ACのラインフィルターを作ります

2017.10.29
2022.09.06追記　ステップスターターの組み込み
2022.09.18追記 雷対策

木箱を作り、トロイダルに巻いたACの同相フィルタを仕込みました。大型のAM送信機とその変調器用です。

フィルタ本体は、大進無線さんの、KIT-DCK-61W というもので、20A仕様のオールキットです。詳しい説明書があります(ここ、あるいは、ここ）。両端を手持ちの適当な端子板でホールドし、簡単にまとめてみました。
一発約5000円、2個で1万円也！

もともと、タカチとかのプラスチックの箱にしようと思っていましたが、ラックを作って以来、この材料の便利さ(安さ)に心を打たれています。2x4ならぬ、1x4という素材と1x6という素材を使いました。1.5mほどの棒2本で700円弱ですhi
適当に切って、ボンドと木ねじで組み立てれば、蹴っ飛ばそうが座ろうが、びくともしないような立派な箱ができあがります。思ったよりずっと簡単に形になりました。
色々と応用が効きそうです。

アンプのステップスターターの組み込み

2022.09.06

2度目のオツトメに臨む30KD6のアンプをターゲットとして、木箱の中にステップスターターを組み込んでみることにしました。

この回路はリニヤアンプハンドブックに載っている（た）回路です。簡単な回路ですが、適当なリレーと抵抗を組み合わせるだけで、タイマーリレーを使わなくてもFBに動作します。
リレーは手元にあったオムロンのパワーリレーMK-10を使いました。ポイントは抵抗値の調整です； 手持ちを幾つか試せば良い値が見つかるでしょう。30KD6のアンプでは、30オーム20Wのホーロー抵抗を用いることで、スイッチ投入後4～5秒で、想定通りうまく動作するようになりました。
これで、いざというときに高圧整流の古いシリコンダイオードが壊れてしまう不安を一掃することができました。古いアンプですが、安心して使うことができそうです。

使いやすくするために、ついでに、壁面コンセントをつけておきました。これで完璧です。

雷対策

2022.09.18

ここ2年過ごしている御影で50年弱前に開局しましたが、以来、雷被害を受けたことはありません。もともと、雷が多かったという訳でもないと記憶していますが、しかし、最近は、梅雨から夏にかけての雷が妙に気になります。稲光とほぼ同時に雷鳴がとどろくことも多く、これは近いぞとヒヤッとするわけです。しかし、ヒヤッとはしても、近隣のマンションTOPには立派な避雷針があるので、まぁあ大丈夫だろうとタカをくくっています。雷は避雷針に逃げるから大丈夫　と信じ切っているわけです。

一方で、最近時々、雷被害にあったという無線機　をヤフオクで見かけることがあります。修理不可能とのこと。しかし、出品物を見る限り局所的なスパークが見られる以外に外観的な問題はなく、丹念に対応すれば直せるのではないかとさえ疑ってしまいます。にも係わらず「雷被害」で修理不能なのだそうです。直撃だと燃えてしまうでしょうから、これは確かにそういうものではないのでしょうが、しかし逆に、直撃でなくてもスパークしたり修理不能になるような大きな被害を与えるモードがあることを示しているように見えます。

そう思って記事を見ていると、記事中に、「誘導雷」という言葉が使われているものがあることに気づきました。雷による「誘導」でスパークが発生して機器が壊れるのでしょうか？　よくわからないので、誘導雷による被害とはどういうものか調べてみることにしました。
少し調べてみると、「助け」になってくれるだろうと信じていた近隣マンションの避雷針こそ実は大問題で、そこに落雷したら「誘導雷」被害を受けて大ごとになるかもしれないと気づきました。「誘導雷」；聞きなれない言葉ですが、ヤフオクに出品されている方は、まさか自分の機械がこんなことになるなど 夢にも思っておられなかったことでしょう。。。　

そういえばこの付近がマンション街になったのは地震後です。地震前は高い建物は全くありませんでした。だから近隣マンションの避雷針こそが問題なら、昔の経験をもとに「雷被害を受けた経験はない」等と言ってみても まったく参考になりません； 今問題にすべきは誘導雷被害、つまり、今は、マンション街での対策を考える必要があるということです。
強力な台風のためアンテナを降ろしてQRVできないでいる間に、もう一台のラインフィルターの箱を活用してその仕組みを整えてみることにしました。
雷被害
雷被害とはどういうものか、メカニズムがよくわかりませんので、いつものようにホームページを繰ってみることから始めました。
　https://www.cosel.co.jp/technical/productinfo/0005.html
　https://www.sankosha.co.jp/basic-lightning-protection/glossary/equipotential-bonding/
　https://www.rd.ntt/se/media/article/0034.html
　https://journal.ntt.co.jp/backnumber2/0710/files/jn200710048.pdf
　https://cend.jp/emc_primer/basic/surge.html
　https://industrial.panasonic.com/cdbs/www-data/pdf/AWA0000/ast-ind-226710.pdf のP.7～p.8
などに分かりやすい説明がありました。
また、
　http://fnorio.com/0089thunderbolt1/thunderbolt1.html
には、雷とはどういうものか、網羅的な説明がありました。
例えば、落雷時の大気電界強度や雷雲の電気量から推察すると雷雲と地表との電位差は1～2億Ｖ程度（落雷（１）３落雷のメカニズム）、継続的な発光は連続的な電流（100～300A）によるもの（落雷（１）４連続放電とK過程）　など、興味ある知識が得られます。一読をお勧めします。

要するに雷被害には3種あるとのことです。

＜１＞直撃：　説明不要の、「直撃雷」です。
＜２＞避雷針に雷が落ちると、避雷針の接地点を中心に大地に大きな雷電流が流れ、接地点周辺では大地電位が急上昇する。　この影響による被害
＜３＞また落雷や雲内放電で雷雲の荷電状態が大きく急激に変化すると、その影響で商用電源の架空線に大きな電圧を生ずることがある。　この影響による被害
＜１＞直撃は、論外として諦めるしかないですね。家が火事にならなかったらラッキーだった　というようなイメージでしょうか。。。　

直撃は分かりやすいですが、これ以外に、＜２＞＜３＞のように、どこか近隣の避雷針に落ちた雷でも、あるいは雷鳴だけでも機器に被害が出ることがあるようなのです。それは、雷雲の電荷（の変化）や落雷の影響で、ACパワーラインに尋常ならざる高電圧（数万ボルトとか）が発生することがあるためで、それらによる被害を総じて、「＜２＞逆流雷による被害」 とか「＜３＞誘導雷による被害」 と言うようでした。そしてそれは、概ね次のようなメカニズムによるものだと分かりました。

＜2＞避雷針に雷が落ちると、避雷針の接地点を中心に大地に大きな雷電流が流れる。接地極には接地抵抗が存在するので、接地極付近は「落雷電流×接地抵抗」だけ大地電位が上昇する。この電位上昇は、例えば落雷電流が50kAで、接地抵抗が10Ωの場合、50kA×10Ω＝500kVにも及ぶ。このとき、大地電位は距離に応じて徐々に低下するが、接地点から100m離れた点でも大地電位の上昇は20kV以上になるという報告もある（https://www.rakurai-yokusei.jp/Dec7version.pdf　のp8）。
この落雷点付近にAC商用電源の接地点があると、商用電源のNeutral線の電位は大きく上昇する。一方、機器の接地点がこの落雷点から離れていると商用電源の接地電位と機器接地の電位に大きな差を生じる。以上は逆も言えて、避雷針の接地地点の近くに機器接地があると、落雷により機器接地電位は上昇する一方、パワーラインのNeutral線の電位は変化しないため、やはり機器接地と商用電源の接地電位に大きな差を生じることがある。

この大地電位上昇は、避雷針の接地極から大地に流れ出た落雷電流の一部が、別の接地極から機器内に逆流してくる雷サージと理解できる。これを逆流雷という。従ってこの誘導雷による被害は、避雷針や鉄塔等落雷が発生しやすい場所に近い設備で発生しやすい。また直撃雷の一部でもあることから、誘導雷サージよりも遥かに大きなエネルギーの雷サージになる場合がある。

機器内では、機器の接地と商用電源のneutral線の間は通常は絶縁されています。よって、もしこの間にその絶縁を破壊してしまうような大きな電圧がかかると、ひとたまりもなく機器はつぶれてしまうでしょう。
特に前者では、商用電源のNeutral側の電位変化はNeutral側にとどまらず、柱上トランスを経てhot側にも同様の影響を与えます。つまり、機器から見ると、ACパワーラインが同相モードのノイズで大きく振られるようなことになります。こうなると電源が絶縁破壊されることは明らかです。例えば整流ダイオードやスイッチングの制御回路が壊れたり、トランス自体が絶縁破壊したり、あるいは、パターンが焼き切れたり、絶縁耐力の弱いところが局所的にスパークすることもあり得るでしょう。
このように機器内部を大きな電流が通過すると、電源にとどまらず、無線機のいたるところにダメージを与えて収拾がつかなくなる、つまり修理不能になる　であろうことは何となく想像できます。
なお、前者では遠く離れた地点への落雷でも問題を生じる可能性があるために、注意が要ります。後者はまさにうちの条件、近隣マンションの避雷針に落雷した場合に通ずるものがありましょうか。

＜3＞ 雷雲が接近すると、直下の送配電線、通信線などに、静電誘導により、正の電荷が集められ高電圧が発生する。雲内放電あるいは大地に向けて落雷すると、雷雲の底部に帯電していた負電荷が急激に消滅するため、雷雲の負の電荷によって誘導・拘束されていた正の電荷がその拘束を解かれ、線路の両方向へ進行波伝播する。

　

　また、落雷地点周辺では落雷の放電電流によって非急激な空間電界の変化を生ずるので、その電界変化で商用電源の架空線に電磁結合による異常電圧が発生する。商用電源の対接地電位が数万ボルトにもなることもある。たとえば、30KAの雷が落雷した場合、100m離れた配電線でも10万Vの電圧が発生する。

　このように静電誘導、電磁誘導により誘導された正の電荷が移動する現象 を誘導雷と呼ぶ。
実際に落雷しなくても、雷光、雷鳴など、雲間放電が起きるたびに誘導雷は発生する。
これは、ACパワーラインの両極に同時に生ずるノーマルモードのノイズといえるかと思います。
例えば、近くに高い鉄塔に張られた送電線やそれを引き込む変電所設備がある場合や、広い空き地（学校のグラウンド等）に面した道の架空線から 直接商用電源を引き込んだ家 などのような場合は、被害を受ける可能性があるのではないでしょうか。
幸いうちの場合は、近隣に広い空き地はなく、その代わりマンションが林立； 架空線は林立するマンションの間を縫うようにマンションより低い高さに張られている状況なので、このモードでの被害はあまり心配する必要はないと思えます。マンション街の井戸の底から電波を出すような状況が幸いしたのかもしれません。

しかし、この誘導電圧の発生は商用電源の架空線だけに生ずるものではありません。タワーで高く持ち上げているアンテナにも起こり得ます。そういうことが起きると、高感度の受信topのデバイスなど、ダメージを受ける可能性が高いでしょう。
そういうことが起きないように、あわせて、アンテナも確認しておかなければいけない　ということでしょうか。
https://industrial.panasonic.com/content/data/CC/PDF/Surge/ZNR-appli_TV_j.pdf

そのようなことで、これらの説明は　なるほどと納得できました。



それで対策として示されていたのは、
要するに、
ACパワーラインを通じて、落雷によるサージ状の電圧が機器に印加されないようにすること
につきます。

これらの対策として具体的に示されていたのは、
・ACパワーラインに絶縁トランスを挿入して、ACパワーラインの同相の電位変化の影響を、機器のアースから切り離す
・ACパワーラインのNeutral線、hot線の電位の急激な変化を、サージプロテクター（バリスタなど。たとえば、https://engineer-climb.com/surge2/）を用いて吸収する
　簡便には、　https://yuyu.miau2.net/lightning-surge/
等です。

これらにも納得です。
以上はホームページに載っているごく基本的なことで、あくまで素人解釈です。もちろん、この上に、さらに様々なノウハウがあるのだとは思いますから、詳細は専門家に見てもらう必要があります。それでも、大変よい勉強になりました。
昔から、雷が鳴ったらアンテナをはずせとよく言われてきましたが、それはそうなのでしょうが、それだけではダメそうです。つまり、直撃は致し方ないという前提ですが、被害を引き起こす原因は、むしろ、ACパワーラインと機器の接地との関係、あるいはACパワーラインそのものにある　ということです。敢えて言い換えると、アンテナをはずす　というより、AC電源をはずせ、コンセントを抜け、というイメージでしょうか。
そう言われても勇気が要りますが。。。

振りかえって、うちのシステムは今どうなっているかというと、無線システム全体の接地は、タワーの根っこにある一方で、ACのパワーラインのNeutral側は何のケアもせず無線機内の電源につながっています。＜２＞＜3＞については雷のサージ電流が無線機を襲う可能性がある危険な状態と言えます。

近隣のマンションの避雷針に一発食らうことを考えると、何か対策をしておくほうが良さそうです。　
　
---------
　
さて、ここからがこの記事の主題です。逆流雷、誘導雷への対策を検討します。
今回は、殊更に、ACのパワーラインに関する対策を考えます。アンテナははずしません。つまり、無線機のグランド（タワーのアース）から見てパワーラインのNeutral電位が大きく上昇したとしても、その影響がなるべく無線機に入り込まないようにします。あわせて、ACパワーラインのノーマルモードの異常電圧に対する対策も行います。
全回路図
ACパワーソースは単相3線で家に引き込まれ、それをAC100V系とAC200V系にうまく分離しているだけなので、どちらかに問題があれば他方にも同じことが起き得ます。そのため、両方に対策を行います。
100V系は大電力を扱うわけではないので、参照記事にも書いてあった通り1:1トランスを使ってグランドを分離することを中心に、バリスタを用いて異常電圧に対する対策を行いました。 一方AC200V系はパワーを扱うのでトランスを使うというわけにいきません。そこで、無線機の電源スイッチに連動したリレーを使って、無線機がoffの時には両極を切ってしまうようにしました。もちろんバリスタもいれます。
それだったら100Vもリレーで切っちゃえばいいじゃんと言う話もありますが、無線機の電源に連動していちいちPCが落ちたら困ります。100Vは常時活かしておきつつ対策はできているというふうにしたいです。

書いてしまうと簡単ですが、1にも2にも、アースの取り方が一番大切なんだと思います。
タワーGNDはタワーGNDとして、無線機筐体は、同軸ケーブルの外皮を通して結果的にタワーGNDにつながってしまいますから、結局のところアンテナ系のGNDも全部はずす（コネクタをはずす）ことが必要かもしれません。
100V系
幸い700VAの1:1のトランスの手持ちがありましたのでそれを使いました。

写真の左側が入力側、右側が出力側です。緑の線がアース線です。左側は近い将来タワーの接地点につなぐとして、とりあえずは家の接地（鉄骨あるいは200Vコンセントの接地端子） につなぎます。右側はFTdx5000のアース端子につなぎます。
写真で見ると小さく見えますが、ベースにした板は長さが40cmもあるもので、重さとともにちょっとした存在感があります。とはいえ、このトランスが1万ボルトで絶縁破壊しないのかと言われるとそんなことはないとも思えるので、上の回路図通り、入出力両方にプロテクターデバイスを入れました。
https://industrial.panasonic.com/jp/products-emc-circuit-protection/circuit-protection/surge-components/usage-examples
効果は、例えば、https://industrial.panasonic.com/jp/products/pt/surge-components
安心のためには、機会を見てちゃんとしたトランスを購入した方が良いかもしれません。こういったものは「一生もの」でしょうが、ただ思いっきり高価なので、アマチュア無線の範囲では、コスパ的には、家財保険の方がFBかもしれません。。。
200V系
AC200用に使っている二台目のラインフィルタの箱にリレーを収納し、AC200Vのパワーラインの両極を入/切できるようにします。
リレーは、AC100Vで動作するマグネッチックコンタクター（電磁接触器）というもの； 三菱電機のS-T10BCSAという製品を使いました。 リレーの駆動は、100V系の1:1トランスを通ったあと（リグ側）から、リグのon/offに連動して100Vを供給して行います。 これで、リグの電源を落とせば200V系も両極が切断され、電源と無線機のグランドは完全に分離できるようになります。
ただ、接点ギャップで放電したらイチコロなので、ここにもプロテクターデバイスを入れておきます。

向こう側に開けた大穴に、壁面埋め込み用の200Vのコンセントを2つつけて、完成となりました。
アンテナは
さて、アンテナはどうでしょうか？　直撃は仕方ないとして、＜３＞近隣に落雷した場合の電界変化でエレメントの両極間に誘導電圧を生じて無線機が壊れてしまうというようなことはないでしょうか？

TH3-mk4はβマッチと呼ばれる給電部のショートスタブで芯線と網線がショートされている状態で、しかも接地されています（そういえば、TH3mk3やTH6DXXの取説には "lighting protection: DC ground" と書かれていたような記憶があります。mk4もDC的には同じ）。50MのHB9CVもパイマッチ状のマッチングを介しているので同様です。

WARCバンドのDPは、ナガラのアルミの筒に入った強制バランを給電部に入れています。芯線と網線はショートされ、また筒を介して接地もされています。

ナガラのこのバランは、同軸の網線側が直接接地されてしまうので、同相電流（ノイズ等）の観点でどうかと思っていましたが、雷除けという意味では都合よい構造になっていることがわかりました。ノイズ的には電流バラン併用が必須と言えましょうか。

以上のようなことで、これらについては誘導電圧が生ずる懸念はない（少ない）と見てよいと思います。

問題はスローパーです。芯線が浮いています。同軸避雷器をいれておくとか、大きなチョークコイル、あるいは一時しのぎは抵抗でもいいから、何か、同軸を直流的にショート＋接地しておくような対策が必要でしょうか。そういえば、開局当時に理由もわからず購入したアレスターが残っているかもしれません。
発見
DX Engineeringの製品で、対サージデバイスを見つけました。値段も安く使いやすそうです。
https://www.dxengineering.com/parts/alf-3g50hp
https://www.dxengineering.com/parts/dxe-csgk-200
ローテーターは？　私が使っているエモトの1100MXはAC100Vでモーターを駆動しているので、何もしなければACパワーラインから飛び込むサージ電圧でモーターが絶縁破壊するといったこともあり得ると思います。ローテーターが回らなくなるとエレベータを降ろせなくなるので、一大事です。ローテータの電源を、忘れないように絶縁トランスから取っておけば、一旦は逃げられるでしょうか。
ここの一番下
今回、リグのスイッチを切りさえすれば、電源から飛び込むサージの影響から無線システムを分離することができるようになりました。 同様に、機械を作る時には、電源スイッチは必ず「両切り」にしておくこと　が重要と気づきました。
効果を検証することは難しいので何とも言えませんが、10年経って振りかえった時に、結局開局以来一度も雷被害は経験してないゃ　と言いたいものです。




https://industrial.panasonic.com/cdbs/www-data/pdf/AWA0000/AWA0000CJ2.pdf

https://www.jeita.or.jp/japanese/exhibit/2014/1117/pdf/varistor.pdf


松下 ERZV10D241
・バリスタ電圧：　240Ｖ±10%
・最大許容回路電圧：　150Ｖ(AC）、　200V(DC)
・最大制限電圧：　395V（IP=25A）
・最大ピーク電流：　3500A

松下 ERZV14D221 サージアブソーバ(バリスタ) 220V
・バリスタ電圧：　220Ｖ±10%
・最大許容回路電圧：　140Ｖ(AC）、　170V(DC)
・最大制限電圧：　360V（IP=50A）
・最大ピーク電流：　6000A


松下 ZNRサージアブソーバ ERZV20D361(360V) [2個組]
・バリスタ電圧：　360Ｖ±10%
・最大許容回路電圧：　230Ｖ(AC）、　300V(DC)
・最大制限電圧：　595V（IP=100A）
・最大ピーク電流：　10000A

日本ケミコン製　TND14V-221KB00AAA0
最大定格/最大許容回路電圧 AC：140Vrms
最大定格/ DC：180V
最大定格/サージ電流耐量 6000/1回-5000/2回
最大定格/エネルギー耐量 55J
最大定格/定格パルス電力 0.6W
最大制限電圧 360V at 50A
静電容量［参考］ 850pF/1kHz
定格バリスタ電圧 220V