1.8　雷電探測器

雷雨季節(jié)，我們常會看到電光閃閃，聽到雷聲隆隆，這就是人們常說的雷電。雷電對人類的危害性眾所周知，就每家每戶而言，時有雷電引發(fā)的家庭失火、家用電器被擊毀等消息見諸媒體，甚至危及人身安全的報道也屢見不鮮。據(jù)國家氣象局的不完全統(tǒng)計，我國每年因雷擊傷亡人數(shù)逾千，造成的直接經(jīng)濟損失更是無法估量。正因為如此，“聯(lián)合國國際減災(zāi)十年委員會”將雷電災(zāi)害列為最嚴(yán)重的十種自然災(zāi)害之一。每年的5～9月是我國雷雨頻發(fā)的季節(jié)，宣傳和開展有關(guān)全民科學(xué)預(yù)防雷電災(zāi)害活動具有極其重要的意義。

日常生活中，雷電往往通過電氣線路及其設(shè)備對財產(chǎn)和人身造成傷害，增強家庭尤其是電工的防雷電意識非常重要！如果動手制作一個如圖1-63所示的雷電探測器，把它擺放在正在工作的電視機、電腦或其他家用電器的旁邊，便可在雷雨到來之前，探測出遠處天空云層間或云層與大地之間的放電，對雷電進行早期預(yù)警。這樣，我們就可以提前采取相關(guān)的防雷擊措施，如關(guān)掉電視機、拔掉電腦調(diào)制解調(diào)器的數(shù)據(jù)傳輸線、斷開家用電器的電源、不使用電話和手機等，做到防患于未然，避免雷電造成重大傷害事故。

1.8.1　工作原理

雷電探測器電路如圖1-64所示，它實際上是一個高靈敏度的靜電放電檢測器。晶體三極管VT1、VT2組成直流耦合式自激振蕩電路，其正反饋回路總增益由微調(diào)電位器RP來設(shè)定。晶體三極管VT3與晶體二極管VD、耦合電容器C4等組成整流開關(guān)電路。HA為微型壓電陶瓷蜂鳴器。

平時，由晶體三極管VT1和VT2組成的振蕩電路處于臨界自激振蕩狀態(tài)，晶體三極管VT3因無合適偏壓而處于截止?fàn)顟B(tài)，壓電陶瓷蜂鳴器HA無電不工作。此時，整個電路耗電甚微，實測靜態(tài)總電流≤60μA。每當(dāng)遠處云層放電或已發(fā)生雷擊（云層與地面之間的放電）時，天線W檢測到感應(yīng)電信號，并經(jīng)電容器C1耦合到晶體三極管VT1的基極，觸發(fā)振蕩電路同步起振。于是，VT2的集電極就會輸出約42kHz的振蕩電信號，經(jīng)電容器C4耦合、晶體二極管VD整流后，向VT3的基極提供合適的正向偏置電壓，使VT3導(dǎo)通，壓電陶瓷蜂鳴器HA通電發(fā)出單音“嘀……”聲，提醒主人：雷電將至，注意預(yù)防！

電路中，電容器C3設(shè)定了晶體三極管VT2發(fā)射極的固定相位，而接在微調(diào)電位器RP滑動觸點上的電容器C2在振蕩時會增加相移。C5為晶體三極管VT3輸出電壓的濾波兼延時電容器，它不僅能夠使壓電陶瓷蜂鳴器HA兩端獲得平穩(wěn)的工作電壓，使HA發(fā)聲更響亮，而且由于其容量選擇比較大，因此還具有一定的使HA延時發(fā)聲作用。C6為電源濾波電容器，它能夠降低電池G的交流內(nèi)電阻，避免電路產(chǎn)生阻塞振蕩，相對延長電池使用壽命。

1.8.2　元器件選擇

該制作總共用了19個電子元器件和配件，可對照圖1-65所示的實物集體照一一進行配購。各元器件具體說明如下。

晶體管VT1～VT3均用9014（集電極最大允許電流ICM=0.1A，集電極最大允許功耗PCM=310mW）型硅NPN小功率三極管，要求電流放大系數(shù)b＞200。實際上任何同類型的小功率、高增益晶體三極管（如3DG8、BC109C等），都可以在這里使用。VD用1N4148型硅開關(guān)二極管。

HA選用CPB14A12-4.0型自帶音源微型直流壓電陶瓷蜂鳴器，其外形尺寸及引腳排列如圖1-66所示。它實質(zhì)上是一個內(nèi)含振蕩電路和壓電陶瓷片的有源發(fā)聲器；它不需要外加任何音頻驅(qū)動電路，只要接通直流電源就能直接發(fā)聲，使用非常方便。CPB14A12-4.0的主要參數(shù)：外形尺寸為?14mm×7.5mm，質(zhì)量0.9g；發(fā)聲頻率為4.0kHz±0.5kHz（連續(xù)單音），聲壓電平≥80dB；直流工作電壓范圍3～15V，工作電流≤7mA，工作溫度范圍-20～70℃。該壓電陶瓷蜂鳴器屬于微功耗器件，被廣泛應(yīng)用在各種儀器、儀表和微型報警裝置上作發(fā)聲器件。

RP選用普通塑料封裝的小型臥式微調(diào)電位器。R1～R4一律用RTX-1/4W型碳膜電阻器。C1、C2用CC1型高頻瓷介電容器；C3、C4用CT1型低頻瓷介電容器；C5、C6用CD11-16V型電解電容器。

天線W可用一段?1mm、長度150mm的鐵（銅）絲。如果希望作品更美觀一些的話，可選用便攜式收音機常用的150mm長度的拉桿天線。G采用6F22-9V型疊層干電池，要求配上撳鈕式接線扣板。本裝置不設(shè)電源開關(guān)，用畢從撳鈕式接線扣板上取下干電池即可。

1.8.3　動手制作

整個制作過程可分為焊接電路、調(diào)試電路和組裝三大步驟來完成，現(xiàn)分步介紹如下。

第一步：焊接電路。

裁取一塊尺寸約為35mm×20mm的單孔“洞洞板”，按照圖1-67給出的電路板接線圖進行焊接（注意：焊接面朝向讀者，元器件在板的背面）。采用“洞洞板”的好處是取材簡便、成本低廉、使用方便，可達到事半功倍的效果。焊接好的實物如圖1-68所示。

焊接時注意，應(yīng)充分利用元器件引腳飛線連接，要求焊點光亮整潔。壓電陶瓷蜂鳴器HA通過4cm長的兩根細電線焊接在“洞洞板”上，電池扣板的引線長度以7cm左右為宜。

第二步：調(diào)試電路。

焊接好的電路，經(jīng)檢查無問題后，便可按圖1-69（a）所示接通9V疊層干電池，開始進行調(diào)試。

首先，按照圖1-69（b）所示，用小螺絲刀緩慢調(diào)節(jié)微調(diào)電位器RP的電阻值，使壓電陶瓷蜂鳴器HA處于臨界發(fā)聲狀態(tài)（即振蕩電路處于臨界起振狀態(tài)）。調(diào)節(jié)RP電阻值的技巧是，可預(yù)先將小螺絲刀逆時針旋轉(zhuǎn)至HA不發(fā)聲，接著一邊緩慢順時針旋轉(zhuǎn)小螺絲刀，一邊聽HA是否開始發(fā)聲。當(dāng)壓電陶瓷蜂鳴器HA發(fā)聲時，即停止順時針旋轉(zhuǎn)小螺絲刀，并反方向（逆時針）稍退回一點點小螺絲刀，使HA停止發(fā)聲，即獲最佳工作狀態(tài)。

然后，按照圖1-69（c）所示，用小螺絲刀或手指直接去觸及一下天線W，則壓電陶瓷蜂鳴器HA應(yīng)發(fā)聲1～2s。如果HA連續(xù)發(fā)聲或根本不發(fā)聲，則說明探測器的靈敏度過高或太低，應(yīng)重新微調(diào)RP，再進行檢測，直到符合要求。還可以按照圖1-69（d）所示，用塑料梳子連續(xù)梳干燥的頭發(fā)十多下，使塑料梳子與頭發(fā)摩擦后帶上靜電，并按圖1-69（e）所示，在距離天線W約2m遠的地方用手指逼近塑料梳子使其放電，以檢驗?zāi)芊褡寜弘娞沾煞澍Q器HA可靠發(fā)聲1～2s。如果不符合要求，亦應(yīng)重新細調(diào)RP，直至達到要求為止。

第三步：進行組裝。

組裝的主要任務(wù)，就是將焊裝并調(diào)試好的電路裝入一個市售“天線寶寶”造型的塑料手機按鍵式兒童音響玩具體內(nèi)（也可根據(jù)個人喜好選擇其他造型的外殼）。

首先，到兒童玩具店鋪去購買一個圖1-70（a）所示的“天線寶寶”造型（身高16cm、身寬6.8cm）的手機按鍵式兒童音響玩具。該玩具上市時間長、銷售量大、單價僅5元左右，它內(nèi)裝兩節(jié)5號干電池，每當(dāng)按動面板上的模擬手機按鍵（內(nèi)部全部并聯(lián)）時，機內(nèi)揚聲器會依次發(fā)出模擬電話鈴聲、小孩笑聲、小鳥叫聲和快樂兒歌聲來，同時安裝在頭部的小燈泡還會隨聲音大小及節(jié)奏變化閃閃發(fā)光，十分有趣。

其次，按照圖1-70（b）所示，退出“天線寶寶”身體背面的4顆小自攻螺釘，打開殼體；拆除圖1-70（c）所示的所有電路及仿真天線、吊掛繩等不用；按照圖1-70（d）所示，用美工刀切割掉電池倉的底部，以擴展電池倉空間，能夠容納下9V疊層干電池；按照圖1-70（e）所示，用美工刀切割掉殼體前蓋內(nèi)“頭部”原用于頂固揚聲器的塑料桿，以騰出較大空間，便于安裝電路板；按照圖1-70（f）所示，采用電烙鐵頭燙孔的辦法，在殼體后蓋“頭部”原揚聲器釋音孔的適當(dāng)位置處分別開出?5mm的微調(diào)電位器RP調(diào)節(jié)孔（用于伸進小螺絲刀頭）和?14mm的壓電陶瓷蜂鳴器HA安裝孔，并用美工刀削掉孔口沿凸出的多余塑料和毛刺等。

再次，采用電烙鐵直接加熱熔化熱熔膠棒的簡便方法，按照圖1-70（g）所示，將壓電陶瓷蜂鳴器HA粘固在“天線寶寶”殼體后蓋“頭部”所專門開出的?14mm安裝孔處；接著按照圖1-70（h）所示，用熱熔膠粘固好天線W和電池扣板的引線，注意天線W從原來安裝仿真天線和引出吊掛繩的小孔引出。粘固妥當(dāng)電路后，合上“天線寶寶”前、后殼體，參考圖1-70（b），重新緊固好4顆小自攻螺釘。

最后，按照圖1-70（i）所示，在電池倉接上9V疊層干電池，并裝上電池倉后蓋，電路即通電開始工作。為了突出制作的個性化特征，可按照圖1-70（j）所示設(shè)計一個寬為4mm、高為4.5mm的標(biāo)牌（可用計算機圖形軟件設(shè)計，用彩色噴墨打印機在照片紙上打印出來，并用剪刀裁剪合適），將它按圖1-70（k）所示用雙面不干膠粘貼在“天線寶寶”原來模擬手機按鍵的位置處。制作成功的雷電探測器外形如圖1-70（l）所示，造型還不錯吧。

1.8.4　投入使用

雷電探測器做成功以后，可像圖1-71所示的那樣擺放在電腦（或其他家用電器）旁邊，進行24h全天候的雷電預(yù)報工作。一旦“天線寶寶”反復(fù)發(fā)聲，在排除其他靜電放電干擾的情況下，便說明雷電即將到來。有時“天線寶寶”發(fā)聲后，隔數(shù)秒鐘會聽見遠方傳來的沉悶雷電聲，而在夜晚還會看到遠方天空的閃電光（與“天線寶寶”發(fā)聲同步）。這是電波以3.0×108m/s的速度傳播至“天線寶寶”，閃電光同樣以3.0×108m/s的速度傳至人眼，而雷聲卻以340m/s（15℃空氣中）的低速度傳播至人耳的緣故。如果對照鐘表讀出“天線寶寶”開始發(fā)聲至聽見雷聲的時間，再乘以340m/s的聲音傳播速度，則可求得雷電發(fā)生處到自己處的直線距離來。

需要指出的是，該雷電探測器不僅能夠探測靜電放電，而且能探測附近各種電器產(chǎn)生的“電火花”。每當(dāng)開關(guān)附近的電燈或其他用電器的電源開關(guān)時，“天線寶寶”均會發(fā)聲1～2s；而如果房間空氣比較干燥，人體就會帶上較高的靜電，當(dāng)用手去接觸金屬門拉手或其他物體時，只要產(chǎn)生靜電放電，亦會觸發(fā)不遠處的“天線寶寶”發(fā)聲1～2s。使用中應(yīng)注意加以區(qū)分，不要雷電探測器一有發(fā)聲就判斷為雷電將至。

如果使用中發(fā)現(xiàn)雷電探測器的探測靈敏度不夠理想，可按照圖1-72所示，隨時將小螺絲刀伸進“天線寶寶”頭部所開的電位器RP調(diào)節(jié)孔，按照前面所講的電路調(diào)試方法，微調(diào)電位器RP的電阻值，并進行靈敏度測試，直到滿意為止。

該雷電探測器一般可檢測到半徑5km范圍內(nèi)的云中放電。其電路靜態(tài)工作電流≤60μA，報警時工作電流為4mA左右。每換一塊9V新干電池，通常可連續(xù)監(jiān)控一年時間。