نُظُم التأريض

2013 تبسيط علم الإلكترونيات

ستان جيبيليسكو

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

الفيزياء

ينبغي على الهوائيّ المُصمَّم بشكلٍ جيّد أن تكون له دوماً وصلة أرضيّ (تأريض) لتيّار مستمرّ DC (تُدعى أيضاً بـأرضيّ كهربائي)، مع منظومة تأريض بتردّد راديوي RF ذاتِ قليل.

إن نوعَي "التأريض" هذين ليسا متساويين، ويمكن حتّى لأفضل وصلةِ تأريضِ تيّارٍ مستمرٍّ DC بالأرض أن تُبدِيَ سلوكاً سيّئاً فيما يتعلّق بأغراض التردّد الراديوي، كما يمكنك إقامة منظومةِ تأريضِ تردّد راديوي RF ممتازةٍ دون أي وصلةِ تيّارٍ مستمرّ DC بالأرض مهما كان شكلها.

 

– التأريض الكهربائي

يضمن التأريضُ الكهربائي السلامةَ الشخصيّةَ للأشخاص الذين يعملون في نُظُم الهوائيّات. يمكن للتأريض الكهربائي أن يحمي الأجهزةَ من العطل إذا ضرب البرق بالجوار (بالرغم من أنه لا يستطيع أن يضمن عدمَ حدوث شيءٍ سيِّئ).

يجعل تأريضُ التيّار المستمرّ DC خطرَ حدوثِ تداخُلٍ كهرو مغنطيسي (EMI) جدّيٍّ من وإلى أجهزةِ اتّصالاتٍ لاسلكيّة أصغريّاً.

دائماً ما يُنبِّه المهندسُ المُؤّهَل قائلاً لنا بشكلٍ عامّي: "لا تلمس أرضيَّين في الوقت نفسه". يتعلّق هذا التحذيرُ -على فكاهته كما يبدو- بخطرٍ جدّيّ، فهو يدلّ على النزعة إلى وجود فروقٍ في الفولطية بين نقاطٍ حياديّة افتراضاً في تعارضٍ ظاهريّ مع المفاهيم النظرية الفطريّة للكهرباء والإلكترونيّات.

 

صُعق أـشخاصٌ متمرّسون بالكهرباء بضرباتٍ كهربائيّة شديدة لأنهم نسوا هذه القاعدة. عليك دوماً أن ترتديَ قفّازاتٍ عازِلةً كهربائيّاً وأحذيةً ذاتَ نِعالٍ مطّاطيّة عندما تعمل مع نُظُمٍ أرضيّة مهما كان نوعُها.     

لبعض التجهيزات أشرطةٌ بثلاثة أسلاك من أجل وصلِها بالكهرباء. يذهب أحد الأسلاك إلى القسم "المشترك" أو "الأرضيّ" للأجهزة، ويؤدّي إلى ناتئٍ بشكل حرف D أو U  في المقبس.

لا يجب أبداً أن تقطع أو تُبطِلَ عملَ هذا الناتئ الأرضي، لأنه يمكن أن تظهر بسبب هذا التغيير فولطياتٌ خطرة على السطوح المعدنيّة المُكشوفة، كما أن كفالةَ الجهاز تُلغى معه.   

تقيس شعاعات الأرضيّ 1/4 طول موجة أو أكبر، وهي تتّجه نحو الخارج انطلاقاً من قاعدة الهوائي الشاقولي المُنصَّب على السطح، وتوصَل إلى تدريعِ خطّ التغذية المحوري.

 

يمكنك أن تضعَ الشعاعات مباشرةً عل سطح الأرضيّة أو أن تغمرَها تحت السطح بعدّة سنتمترات. عندما تُزيد عددَ الشعاعات بطولٍ ثابتٍ ما في منظومة هوائي شاقوليّ مُنصوب على السطح، فإن أداءَ الهوائيّ يتحسّن. فوق ذلك، إذا ما قمتَ بزيادة طولِ كلِّ شعاع في منظومةٍ تحتوي عدداً ثابتاً ما من الشعاعات، فإن ذلك يُحسِّن من أداء الهوائي.

وكما ذكرنا سابقاً في هذا الفصل، إذا رفعت قاعدةَ الهوائي الشاقولي على الأقلّ بمقدار 1/4 طول موجة فوق سطح الأرض فإنك سوف تحتاج فقط إلى ثلاثةِ أو أربعةِ شعاعات بطول 1/4 موجة من أجل الحصول على أرضيِّ جيّدٍ بتردّد RF.

يزوِّدنا الثقلُ المُقابل بواسطةٍ بديلةٍ للحصول على أرضيّ بالتردّد RF أو بمستوي أرضيّ. يمكنك أن تضعَ شبكةً من الأسلاك، أو شاشةً، أو صفيحةً معدنيّةً فوق سطح الأرض، وأن تُوجِّهَها أفقيّاً، صانِعاً بذلك في الواقع مُكثِّفةً حيث يلعب الثقلُ المقابل دورَ "صفيحةٍ (أولى)" والأرضُ دورَ "الصفيحة (المقابلة)" الأخرى.

 

فكرة مفيدة:  مثاليّاً، ينبغي على نصف قطر الثقل المقابل أن يكون على الأقلّ بطول 1/4 موجة عند أخفض تردّد تعتزم استخدامَه.           

 

– الكسب والاتّجاهيّة

نعرِّف كسب الطاقة في الطاقة لهوائي مُرسِل على أنه النسبةُ -مُقدَّرةً بالديسيبل (dB)– بين القدرة الُمشَعّة الفعّالة (ERP) الأعظميّة وقدرةالتردّد الراديوي RF الفعليّة المُطبَّقة عند نقطة التغذية.

إذا كانت ERP مُساويةً لـ P_ERP واط، وساوت القدرةالمُطبَّقة P واط، كان لدينا:

الاكتساب في الطاقة (dB) = 10 × log(P_ERP/P)

حيث يرمز الـ "log" إلى اللوغاريتم بالأساس 10. يُحدِّد المهندسون مقدارَ الاكتساب في الطاقة في الاتّجاه(ات) المُفضَّل(ـة) للهوائي.

  

– مسألة 12-5 :

ما الذي يمكن أن يُسبِّبَ توليد فرقٍ في الفولطية بين السلك المُؤرَّض لشريطٍ كهربائي بثلاثة أسلاك وأنبوب الماء البارد المصنوع من النحاس في منزلك؟

الحلّ: 

ما لم تكن للأنبوب النحاسي وصلةٌ مباشرة بمقاومة شبه معدومة بينه وأسلاك التأريض في المنظومة الكهربائيّة، فإن فولطيةَ تيّارٍ متناوب AC كبيرةً يمكن أن توجَدَ بين الأسلاك. تستحث هذه الفولطية بواسطة الاقتران الكهرو مغنطيسي بين الأسلاك والأنبوب.

يمكن أيضاً أن توجد تيّاراتٌ كهربائيّة في الأرض نفسها، ممّا يقتضي فروقاً في الفولطية بين نقاطٍ في التربة موضوعة على بعد أكثر من بضعة أمتارٍ فيما بينها. حتى ولو ذهب أنبوبُ الماء البارِد مباشرةً نحو الأرض وكانت جميع ضفائر الأنبوب من معدنٍ إلى معدن، فإنه يمكن أن توجَدَ فولطيةُ AC بين الأنبوب وسلك التأريض لمنظومةٍ كهربائية منزليّة. يمكن أن تبلغَ قيمةُ هذه الفولطية مستوياتٍ عاليةً بشكلٍ يكفي للتسبُّب بصدمة كهربائية مُميتة.

 

– تأريض التردّد الراديوي

يُبيِّن الشكلُ 12-5 مخطّطاً مناسِباً لتأريضٍ بتردّد راديوي، ومُخطّطاً آخرَ غيرَ  مناسبٍ. يذهب كلُّ جهاز في منظومةِ تأريضٍ جيّدةٍ بالتردّد RF (مُبيَّنة في A) إلى مسرى أرضيّ مشترك يذهب بدوره إلى أرضيّ الأرض عبر ناقِلٍ وحيد بطولٍ أقصر ما يمكن.

تحتوي منظومةُ تأريضٍ سيّئةٌ (مُبيَّنة في B) حلقاتِ أرضية تُزيد طواعيةَ وقابليّةَ تعرّض الجهاز للتداخل الكهرو مغنطيسي (EMI).

يمكن لأسلاك الأرضيّ الطويلة أو لحلقاتِ الأرضيّة أن تعمل كهوائيّاتِ تردّد راديوي RF، بقطع النظر عن مدى القيمة الصغيرة لمقاومات التيّار المستمرّ DC التي يمكننا الحصول عليها.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]