Молния – одно из самых мощных и непредсказуемых явлений природы, но, к счастью, у нас есть технологии, которые помогают быть на шаг впереди грозы. Датчики молний (грозоотметчики) предназначены для улавливания электромагнитных сигналов, генерируемых ударами молний, предупреждая пользователей о приближении грозы.
Хотите собрать модуль грозоотметчика с нуля? Это руководство для начинающих любителей и мастеров быстро раскроет некоторые практические секреты обнаружения молний.
Давайте начнем с простого и выполнимого подхода: датчика молний AS3935 – компактной микросхемы с низким энергопотреблением, которая даже радиолюбителям с небольшим стажем позволяет добавлять возможности обнаружения гроз в свои проекты.
Микросхема AS3935 способна обнаруживать удары молнии на расстоянии до 40 км, оценивать расстояние до них и отфильтровывать ложные срабатывания, вызванные электрическими помехами. Благодаря поддержке интерфейсов I2C и SPI, а также регулируемой чувствительности для использования внутри и снаружи помещений, устройство легко интегрируется с популярными платформами, такими как Arduino или Raspberry Pi.
Таким образом, независимо от того, создаете ли вы компактную метеостанцию или умное устройство для улицы, AS3935 предлагает надежный и привлекательный способ адаптации вашего проекта к климатическим условиям. Насколько мне известно, практически во всех готовых модулях датчиков молний, доступных сегодня (один из них можно увидеть на Рисунке 1), используются датчики молний AS3935 от AMS в сочетании с антенной MA5532-AE от Coilcraft, работающей в диапазоне от 500 кГц до 2 МГц.
 |
|
| Рисунок 1. | Модуль содержит микросхему датчика молний AMS AS3935 и антенну Coilcraft. |
Почти десять лет назад я приобрел версию модуля AS3935 (SEN0290) от DFRobot и провел несколько быстрых тестов с моим Arduino. Результаты оказались впечатляющими и продемонстрировали безупречную работу системы.
На Рисунке 2 представлена уточненная схема случайно выбранного модуля датчика молний AS3935 (исходная схема была упрощена путем удаления ненужных элементов для большей наглядности).
 |
|
| Рисунок 2. | На принципиальной схеме показаны детали конструкции модуля датчика молний AS3935. |
Конечно же, AS3935 может похвастаться настраиваемой встроенной антенной, фирменным алгоритмом обнаружения молний и функцией оценки расстояния. Однако его стоимость может оказаться непомерно высокой для любительских и учебных проектов. В то же время, у микросхемы AS3935 может не быть прямых недорогих аналогов из-за ее узкоспециализированного назначения, развития технологий и интеграции с другими технологиями.
Так что же делать? Давайте рассмотрим несколько доступных аналоговых схем (нет никаких оснований полагать, что первая из них обязательно должна быть лучшей).
Помните этот треск в вашем AM-радио во время грозы? Это были статические разряды при ударах молний. Следуя этому, на блок-схеме на Рисунке 3 показана простая установка для выдачи аудиовизуальных предупреждений о надвигающейся грозе.
 |
|
| Рисунок 3. | Простая установка для выдачи аудиовизуальных предупреждений о грозах. |
В системе используется входная часть AM-радио для обработки сигналов с настроенной приемной катушки. До того, как захваченные сигналы достигнут расширителя импульсов, управляющего визуальным индикатором, они проходят через радиотракт, включающий в себя ВЧ-усилитель, детектор и схему автоматической регулировки усиления (АРУ), и дополнительно усиливаются следующим каскадом. В дополнение к этому, звуковой генератор вырабатывает тональные импульсы, управляя звуковым оповещателем, создающим слышимые сигналы.
В качестве краткого совета: рассмотрите возможность использования во входной части вашего проекта проверенной временем микросхемы AM-радио TA7642. Выбор этой классики не случаен: ее надежность не имеет себе равных.
С другой стороны, если вы рассматриваете варианты с использованием широкополосных усилителей, отличным выбором станет MAR-1+ из серии MAR компании Mini-Circuits, поскольку он обеспечивает надежную работу в широком диапазоне частот (Рисунок 4).
 |
|
| Рисунок 4. | Монолитный усилитель обеспечивает надежную работу в широком диапазоне частот. |
Насколько мне известно, обе упомянутые выше микросхемы по-прежнему доступны, хотя и у ограниченного числа поставщиков. Вообще, с этой задачей могут блестяще справиться множество схем радиочастотных детекторов. А дальше все зависит от вас.
Имейте в виду, что далекая молния, даже невидимая, может создавать значительные электромагнитные излучения (ЭМИ). Будь то разряд между облаками или между облаком и землей, молния переносит огромный ток, изменяющийся с большой скоростью.
Этот дуговой разряд создает широкий спектр гармоник, простирающийся далеко в высокочастотную область радиочастотного спектра. Это значит, что хорошо адаптированные версии существующих схем детекторов ЭМИ/ЭМП могут с высокой эффективностью использоваться для регистрации подобных электромагнитных импульсных помех, вызванных грозовыми разрядами.
Сегодня для обнаружения молний у нас есть солидный выбор средств: радиочастотные детекторы, измерители электрического поля и даже оптические мониторы. Они обеспечивают раннее предупреждение о грозе, а некоторые системы даже могут дистанционно запускать или останавливать резервные электрогенераторы.
Отвлечемся на время; современные оптические детекторы молний расширяют возможности раннего оповещения, выявляя грозовые разряды между облаками, которые обычно предшествуют разрядам между облаками и землей. На Рисунке 5 показана каноническая идея конструкции, которая может послужить отправной точкой для дальнейших экспериментов и разработок. Что-то очень похожее я использовал для включения моей водонепроницаемой камеры, установленной на крыше, и делал потрясающие снимки молний.
 |
|
| Рисунок 5. | В ответ на нарастающий фронт входного сигнала схема генерирует чистый выходной импульс фиксированной длительности. |
Эта схема основана на ждущем мультивибраторе (обычно с использованием микросхемы таймера 555), который формирует отрицательный импульс длительностью приблизительно 1000 мс, определяемой номиналами компонентов RC-цепи. Обнаружение переднего фронта происходит за счет связи фототранзистора через конденсатор с пороговым входом таймера. Это гарантирует, что запуск импульса будет происходить только при изменяющихся, а не при установившихся состояниях.
Выход (TP1) подходит для управления оптопарами (нормально включенными или нормально выключенными), обеспечивая гальваническую развязку для взаимодействия с последующими цепями.
Как уже отмечалось, молния создает интенсивную вспышку света, которую в большинстве случаев можно обнаружить с помощью обычного фототранзистора. Для улучшения характеристик к фототранзистору можно добавить подходящий оптический фильтр, обеспечивающий относительно равномерную спектральную чувствительность во всем видимом диапазоне и в ближнем инфракрасном диапазоне.
Для предварительной проверки я собрал прототип на беспаечной макетной плате и использовал дешевый брелок со стробоскопом для имитации вспышек молний и оценки реакции схемы (Рисунок 6).
 |
|
| Рисунок 6. | Для имитации вспышек молний в прототипе использовался дешевый брелок-стробоскоп. |
Выбор компонентов определялся тем, что имелось в наличии в лаборатории. Я использовал фототранзистор PT334-6C просто потому, что он оказался под рукой, и не рассматривал альтернативные варианты. Имейте в виду, что это лишь предварительная конструкция. Для достижения оптимальных результатов потребуются значительные усилия по доработке оптической части схемы.
Купить AS3935 на РадиоЛоцман.Цены
