Детектор интенсивности молний

Общеизвестно, что силы природы могут быть разрушительными. Это доказано снова и снова: бури, цунами, торнадо, землетрясения, и это лишь некоторые из проявлений. К счастью, появление этих впечатляющих природных сил редко. Гроза- наиболее часто встречающиеся явление с меньшим влиянием, чем любое из вышеперечисленных (но отнюдь не менее опасное), вызванное электрическими зарядами в огромном масштабе, что делает его пригодным для обнаружения с помощью электронных средств.

Автору пришла в голову идея разработать эту схему во время  спортивных соревнований. Многие из зрителей были быстры, чтобы успеть развернуть свои зонтики, когда начался дождь. Это произошло в то время, когда  далеких раскатов грома еще не было слышно. Вдруг, большая группа людей бросила зонтики на землю. Через несколько секунд ударила молния. Видимо, зонты работали в качестве своего рода антенны. К счастью, не было прямого попадания, поэтому количество энергии, наведенное в зонтах, было достаточно мало, чтобы не нанести травмы или серьезные повреждения.
 

 
После восстановления от "атаки" сверху, один из владельцев зонтика начал изучать предмет гроз и превратил результаты изучения в практическую схему, которая бы позволила ему получить более полное представление о «работе» этого увлекательного природного события. Мы должны отметить, что конструкция, обсуждаемая здесь, предназначена только для обнаружения молний. К сожалению, этот метод обнаружения не скажет вам, расстояние между молнией и детектором и  не дает раннего предупреждения о неминуемой молнии. С другой стороны, схема предусматривает индикацию с полезным показателем- напряженности электрического поля, которое сопровождает грозовой разряд.

Грозы.
В то время, как ученые придерживаются различных теорий о точном происхождении и последствиях гроз, они обычно договариваются о следующем.
Большая разница напряжение возникает между грозовым облаком и земной поверхностью, что приводит к чрезвычайно сильным электрическим полям. В конце концов, напряженность поля между облаком и землей поднимается до уровня, при котором в результате ионизации, область газа (воздуха) превращается в плазму. Плазма обеспечивает  путь для дугового разряда. Как только плазменный канал достигает Земли, заряды могут начать протекать между облаками и землей. В результате ток в плазменном канале огромен.
Поскольку плазменный канал представляет собой определенное сопротивление (хотя и очень маленькое), происходит выделение тепла. Научные измерения показали, что температура внутри молнии может превышать температуру на поверхности Солнца! Внезапное повышение температуры приводит к тому, что окружающий воздух расширяется и образуется распространяющаяся ударная волна, которую мы можем слышать, как удар грома.
Ударная волна, кстати, может быть опасна, и не только для ваших барабанных перепонок! Чем короче разряда, тем более интенсивна ударная волна.  Были зарегистрированы случаи  обрушения домов  от ударных волн грозовых разрядов.

Измерение.
Итак, как мы можем определить, что разряд молнии произошел в окрестностях?  В то время, как образуется  плазма, электрический потенциал плазмы будет примерно равен грозовой туче. Электрическое поле может быть описано в терминах разности потенциалов на единицу расстояния (вольт на метр). С плазмой заряды быстро приближаются к Земле, плотности поля между плазмой и землей будут увеличиваться. Это резкое увеличение плотности электрического поля может быть обнаружено с помощью антенны.
Поскольку напряжения огромны, они должны быть снижены до уровня, при котором полупроводники смогут работать.

Описание схемы.

Рис. 1. Принципиальная схема

Практическая схема детектора интенсивности молнии показана на рисунке 1. К устройству подключают телескопическую антенну длиной около 1 м, ко входу с надписью «Ant». Если гроза все еще относительно далеко, чувствительность детектора может быть увеличена путем подключения заземления на водопровод или центральное отопление. Напряжение, наведенное в антенне снижается на двух потенциальных делителях, R2-R3 и R4-R5.

Снижение напряжения является значительным.

 Делитель напряжения R2-R3 снижает напряжение на коэффициент
(R2 + R3) / R3 = 214
в то время как R4-R5 рассчитан на коэффициент
(R4 + R5) / R5 = 4,546.
Каждое из приведенных напряжений прикладывается ко входу установки RS-триггера. Здесь, триггеры построены из NAND элементов с входом триггера Шмитта. Используются микросхемы типа 4093 (IC1 и IC2)  в этой цепи. Они были выбраны потому, что уровни триггера Шмитта не позволяют своим выходам  изменить состояние(т. е. от высокого к низкому или от низкого к высокому), пока напряжение на входе превышает или не падает ниже точно определенного верхнего или нижнего уровня, соответственно. Гистерезис, созданный таким образом, обеспечивает отсутствие "неопределенного" состояния.

Как только напряжение на антенне достигает 1.3 киловольт (1300 вольт!), на R3 упадет примерно 2,9 вольта. Это типичный порог переключения для 4093 работающего при напряжении питания от 5 Вольт. Следовательно, на выходе инвертора  IC1a логический ноль и поэтому  триггер, построенный на IC1b и IC1c устанавливается в «1», а также зажигается светодиод  D1 . В связи с фиксацией триггером, индикатор останется включенным, даже если напряжение на антенне исчезает. Индикатор может быть выключен путем сброса триггера,  что можно сделать, нажав кнопку S1.

Тот же принцип работы относится к IC2 и светодиоду D2, хотя, напряжение на антенне должно превышать 13 кВ для напряжения 2,9 В на входе IC2A. Другими словами, этот второй детектор требует сильного электрического поля, чтобы включить светодиод, поэтому он менее «чувствительный», чем первый детектор.
Значения R3 и R5, подбираются экспериментально, чтобы видеть, какие электрические поля возникают вокруг вашего дома во время грозы.
После  разряда молнии схема может быть подготовлена для следующего измерения нажатием на кнопку сброса S1.

Список компонентов
Резисторы:
R1 = 10kΩ
R2,R4 = 10MΩ
R3 = 22kΩ
R5 = 2kΩ2
R6,R 7= 1kΩ
Сонденсаторы:
C1-C4 = 100nF
Полупроводники:
D1,D2 = Красные светодиоды, слаботочные
IC1,IC2 = 4093
IC3 = 78L05 (см. текст)
Разное:
ANT = телескомическая антенна или 1м провода
K1 = 9V батарея
S1 = Кнопка , 1 замыкающий контакт

Питание.

Рис. 2. Печатная плата

Блок питания не может быть проще. 9-V (PP3 или 6F22) батарея обеспечивает 78L05 регулятор (IC3), который, в свою очередь, обеспечивает стабильное 5-ти вольтовое напряжение питания для остальной части схемы. При желании, схема может быть сделана, чтобы работать от 6-вольтовой батареи с помощью регулятор с низким напряжением падением на месте IC3. Например, 2951 требуется всего 5,5 В на входе для стабильного 5-V выходного напряжения.
Потребляемый ток схемы составляет всего несколько миллиампер. Поскольку схема не нужна все время во включенном состоянии, аккумулятора, вероятно, хватит на несколько лет.

Конструкция.
Печатная плата, разработанная для детектора приведена на рисунке (рис. 2).
PCB имеет размер спичечного коробка и вряд ли займет времени больше
чем час, чтобы собрать ее. Малый корпус для платы и батареи может быть любым.
Антенна может быть телескопической, но чтобы сократить расходы, то куска провода длиной 1 м также будет достаточно...

Предупреждение.
Прямой удар молнии и некоторых вторичных разрядов представляют собою смертельные напряжения и токи. Никогда не используйте этот инструмент выше самой высокой точки молниеотвода, в непосредственной близости от такой системы, или любым другим способом с целью привлечения молнии.

Elektor Electronics 6/2003 (Перевод evildesign)