Андрей Кашкаров - Современная электроника в новых практических схемах и конструкциях
Радиоаппаратуру желательно отключать при приближении грозы.
Близкая гроза видна и слышна, но как получить предупреждение о ней заранее? Ведь это нужно всем: туристам и рыболовам, яхтсменам и радиолюбителям, проводящим в эфире многие часы. Раннее предупреждение о грозовой опасности очень важно и другим людям, работающим или отдыхающим далеко от укрытий.
1.2.1. Методы измерения грозовой активности в цифрах
Известны два метода регистрации грозовой активности. Оба они изобретены и исследованы в конце XIX – начале XX века.
Статический – фиксация происходит по возрастанию напряженности электрического поля в атмосфере от 100 В/м (в обычном состоянии) до 1—40 кВ/м перед грозой (случаются разряды молний и при ясном небе). Этот метод широко известен многим из курса физики.
Прибор, которым можно зафиксировать напряженность поля, называют электрометром.
Современные электрометры не требуют сложных антенн, регистрируют электрическое поле атмосферы, даже если установить прибор контроля на подоконник, а электрическое поле предварительно наэлектризованной расчески из смеси пластмасс – на расстоянии в 1–2 м (предварительно наэлектризованную (натертую) эбонитовую палочку «увидят» издалека).
Второй метод – электромагнитный, в нем фиксация напряженности поля происходит по спектральному составу и интенсивности импульсов радиоволн с частотой 7—100 кГц, излучаемых молниями (разрядами).
Недаром одним из признаков приближающейся грозы является повышенный уровень шорохов (тресков), воспринимаемых человеческим ухом при прослушивании сигналов радиостанций в различных диапазонах длинных и средних волн.
Считается, что этот метод изобрел А. С. Попов.
По этому принципу создано устройство индикатора грозовых разрядов, электрическая схема которого представлена на рис. 1.5.
Рис. 1.5. Электрическая схема индикатора грозовых разрядов
1.2.2. Принцип работы устройства
Удлиняющая катушка L1, верхний (по схеме) вывод которой подключен к антенне WA1 – штырю 45–60 см, повышает эффективность входного контура L2C1 устройства. Входной контур настроен на частоту 330 кГц (выше максимума спектральной плотности импульсов радиоволн, излучаемых грозовыми электрическими разрядами).
Настройка входного контура устройства определяет также и то расстояние, с которого можно «засечь» приближающуюся грозу. При указанных на схеме элементах устройство зафиксирует приближающуюся грозу с расстояния 130–150 км (эксперимент с готовым устройством проводился в с. Ерахтур, Рязанской обл, Шиловского района летом 2007 г).
Усиленный транзистором VT1 сигнал поступает на регистрирующий каскад (VT2—VT4). Высокочастотный (ВЧ) импульс (усиленный VT1) амплитудой напряжения 1–3 В способствует тому, что транзисторы VT2 и VT3 открываются, и разряжается оксидный конденсатор С4. Ток зарядки конденсатора С4 проходит через высокочастотный диод VD1 и резистор R5, что приводит к задержке закрывания транзистора VT4 и зажиганию индикаторного светодиода НL1.
1.2.3. О деталях
Катушки L1 и L2 дроссели типа ДПМ-1, ДПМ2, ДМ, Д179–0,01 с указанными на электрической схеме соответствующими значениями индуктивности.
Вместо светодиода HL1 можно применить другой индикаторный светодиод (с током до 12 мА, чтобы устройство не потеряло в экономичности) или звуковой индикатор (например, KPI-4332–12 со встроенным генератором звуковой частоты). Звуковой индикатор вместо светодиода HL1 включают согласно указанным на его корпусе полюсам.
Резистором R4 устанавливают порог срабатывания (чувствительность) устройства.
Напряжение питания устройства 3–6 В постоянного тока. В качестве источника питания подходят 2–3 пальчиковые батарейки (аккумуляторы) типа ААА или АА или стабилизированный адаптер обязательно с трансформаторной развязкой от сети 220 В.
Поскольку устройство работает на сравнительно низких частотах, то особых требований к его элементам нет.
Транзисторы VT1—VT4 могут быть любые кремниевые малой мощности и соответствующей структуры. Вместо VT1, VT3, VT4 можно применить КТ3102 с любым буквенным индексом, 2N4401 или аналогичные по электрическим характеристикам.
Транзистор VT2 – р – п-р проводимости, например, КТ3107 с любым буквенным индексом или 2N4403.
Диод VD1 – любой импульсный (германиевый или кремниевый), например, Д9, Д18, КД503.
1.2.4. Налаживание
Устройство в налаживании не нуждается (кроме установки порога срабатывания переменным резистором R4).
Как проверить?
Правильное собранное из исправных деталей устройство просто проверить. Поднесите готовое устройство с подключенными элементами питания на 1,5–2 м к газовой плите с автоподжигом. Нажимайте кратковременно на кнопку автоподжига плиты. Индикаторный светодиод должен реагировать короткими вспышками. Если нет плиты с автоподжигом, устройство можно проверить иначе, с помощью зажигалки с пьезоэлементом. Светодиод должен кратко вспыхивать при «включении» пьезоэлемента зажигалки на расстоянии до нее 0,5–1 м.
1.2.5. Варианты практического применения
Кроме дальнего обнаружения приближающегося грозового фронта устройство хорошо работает и на близких дистанциях. Так, можно проверять работоспособность газовых плит с автоподжигом, пьезоэлектрических зажигалок (для газовых плит – есть такие отдельные устройства виде огромной спички), а также находить источники плохого контакта в электрических коммуникациях – как в закрытом помещении, так и «на воздухе». Плохой электрический контакт, например, в электропроводке (являющийся источником электромагнитных помех устройствам радиосвязи) с помощью индикатора грозовых разрядов находится с расстояния в несколько метров даже в том случае, если источник плохого контакта находится глубоко в стене.
1.2.6. Промышленные устройства аналогичного назначения
Портативные индикаторы грозовых разрядов (с ЖКИ) мне удавалось не раз видеть в свободной продаже. Как правило, эти приборы отображают скорость приближения грозы, время до ее прихода, ожидаемую интенсивность и другие параметры. Сигнализация – звуковая и световая. Прием импульсов радиоволн ведется на магнитную антенну, анализ их интенсивности, частоты и спектрального состава позволяет «умному» электронному устройству сделать вывод о приближении грозы.
1.3. Линейная индикаторная шкала
Большинство описанных схем компараторов напряжения в которых индикаторами служат линейки из светодиодов построены по принципу параллельного сравнения входного напряжения (отсюда необходимость в большом числе сравнивающих устройств – компараторов). Количество сравнивающих устройств соответствует количеству каналов (светодиодов) в линейке.
Такого недостатка лишена представленная на рис. 1.6 схема, с последовательным сравнением входного напряжения, в которой имеется только один компаратор, сравнивающий сигнал постоянного напряжения на входе с циклически изменяющимся образцовым напряжением.
Рис. 1.6. Электрическая схема устройства индикаторной шкалы
Результаты сравнения передаются на сдвиговый регистр на микросхеме D2, с выхода которого снимаются на индикаторную линейку параллельным кодом. Такое схемное решение позволяет обеспечить большую точность, наглядность и динамичность показаний. На ряду с другими положительными отличительными качествами этого устройства перед другими аналогичными – простотой изготовления, недорогими деталями, не критичностью к питающему напряжению– оно способно конкурировать за свою популярность среди радиолюбителей и профессионалов. На вход схемы можно подавать (путем маленькой доработки) переменное напряжение, импульсы – тогда оно может стать универсальным, точным индикатором со световой шкалой, не уступающей по динамике изменения показаний и точности стрелочным приборам с классом 2. В линейке светодиодов следует учитывать дискретность показаний и при необходимости проградуировать световую шкалу.
1.3.1. Принцип работы устройства
Схема работает следующим образом. Тактовый генератор на популярной КМОП – микросхеме К561ЛА7 вырабатывает прямоугольные импульсы. Максимальная тактовая частота регистра при напряжении питания 5 В – 2 МГц, Uп = 12 В, fmax=5 МГц. Они поступают на тактовый вход С регистра последовательного приближения D2, осуществляя потактовый сдвиг информации, загружаемой в регистр. Параллельно с этим протекает процесс измерения уровня входящего напряжения с помощью компаратора D3. Результат сравнения (высокий или низкий логический уровень) с выхода компаратора поступает на вход D данных регистра, определяя тем самым состояние его выходов. По окончания цикла преобразования входного аналогового сигнала в серию логических импульсов, на выходе СС регистра (вывод 3) появляется активный сигнал логического «нуля», который действует на вход логики D4.1. Элементы D4.1, D1.3 вырабатывает импульс остановки. Поэтому поступление импульсов на тактовый вход С регистром не воспринимается и светодиодная шкала индикатора регистрирует достигнутый входным сигналом уровень. Запирающий низкий уровень берется с выхода пересчета Q1 (второй младший разряд), так как применена светодиодная линейка из десяти светодиодов. Если применить последовательно три линейки по четыре светодиода или линейку на 12 светодиодов – их подключают последовательно к выходам Q11 – Q0 регистра. Тогда элементы логики D1.3, D4.1 исключаются, а вывод 3 (СС) соединяется с выводом 14 (St) регистра и от этого регистр последовательного приближения работает непрерывно, циклично.
