Aarding, een serieuze zaak!
Aarding is een onderwerp waar iedereen zo ongeveer zijn eigen mening en visie op heeft. Het is vaak een complex onderwerp met soms tegenstrijdige oplossingen. In dit artikel wil ik trachten het begrip en belang van een goede aarde nader toe te lichten. Het is echter geen beschrijving van hoe u de aarde moet aanleggen.
Normen
Op het gebied van aarding zijn een viertal normen van belang:
- NEN1010 voor de veiligheidsaarde
- NEN 1014 voor de bliksembeveiliging
- IEC 61312 voor blikseminductie
- IEC 61000-5-2 voor EMC richtlijnen
Functie van aarde
Elektrische aarde en de daarbij behorende netwerken hebben een aantal functies. In feite geven de hierboven vermelde normbladen de belangrijkste hoofdfuncties van aarding weer.
Het bestaan van verschillende normen, er zijn er nog meer dan de hierboven vermelde, geeft aan, dat aarde en alles wat daarbij hoort geen eenvoudige zaak is.
De meest bekende functie van aarde is wel het afvoeren van ongewenste spanningen en stromen. Voorbeelden hiervan zijn veiligheidsaarde, vaak randaarde genoemd, en bliksembeveiliging.
Andere functies van een aardingsnetwerk zijn o.a.: afvoeren/neutraliseren van elektromagnetische velden en het bieden van bescherming tegen ongewenste elektromagnetische velden. In onze hobby kennen we de aarde ook als tegencapaciteit en bijv. als aansluitpunt van de radialen van een GP. Ook wordt de aarde vaak gebruikt als het nul-spanningsniveau bij (wissellende) gelijksparmingssystemen. We spreken dan van massa. Massa is (meestal) direct met de aarde verbonden. Bij o.a. Datasystemen en gelijkstroomapparatuur dient de aarde dus vaak als nulspanning.
Door al deze verschillen worden er vaak nogal tegenstrijdige eisen aan aardingssytemen gesteld. Het is dan ook niet verwonderlijk, dat er vaak meerdere aardingssystemen tegelijkertijd in gebruik zijn.
Risicofactoren
Velen van ons zijn opgegroeid met de stelling dat spanning gevaarlijk is voor mens en dier. Thans worden we herschoold naar het feit, dat niet de spanning, maar de stroom gevaarlijk is voor mens en dier.
Algemeen wordt aangenomen dat een stroom van 10 mA voor een gezond mens dodelijk kan zijn. Omdat de actuele stroom een afgeleide is van spanning en de weerstand is het natuurlijk nog steeds zo, dat de spanning wel degelijk een factor is. Maar bedenk hierbij wel dat ook een spanningverschil van 1 Volt wel degelijk tot grote stromen kan leiden.
Bij apparaten kan de spanning op zich, zonder dat er een noemenswaardige stroom is, leiden tot verlies van componenten of het gehele apparaat. Ook ongewenste elektromagnetische velden kunnen het functioneren van een apparaat behoorlijk ontregelen. Om ongewenste spanningen, velden en stromen op een veilige manier of te voeren wordt al sinds jaar en dag gebruikt gemaakt van aarde. De ene keer als veiligheidsaarde, een andere keer als DATA- of radioaarde. Ook woorden als schone en vuile aarde horen we regelmatig.
In de klassieke theorie heet het dat al die aardstromen afgevoerd worden naar de verre aarde. Dus via de aardelektrode. Echter metingen geven aan, dat veel van die stromen wegvloeien naar andere apparatuur en dat de echte stroom naar aarde vaak heel klein is. Met andere woorden: er vindt vereffening plaats tussen de verschillende apparaten.
Gescheiden of gekoppelde aarde?
Vanwege de verschillende functies worden/moeten vaak voor verschillende toepassingen verschillende aardingssystemen aangelegd en gebruikt worden.
Nog niet zo lang geleden werd het gebruik van compleet gescheiden aardsystemen gepromoot. Geen onlogische zaak als men naar de verschillende eisen kijkt. Wie echter al die aardsystemen eens goed bekijkt, zal al snel tot de conclusie komen dat echt cornpleet gescheiden aardsystemen eigenlijk helemaal niet bestaan. En als we in ons huis er al in zouden slagen deze systemen volledig te scheiden en via verschillende aardelektroden in de aarde of te voeren zijn ze altijd nog via de `verre aarde' met elkaar verbonden. Ook op apparaatniveau is het vaak moeilijk deze scheiding aan te brengen. We kunnen prachtig een radioaarde aanleggen, echter als de transceiver netjes via een randaarde aan het lichtnet is aangesloten is er waarschijnlijk bij de antenneplug een kortsluiting tussen radioaarde en veiligheidsaarde gerealiseerd.
Fig. 1. Traditioneel aangelegd aardsystemen.
En mocht deze kortsluiting niet gerealiseerd zijn, dan is het waarschijnlijk dat via de zelfinductie van de leidingen en de capaciteit in de aangesloten apparaten (tussen beide aardsystemen) er zich een prachtige aardlus heeft gevormd.
Volgens IEC 61000-5-2 (EMC richtlijnen) is het gewenst, dat men gescheiden aardsystemen gebruikt met een gemeenschappelijke aardelektrode.
Fig. 2. Aarde, aangelegd volgens IEC 61000-5-2.
Dat houdt niet in, dat men dan maar alle aardingssystemen moet vervangen door een systeem. Het zou kunnen, maar het kan ook verstandiger zijn om op een punt alle aardingssystemen te koppelen. Dus niet in de shack uw radioaarde verbinden met de randaarde (veiligheidsaarde), maar door het (laten) leggen van een aparte aardleiding naar het centrale aardpunt. In huisinstallaties kunt u die veelal vinden in de meterkast.
Gescheiden aardsystemen zijn vaak aangelegd via een boomstructuur. Hierbij zitten vaak een heleboel overgangspunten en het risico, dat hoe hoger men in beide bomen komt, er een steeds groter potentiaalverschil is met de aardelektrode. Zelfs bij een goede mechanische koppeling en dus zeer lage gelijkstroomweerstand, kan er voor wisselstroom en hoogfrequente signalen een behoorlijke impedantie aanwezig zijn.
De volgens de boomstructuur opgebouwde aardsystemen (dus vertakte opbouw) worden vaak na verloop van tijd gekenmerkt door het optreden van een relatief hoge impedantie, inductie en capaciteit. Prima materiaal dus om er een goede aardlus mee te bouwen. Dit is een van de redenen waarom men tegenwoordig ook steeds vaker hybride aarde in bijvoorbeeld computerruimtes gebruikt.
Aardlussen
Aardlussen zijn in principe nets anders dan resonantiekringen, waarvan meestal vooraf de resonantiefrequentie niet bekend is. Ook kan het zijn, dat het bestaan van die kringen niet wordt onderkend. Hoewel ze misschien geen groot veiligheidsrisico vormen, belemmeren ze nogal eens de juiste werking van een apparaat.
Aardlussen zijn vaak wel een bron van moeilijk op te sporen storingen. Daarom is jarenlang in de techniek vermeden aardlussen te laten ontstaan.
In de praktijk leidt dit vaak toch tot het ontstaan van onbekende en daardoor helemaal oncontroleerbare aardlussen. Tegenwoordig streeft men dan ook meer naar het aanbrengen van gecontroleerde aardlussen.
Men ziet nog al eens, dat de veiligheidsaarde meegeleverd wordt tot aan een apparaat. Echter om problemen tussen bijv. de data- en veiligheidsaarde te voorkomen, wordt het apparaat niet op de veiligheidsaarde aangesloten. Men hoopt zo aardlussen te vermijden. Echter het is waarschijnlijk, dat hier vroeg of laat wel een prachtige aardlus zal ontstaan. Immers er is altijd wel sprake van een capaciteit, bijv. via de printplaat, tussen beide aardsystemen. Het leidingsyteem zorgt wel voor de inductie.
Naar huidig inzicht wordt aanbevolen om wel de aarde aan het apparaat aan te sluiten. Meestal doet men dit door middel van een aan beide zijden geaarde parallelle geleider. Daardoor wordt de oppervlakte van de aardlus zo klein mogelijk gehouden. Op deze manier maakt men dus gebruik van een gecontroleerde aardlus.
Maasstructuur
Op plekken waar het risico op een groot hoogfrequent stoorveld redelijk groot is, zoals computerruimtes, is het gebruikelijk om een maasvormig aardnetwerk aan te leggen. Meestal zien we hier een maasgrootte van 1 meter tot 1,20 meter.
Zo'n maasvormig netwerk is primair bedoeld om de magnetische inductievelden of te voeren. Door de vorm van het maasvormige netwerk zullen de velden in grootte beperkt worden en heffen door de maasvorm de stoorstromen elkaar grotendeels op. Hierdoor worden zowel de totale stroom als de velden zeer behoorlijk ingeperkt.
Een dergelijk maasnetwerk wordt in Nederland meestal aan de gebouwaarde gekoppeld.
Aardlekschakelaar
In iedere huisinstallatie zijn een of meerdere zogenaamde aardlekschakelaars opgenomen. Misschien is het beter hier te spreken van differentiaalschakelaars. Ze hebben nets met aarding te maken, maar wel alles met veiligheid. Het zijn apparaten, die verschillen in de stroom tussen de geleiders meten en bij het overschrijden van de grenswaarde de spanning afschakelen. Uiteraard zullen deze apparaten ook afschakelen als er een stroom vanuit een geleider naar aarde weglekt, maar de hoofdfunctie van deze apparaten is u en uw huisgenoten te beschermen wanner er een stroom via een mens wegvloeit. Gezien de maximaal 10 mA die een gezond lichaam in "the most worst case" verdraagt, is het absoluut noodzakelijk deze apparaten te gebruiken.
Amateur (Radio) aarde
In allerlei amateurhandboeken leest men nogal eens het advies om een aparte radioaarde te gebruiken. Dit is geen fout en ook een begrijpelijk ad-vies. Naar huidig inzicht is het echter niet zinvol en verstandig dit via een eigen aardelektrode te doen. Dus wel radioaarde aanleggen, maar deze uiteindelijk koppelen aan de gemeenschappelijke aarde. Gebruik bij voorkeur hiervoor draad van minimaal 6 mm2.
Het aanbrengen van een centraal radio-aardpunt (sub aardpunt) in uw shack voor al uw radioapparatuur en het vervolgens koppelen van deze radio-aarde aan het centrale aardpunt van uw elektrische installatie is naar de huidige inzichten een goede en nette manier om zowel de veiligheid als de goede werking van uw installatie te garanderen.
Ook het nemen van maatregelen tegen blikseminslag en statische spanningen hoort bij een goed beheer van uw shack.
Bij mij is in ieder geval zeker een keer, waarschijnlijk zelfs twee keer, de ingangsfet van een ontvanger opgeblazen door statische spanning.
Indien u een antennemast heeft, dient deze op een deugdelijke manier tegen blikseminslag beveiligd zijn. Voor doorslag naar de shack via voedingsen stuurkabels dient u passende maatregelen te nemen. Zelf doe ik dat door alles los te koppelen wanner ik de shack verlaat. Dit inclusief de voedingsspanning. Vele malen beter is het om overslagbeveiliging aan te brengen in uw cowdcabels. Deze zijn zowel in PL- als N-connector uitvoering te koop. Ook het voeden van de shack via een tegen overspanning beveiligde spanningverdeling is mijn inziens geen overbodige luxe.
Voor de elektrische installatie en gebouwen (o.a. de mast) dient u uiteraard altijd de geldende voorschriften op te volgen. Maar ook het op de juiste manier aarden naar de huidige stand van techniek van uw radio-installatie is iets wat men gewoon dient te doen.
Tot slot
Diverse bedrijven hebben zich gespecialiseerd in aardingsystemen en bliksembeveiliging. De daar verzamelde kennis is niet in een artikel in CQ-PA samen te vatten. Dit artikel wil dan ook niet meer dan u te laten nadenken over de aarde in uw shack.
Bedenk bij dit alles wel, dat goede aarde letterlijk een doodserieuze zaak is.
Johan, PA3AIN.