacitor de filtro). Se todos os equipamentos monofásicos forem alimentados pela mesma fase, existirá uma tendência de todos os gabinetes subirem o mesmo potencial. Lembrem-se que, normalmente, o terceiro pino dos equipamentos com gabinetes metálicos são conectados com o 0V dos circuitos internos. No seu rádio isso é óbvio pois a saída de RF através do cabo coaxial tem a blindagem (0V da fonte) conectado ao gabinete. O mesmo vale para osciloscópios, geradores de sinais, fontes, PCs com gabinete metálicos etc. Teste você mesmo com um ohmímetro!

 

Adicionalmente, a interligação dos terras (carcaças) destes equipamentos com um cabo curto e largo reduz essa interferência pela equipotencialização dos gabinetes.

12) Acoplamento de ruído via linha de transmissão: Se você usa antenas especiais para melhorar a sua recepção, cuide da indução e acoplamento de ruído através da linha de transmissão, principalmente se a antena tem baixo ganho e não tem pré-amplificador, ou tem mas não está junto da antena (o indicado neste tipo de antena é estar junto da antena). Para tanto, empregue linhas de transmissão de qualidade e, se possível, enterre a seção horizontal. Melhor ainda se utilizar um tubo metálico enterrado e aterrado nas extremidades. A continuidade elétrica das emendas é importante e deve ser garantido até a placa de aterramento centralizado na entrada da estação. 

13) Torres devem ser bem aterradas com interligação com o aterramento da edificação (vide NBR 5419-“Proteção contra descarga atmosférica”). Se ela for estaiada com cabos de aço, aproveite para aterrar os estais, melhorando o aterramento da torre e reduzindo bastante a indução sobre os cabos de descida. Se os estais forem isolados, use centelhadores a ar em cada isolador para evitar a sua possível destruição; 

14) Cabos coaxiais devem ter as suas blindagens conectadas à torre tanto na parte alta quanto na base da torre (o mais rente ao solo possível) para que a diferença de potencial que aparece ao longo da impedância da torre no momento da passagem da corrente do raio não prejudique o cabo. Isso também reduz a injeção de corrente na blindagem do cabo coaxial que segue para a sua estação.

15) A melhor descida dos cabos ao longo de uma torre é ao longo do eixo central da torre, onde o campo magnético gerado pelo raio tende a ser mínimo. Se for possível passar por dentro de um tubo metálico aterrado nas extremidades, melhor ainda. Se nada disso for possível e a sua torre usar treliças na seção vertical, dê preferência por passar os cabos pelo lado de dentro da treliça para se valer, de alguma forma, do efeito da blindagem do aço. Se as barras da torre forem de formato circular (tubos), procure passar pelo lado de dentro para reduzir a indução sobre o cabo. A corrente do raio que desce pelas pernas procurará a parte externa por ser uma corrente impulsiva, e isso reduz a indução sobre o cabo.

 16) Distância entre hastes de aterramento: Hastes verticais de aterramento em paralelo devem manter distância mínima entre elas igual ao dobro do comprimento de cada haste, de forma a evitar a superposição excessiva dos seus campos no solo e consequente prejuízo na formação das correntes no terreno. A grosso modo, pode-se dizer que a resistência do aterramento equivale à associação das resistências de cada eletrodo apenas quando essa distância mínima é respeitada. Associação de eletrodos mais próximos do que a distância limite apresentarão uma resistência de aterramento total superior, o que representa um desperdício de cobre, tempo e dinheiro.

17) Manutenção do aterramento: É importante que sejam mantidos, ao longo do tempo, a qualidade dos contatos elétricos entre as hastes verticais e o cabo de cobre que os une (cabo nú enterrado para ajudar no contato com o solo). Para tanto, se forem usados conectores parafusados na união haste/cabo, estes devem estar no interior de caixas de visita para inspeção periódica. Se for usado solda exotérmica que solda definitivamente o cabo à haste, não há necessidade destas caixas de inspeção, podendo estar tudo enterrado.  É muito melhor!

 

Espero que o artigo tenha sido útil ao colega e o estimule à pesquisa e ao estudo da radioeletricidade,  esse apaixonante assunto.

73!

João Saad

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