如何制作一個能夠預(yù)報雷電的報警器？

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，雷電發(fā)生時常會引起家庭失火、損壞家用電器，甚至危及人身安全！每年的5月～9月是我國雷雨頻發(fā)的季節(jié)，科學(xué)預(yù)防雷電災(zāi)害活動具有極其重要的意義。

如果自己動手制作一個能夠預(yù)報雷電的報警器，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，我們可以及時采取相關(guān)的防雷擊措施，如斷開家用電器的電源、拔掉計算機調(diào)制解調(diào)器的數(shù)據(jù)傳輸線、不使用電話和手機等，做到防患于未然！

圖1 雷電預(yù)報器電路圖

工作原理

這個雷電報警器的電路如圖1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狀態(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，所以還具有一定的使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。

圖2 所用元器件實物外形圖

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2所示的實物集體照一一進行配購。

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)β＞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3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φ14mm×7.5mm，重量0.9g；發(fā)聲頻率為4.0±0.5 kHZ（連續(xù)單音），聲壓電平≥80dB；直流工作電壓范圍3V～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φ1mm、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。

圖3 CPB14A12-4.0型壓電陶瓷蜂鳴器

制作方法

整個制作過程可分為焊接電路、調(diào)試電路和組裝3大步驟來完成，現(xiàn)分步介紹如下：

第1步，焊接電路。首先，裁取一塊尺寸約為35 mm×20mm的單孔“洞洞板”，按照圖4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）。焊接時充分利用元器件引腳飛線連接，要求焊點光要求焊點光亮整潔。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。焊接時注意，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。焊接好的實物如圖5所示。

圖4?“洞洞板”接線圖

圖5?焊接好的電路

第2步，調(diào)試電路。焊接好的電路，經(jīng)檢查無問題后，便可按圖6（a）所示接通9V疊層干電池，開始進行調(diào)試。具體方法：首先，按照圖6（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方向旋轉(zhuǎn)小螺絲刀，一邊聽HA是否開始發(fā)聲。當壓電陶瓷蜂鳴器HA發(fā)聲時，即停止順時針方向旋轉(zhuǎn)小螺絲刀，并反方向（逆時針）稍退回一點點，使HA停止發(fā)聲，即獲最佳工作狀態(tài)。

然后，按圖6（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1s～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，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。

圖6?電路的調(diào)試

使用方法雷電預(yù)報器做成功以后，可擺放在計算機桌旁或經(jīng)常有人的地方，進行每天24小時全天候的雷電預(yù)報工作。一旦預(yù)報器反復(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。

需要指出的是，該預(yù)報器不僅能夠探測靜電放電，而且還能探測附近各種電器產(chǎn)生的“電火花”。每當開關(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時，人體就會帶上較高的靜電，當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，不要預(yù)報器一發(fā)聲就判斷為雷電將至。如果使用中發(fā)現(xiàn)預(yù)報器的探測靈敏度不夠理想，可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。該預(yù)報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。