Монитор атмосферного электричества предупреждает о грозе. Регистратор грозы Принцип работы устройства

Если Вы интересуетесь наблюдением за уровнем статического напряжения в штормовую погоду, грозу, то предлагаемая схема монитора поможет Вам начать. Я был молод, любознателен и всегда интересовался такими явлениями как радиочастотный шум Земли, так же как радиочастотный спектр во время бушующего шторма (бури, грозы). Я также полагал, что, если уж у меня имеются установленные антенны, то если я распознаю вовремя сильное статическое поле, образующееся вокруг меня, то смогу вовремя среагировать на возможный удар молнии (например, заземлить антенны). В одной из разработанных мной схем я применил компаратор, включающий звуковой сигнал тревоги, если напряжённость статического поля (В/м) достигала предустановленного значения.

Я построил много устройств, начиная от ламповых и кончая конструкциями на полевых транзисторах (ПТ) с изолированным затвором, но предлагаемая конструкция превзошла все по надёжности и может оказать неоценимую помощь в случаях, упомянутых выше. Если Вы не найдёте измеритель с нулевой отметкой посередине, я уверен, что Вы приспособите и другие - с нулём на краю шкалы, также как подбором значений деталей схемы сможете адаптировать к предлагаемой схеме любой подходящий измеритель, согласно его импеданса и тока полного отклонения стрелки. Также, Вы можете применить другие типы полевых транзисторов, я же применил полевой транзистор с переходом, с каналом р-типа (JFET).

Одновыходная схема может быть также образована путём присоединения измерителя для измерения тока полевого транзистора напрямую, только не забудьте подключить резистор утечки/смещения к положительному полюсу источника питания с р-канальными ПТ и к отрицательному - с n-канальными.

В этом ракурсе, одной из моих лучших схем за все годы является та, в которой используется n-канальный двухзатворный ПТ с изолированными затворами (MOSFET), например, такой как 40673 с обоими затворами, соединёнными вместе.

Схема

В приведённой схеме, затвор ПТ с р-каналом соединён с общим проводом, поскольку используется двухполярное питание, через очень высокое сопротивление, - я использовал в первой версии 11 Мом. Помните, что такие резисторы не только трудно достать, но это место является камнем преткновения, если в схеме имеется большая утечка. В этом аспекте, лучше всего, оставить затвор в покое и использовать высококачественный новый коаксиальный кабель, подведя его к внешней антенне, обычно, - с ёмкостной нагрузкой. Вам необходимо заняться и устройством защиты от осадков точек конструкции антенны, где возможна утечка энергии на землю, иначе, Вы обнаружите, что Ваш измеритель потеряет чувствительность при первых каплях дождя.

Я использовал 22-дюймовый штырь от антенны (Wilson) с её обычными узлами крепления с двумя гайками на конце для крепления ёмкостной нагрузки и с пластиковым зонтиком для защиты конструкции антенны в нужных местах от влаги.

Подобным же образом, коаксиальное соединение должно быть защищено от влаги – здесь я применил соединители N-типа на антенне и на шасси для измерителя внутри помещения. Что касается высокоомной резистивной нагрузки, я уверен, что, при необходимости, Вы можете изготовить и дома Вам необходимые. Для большой напряжённости поля я использовал в качестве нагрузки потенциометр сопротивлением 10 Мом, который я мог, при необходимости, исключать из схемы. Для этой цели я использовал выключатель с керамическим изолятором, предназначенный для высоковольтных цепей, чтобы снизить утечки, но и более дешёвые типы выключателей в этой цепи работают неплохо. Тип применяемого ПТ некритичен,- я использовал J176 от All Electronics, также от этой фирмы “пришли” ко мне потенциометр в 10 Мом и измеритель.

Что касается источника питания, то его напряжение в 12 В для ЗЧ секции – некритично, но двухполярное должно быть хорошо стабилизированным и поступать преимущественно от другого трансформатора или другой обмотки при сетевом питании, поскольку пики токов от ЗЧ ИМС разбалансируют схему измерителя. В результате эксперимента, я обнаружил, что изменение напряжения смещения ОУ даёт очень чувствительный способ управления балансировкой измерителя, более приемлемый, чем сдвиг показаний измерителя другими способами (например, ручным, механичеким, при стрелочном индикаторе или электронной балансировкой (установкой нуля) - на самом измерителе). Должен заметить, если Вам не удастся достать измерителя с нулём посередине, то Вы можете заземлить один его вывод или соединить его с выводом подстроечного резистора, где выводы этого потенциометра соединены с плюсом и минусом источника питания, например, потенциометра сопротивлением в 5 или 10 кОм. Я это опробовал и всё работало ОК, но больше всего мне понравилась работа измерителя 250-0-250 мкА. Я ещё до сих пор не разработал добротной схемы автоустановки нуля измерителя, обычно, балансировка нарушается при смене полярности, которую можно наблюдать при разрядах молний, также как и в окружающем Вас “мирном” статическом поле. В режиме максимального усиления (чувствительности), Вы можете замечать изменения градиентов поля в ясную погоду на протяжении суток, также как и отмечать грозы на расстояниях за штат (США) от Вас. Одной из проблем, которой страдает эта схема грозоотметчика является необходимость частотой корректировки нуля измерителя, особенно, в положении максимального усиления, связанная со сменой полярности напряжения во время грозы.

Аналоговый измеритель может быть заменён цифровым мультиметром с компьютерным интерфейсом. На рисунке приведён эскиз цифрового мультиметра Velleman DVM345, используемого в качестве передаточного записывающего устройства. (transient recorder). Программное обеспечение позволяет наблюдать графическое изображение величин и сохраняет полученные значение в файле ".dat".

MasView - программный материал для Windows, предоставляемый Velleman (http://www.velleman.be/)

Цифровой мультиметр DVM 345 Velleman с компьютерным интерфейсом.

Чем выше усиление ОУ, или выше входной импеданс цепи затвора ПТ, тем яснее проступает проблема, из-за которой я советую снижать импеданс цепи затвора и, также, усиление ОУ в сильных статических полях. Я также обеспечил ЗЧ доступ от ОУ и смешал этот сигнал с различными уровнями для статических и РЧ сигналов, встроив регулировки громкости (уровня).

ЗЧ часть

Сигнал ЗЧ поступает из простой ИМС типа LM380, Вы заметите взаимодействие регуляторов, если построите всё как показано здесь. Буферный усилитель и схема смесителя были бы полезны, но я старался обойтись здесь минимумом деталей. Хорошим дополнением к выходной схеме ЗЧ был бы эквалайзер (грубо: регулятор тембра), с помощью которого можно было бы сформировать выходную АЧХ устройства и уменьшить уровень помех, таких, например, как фон сети переменного тока.

На этом изображении приведён пример выходного сигнала 0…22 кГц, полученного с помощью программного материала Spectrum Lab Software, разработанного DL4YHF). Начиная снизу-вверх: шум, сигналы типа “spherics”, сигналы станций проекта Alpha, один сигнал CW и множество сигналов RTTY- станций.

РЧ часть

Для РЧ части я использовал старую низкочастотную катушку Tesla, которую я намотал на пластмассовой трубе длиной 4 фута и диаметром 6 дюймов, где я расположил 3000 витков провода. Вы можете возразить, ведь и прямая “верёвочная” антенна работает здесь неплохо, также приемлемо применение укорачивающих элементов, так что катушка - монстр здесь совсем не обязательна, но я хотел принять максимум сигналов на низких частотах, как раз, за счёт высокой добротности катушки, чтобы снизить общее усиление схемы, чтобы, в свою очередь, минимизировать фон питающей сети частотой 60 Гц (в США, у нас – 50 Гц). В этом смысле, длинные штыри, и, особенно, провода являются здесь нежелательными. Сигнал усиливается входным ОУ, имеющим в своём составе ПТ (JFET), избирательность по входу обеспечивается, благодаря малой величине конденсатора, которая позволяет достигнуть высокой чувствительности с минимумом фона 60 Гц. ОУ типа 741 обеспечивает усиление ЗЧ, а другой ОУ 741 используется для питания измерительной головки с током полного отклонения стрелки 500 мкА (с нулём с края шкалы) для индикации уровней РЧ сигналов. Я счёл полезным включить последовательно с измерителем регулятор, чтобы установить его на панели вместе с регулятором усиления ОУ 741, питающего измеритель, это обеспечивает наибольшую гибкость прибору при различных погодных условиях. Этот измеритель очень полезен для определения количества грозовых разрядов в единицу времени в ненастную погоду.

Заключение

Я заметил, что в грозу, освобождение большого количества энергии внутри облаков, способствует появлению неожиданных ливневых потоков, показывающим, что поля внутри облаков удерживают большие массы воды и, когда они, после разряда, слабеют и не могут удерживать воду, она проливается, после ударов мощных молний, как из ведра. Во многом, это - уже общеизвестная истина, которую я постиг много лет назад, читая бессмертные труды Николы Тесла по этой проблеме и заинтересовался ею, посчитал, что, всё-таки, интересно наблюдать за сбором и накоплением энергии и смотреть на появляющийся налицо результат – что же выйдет вскоре из этого.

В общем, схема очень проста, может быть выполнена во многих вариациях, и, надеюсь, Вы найдёте её интересным дополнением к Вашей низкочастотной (сверхдлинноволновой) аппаратуре наблюдения. Мне было бы интересно увидеть воплощение в жизнь идей по автоматической регулировке функции установки нуля измерителя статического электричества, особенно, если реальная схема не нарушает значимую информацию о смене полярности, и в этом свете, я надеюсь услышать разумные идеи от всех читателей. Вы найдёте мой электронный адрес на моём сайте: http://www.shipleysystems.com/~drvel/ , или http://www.bbsnets.com/public/users/russell.clift/index.htm , может быть, Вы что-нибудь захочете послать на этот сайт для всеобщего обозрения. Надеюсь на новые идеи от всех читателей, которые находят проекты, подобные упомянутым выше, интересными.

Russell E. Clift, AB7IF

Свободный перевод с английского: Виктор Беседин (UA9LAQ)

Данное устройство отлично подойдет для тех, кто занимается туризмом, походами, и не только.Оно позволяет регистрировать грозу в радиусе примерно 80 км, что позволит вовремя найти укрытие, спрятаться, отключить электрооборудование. Собрать регистратор грозы не так уж и сложно, так как он не содержит дефицитных деталей и особой настройки, надо всего лишь настроить R4 - это порог чувствительности детектора.

Схема:

Удлиняющая катушка L1 повышает ее эффективность. Входной контур L2 C2 настроен на частоту около 330 кГц. L2-мотается на любом контуре от старого радиоприемника, диаметр каркаса 5мм, 360витков провода 0.2мм, высота намотки 10мм. Контур L1 теже параметры только 58 витков провода 0.2мм в моем варианте этой катушки нет, я её заменил на другую - с ней можно поэксперементировать.

О деталях самодельного регистратора приближения грозы. Транзисторы VT1-VT4 могут быть любые, от КТ315/КТ361 до КТ3102/КТ3107. Диод VD1 - любой импульсный.

Принцип действия: усиленный транзистором VT1 сигнал поступает на регистрирующий каскад (VT2- VT4). ВЧ импульс открывает транзисторы VT2 и VT3 и разряжает конденсатор С4. Ток его зарядки, проходя через диод VD1 и резистор R6, приводит к более длительному открыванию транзистора VT4 и зажиганию индикаторной лампочки VL1. Можно применить светодиод или звуковой индикатор со встроенным генератором - что вам удобнее. Проверить регистратор можно с помощью пьезозажигалки - щелкая зажигалкой на расстоянии полметра от антены. Рекомендуется заземлить устройство, так будет больше чувствительность.

Скачать печатную плату в формате LAY:
У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера

Эта простая конструкция позволяет отслеживать изменения атмосферного заряда. К примеру, фиксируя увеличение атмосферного разряда можно спрогнозировать приближение грозового фронта. Величина атмосферного заряда в солнечный день составляет около 100 мВ, но при накоплении грозовых туч и перед дождем, величина электрического заряда увеличивается во много раз.

В случае грозы, напряжение может увеличиться до несколько тысяч вольт незадолго до удара молнии. Здесь описывается схема монитора атмосферного электричества, изменение которого отображается на светодиодной шкале.

Описание работы детектора атмосферного электричества

Входная цепь состоит из антенны, сигнал с которой поступает на операционный усилитель DA1 (TL071) используемый в роли компаратора. Данный тип операционного усилителя имеет JFET-вход и усиление до 100 дБ. Его неинвертирующий вход подключен к делителю напряжения, образованного из резисторов R3 и R4, а неинвертирующий вход подключен к антенне.

Резистор R2 защищает DA1 от чрезмерно-опасного входного напряжения, в то время как резистор R1 удерживает неинвертирующий вход стабильным. Поскольку операционный усилитель TL071 имеет очень высокий коэффициент усиления, то в схему добавлен резистор R5 образующий обратную связь с соответствующими ограничениями.

В зависимости от величины входного напряжения, на выходе 6 DA1 будет напряжение в диапазоне от 2,5 до 5 В, который подается на вход 5 микросхемы LM3914 (DD1) через переменный резистор R6. Резистор R7 ограничивает максимальную чувствительность.

Микросхема — интегральная схема, которая способна измерять (линейно) входное напряжение и выводить значения на линейку светодиодов. По сути, получается классический аналоговый дисплей на светодиодах. Ток, протекающий через светодиоды, ограничивается самой микросхемой LM3914, поэтому отпадает необходимость во внешних резисторах. В данной схеме входное напряжение от 1,7 до 4,2 В распределено на пять светодиодов.

Настройка устройства

Перед первым включением, поверните ручку переменного резистора R3 полностью против часовой стрелки, а переменный резистор R6 примерно до середины диапазона. Подайте питание и поворотом движка резистора R6 протестируйте устройство. Обычно загорается светодиод VD2 и даже на короткое время VD1, это говорит о правильной работе оборудования и изменения атмосферного заряда.

Окончательные настройки должны быть сделаны в солнечный день с ясным небом, необходимо вращением R4 добиться свечения только VD5, которое свидетельствует о нормальном атмосферном электричестве. Схема, несмотря на свою простоту, очень хорошо работает и позволяет предупредить о приближении грозы задолго до ее начала.

В качестве антенна можно использовать изолированный провод длинной около 3 метров, а общий провод схемы заземлить, например, подсоединить к батарее центрального отопления.

Внимание! Во избежание поражением молнией во время наступления грозы, необходимо отключить антенну от устройства.

Регистратор грозы своими руками

Данное устройство отлично подойдет для тех, кто занимается туризмом, походами, и не только.Оно позволяет регистрировать грозу в радиусе примерно 80 км, что позволит вовремя найти укрытие, спрятаться, отключить электрооборудование.

Собрать регистратор грозы не так уж и сложно, так как он не содержит дефицитных деталей и особой настройки, надо всего лишь настроить R4 - это порог чувствительности детектора.

Удлиняющая катушка L1 повышает ее эффективность. Входной контур L2 C2 настроен на частоту около 330 кГц.

L2-мотается на любом контуре от старого радиоприемника, диаметр каркаса 5мм, 360витков провода 0.2мм, высота намотки 10мм. Контур L1 теже параметры только 58 витков провода 0.2мм в моем варианте этой катушки нет, я её заменил на другую - с ней можно поэксперементировать.

Печатная плата в формате LAY.

Принцип действия : усиленный транзистором VT1 сигнал поступает на регистрирующий каскад (VT2- VT4). ВЧ импульс открывает транзисторы VT2 и VT3 и разряжает конденсатор С4. Ток его зарядки, проходя через диод VD1 и резистор R6, приводит к более длительному открыванию транзистора VT4 и зажиганию индикаторной лампочки VL1.

Можно применить светодиод или звуковой индикатор со встроенным генератором - что вам удобнее. Проверить регистратор можно с помощью пьезозажигалки - щелкая зажигалкой на расстоянии полметра от антены. Рекомендуется заземлить устройство, так будет больше чувствительность.

Данное устройство отлично подойдет для тех, кто занимается туризмом, походами, и не только.Оно позволяет обнаруживать грозу в радиусе примерно 80 км, что позволит вовремя найти укрытие, спрятаться, отключить электрооборудование.

Удлиняющая катушка L1 повышает ее эффективность. Входной контур L2 C2 настроен на частоту около 330 кГц.

Принцип действия : выделенный в колебательном контуре и усиленный транзистором VT1 сигнал поступает на регистрирующий каскад (VT2- VT4). ВЧ импульс открывает транзисторы VT2 и VT3 и разряжает конденсатор С4. Ток его зарядки, проходя через диод VD1 и резистор R6, приводит к более длительному открыванию транзистора VT4 и зажиганию индикаторной лампочки VL1.

Можно применить светодиод или звуковой индикатор со встроенным генератором - что вам удобнее. Проверить регистратор можно с помощью пьезозажигалки - щелкая зажигалкой на расстоянии полметра от антены. Рекомендуется заземлить устройство, для большей чувствительности.