Реєстратор грози

Завдання роботи:

виготовити і випробувати прототип реєстратора грози.

Обладнання:

– макетна плата;
– дроселі 680 мкГн та 10 мГн;
– керамічні конденсатори ємністю 360 пФ, 10 нФ (2 шт), 4,7 нФ з робочою напругою 50 В;
– електролітичний конденсатор 100…400 мкФ;
– резистори опором 200 кОм, 4,7 кОм, 20 кОм, 2,2 кОм, 2,7 кОм, 30 Ом та 150 Ом, 0,25…1 Вт;
– змінний резистор 10 кОм;
– біполярні npn-транзистори BC107 та 2N3904 (2 шт);
– біполярний pnp-транзистор 2N3906;
– діод BAT41;
– червоний світлодіод;
– з’єднувальні провідники;
– елемент живлення 3 В;
– тримач елемента живлення зі з’єднувальними проводами;
– викрутка.

Основні терміни та поняття

РОЗРЯД У РОЗРІДЖЕНИХ ГАЗАХ – ТЛІЮЧИЙ РОЗРЯД. БЛИСКАВКА, ПЛАЗМА ВИПРОМІНЮВАННЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ ВІДКРИТИМ КОЛИВАЛЬНИМ КОНТУРОМ – ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ КЛАСИФІКАЦІЯ РАДІОХВИЛЬ І ОСОБЛИВОСТІ ЇХ ПОШИРЕННЯ – ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ КОЛИВАЛЬНИИ КОНТУР. ВІЛЬНІ ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ КОЛИВАННЯ – ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ КОЛИВАННЯ

Теоретична частина

Рис. 1. Прототип реєстратора грози

Реєстратором грози називається електронний пристрій, який фіксує віддалені грозові розряди.

Відомі два методи реєстрації грозової активності – статичний та електромагнітний. Статичний метод ґрунтується на зміні напруженості електростатичного поля Землі від близько 100 В/м у звичайному стані до 1…40 кВ/м перед грозою.

Електромагнітний метод базується на прийомі й детектуванні електромагнітних хвиль від розрядів блискавок віддалених гроз.

У цій практичній роботі пропонується виготовити і випробувати прототип реєстратора грози, дія якого ґрунтується на електромагнітному методі.

Принципова схема реєстратора грози представлена на рисунку 2.

Рис. 2. Принципова схема реєстратора грози

Котушка індуктивності L1 та конденсатор С1 утворюють коливний контур. Сигнал з антени АNT подається до коливного контуру через котушку індуктивності L2. Котушка L2 використовується для підвищення чутливості антени. У радіотехніці таке підвищення чутливості антени за допомогою додаткової котушки називається подовженням антени, а котушка – котушкою-подовжувачем.

Коли в антені наводиться сигнал від розряду блискавки, в коливному контурі виникають коливання, які підсилюються транзистором VT1. Підсилений сигнал подається до реєструвального каскаду, виконаного на транзисторах VT2 – VT4. При відкритті транзистора VT2 конденсатор С4, який був попередньо зарядженим, розряджається через транзистор VT2 і резистор R5 на базу транзистора VT3. При відкриванні транзистора VT3 відкривається і транзистор VT4. При розряді конденсатора С4 через діод VD1 та резистор R6 починає текти струм, який заряджає конденсатор С4 і забезпечує більш тривале відкриття транзистора VT4. При відкритті транзистора VT4 засвічується світлодіод VD2. Збільшення тривалості відкривання транзистора VT4 необхідне, щоб світлодіод засвічувався на час, достатній для того, щоб його реєструвало людське око.

Змінним резистором R4 регулюється поріг чутливості реєструвального каскаду.

Коливний контур реєстратора грози рекомендується налаштовувати на частоту 300…350 кГц. Насправді під час грозового розряду генерується електромагнітний імпульс, який охоплює досить широкий діапазон частот. Електромагнітні хвилі більш низьких частот (довші) розповсюджуються на більш далекі відстані, а більш високих частот (коротші) – навпаки, на менші відстані. Частота налаштування контуру на 300…350 кГц забезпечить впевнену реєстрацію грозових розрядів на відстані до 80…100 км без реєстрації дуже далеких грозових розрядів, що зазвичай і потрібно для прогнозування грози і своєчасного захисту від неї. Крім того, в цьому частотному діапазоні в Україні, а також у сусідніх країнах не працюють потужні радіостанції, які могли б викликати хибні спрацьовування приладу.

Номінальні параметри (номінали) та найменування компонентів реєстратора грози представлені у таблиці 1.

Таблиця 1. Номінальні параметри та найменування електронних компонентів реєстратора грози

На рисунку 3 представлене розміщення виводів для транзисторів BC107 (а), 2N3906 та 2N3904 (б).

Рис. 3. Розміщення виводів транзисторів: 1 – емітер, 2 – база, 3 – колектор

Антена є відрізком проводу довжиною близько 1,5 м, розташованим вертикально, і з’єднаним із дроселем L2 з’єднувальним проводом під макетні плати.

Хід роботи

1. Складіть на макетній платі прототип реєстратора грози відповідно до схеми на рисунку 2. Під час складання намагайтеся розміщувати елементи якомога компактніше, за можливості використовуйте отвори на макетній платі для розміщення одразу двох виводів елементів. Для з’єднання виводів елементів коливного контуру і каскаду підсилення на транзисторі VT1 замість з’єднувальних проводів під макетні плати використовуйте перемички, виготовлені з мідного дроту. Приклад зібраного реєстратора грози представлено на рисунку 4.

Рис. 4. Приклад зібраної схеми реєстратора грози

2. Розташуйте антену вертикально, біля вікна.
3. Підключіть реєстратор грози до антени.
4. Здійсніть налаштування порогу чутливості реєстратора грози. Для цього експериментально встановіть таке положення резистора R4, за якого світлодіод реєстратора буде засвічуватися при роботі іскрової електричної запальнички, розташованої на відстані 1,5…2 м від антени.
5. Розпочинайте реєстрацію віддалених гроз. Паралельно з вашими власними спостереженнями спостерігайте за даними онлайн-сервісу грозопеленгації. Зверніть увагу, що дані пеленгації гроз у цьому онлайн-сервісі відображаються із запізненням близько 2 с. Після спрацьовування вашого реєстратора зафіксуйте, в якому місці онлайн-сервіс зафіксує розряд. Щоразу фіксуйте цю відстань.

Аналіз даних

Після того, як наберете достатню кількість даних, дійдіть висновків про дальність реєстрації грозових розрядів вашим приладом.

Спробуйте зменшити і збільшити резонансну частоту коливного контуру, щоразу проводячи комплекс спостережень. Проаналізуйте, як буде змінюватися дальність реєстрації грозових розрядів залежно від частоти налаштування контуру.