1.8　雷电探测器

雷雨季节，我们常会看到电光闪闪，听到雷声隆隆，这就是人们常说的雷电。雷电对人类的危害性众所周知，就每家每户而言，时有雷电引发的家庭失火、家用电器被击毁等消息见诸媒体，甚至危及人身安全的报道也屡见不鲜。据国家气象局的不完全统计，我国每年因雷击伤亡人数逾千，造成的直接经济损失更是无法估量。正因为如此，“联合国国际减灾十年委员会”将雷电灾害列为最严重的十种自然灾害之一。每年的5～9月是我国雷雨频发的季节，宣传和开展有关全民科学预防雷电灾害活动具有极其重要的意义。

日常生活中，雷电往往通过电气线路及其设备对财产和人身造成伤害，增强家庭尤其是电工的防雷电意识非常重要！如果动手制作一个如图1-63所示的雷电探测器，把它摆放在正在工作的电视机、电脑或其他家用电器的旁边，便可在雷雨到来之前，探测出远处天空云层间或云层与大地之间的放电，对雷电进行早期预警。这样，我们就可以提前采取相关的防雷击措施，如关掉电视机、拔掉电脑调制解调器的数据传输线、断开家用电器的电源、不使用电话和手机等，做到防患于未然，避免雷电造成重大伤害事故。

1.8.1　工作原理

雷电探测器电路如图1-64所示，它实际上是一个高灵敏度的静电放电检测器。晶体三极管VT1、VT2组成直流耦合式自激振荡电路，其正反馈回路总增益由微调电位器RP来设定。晶体三极管VT3与晶体二极管VD、耦合电容器C4等组成整流开关电路。HA为微型压电陶瓷蜂鸣器。

平时，由晶体三极管VT1和VT2组成的振荡电路处于临界自激振荡状态，晶体三极管VT3因无合适偏压而处于截止状态，压电陶瓷蜂鸣器HA无电不工作。此时，整个电路耗电甚微，实测静态总电流≤60μA。每当远处云层放电或已发生雷击（云层与地面之间的放电）时，天线W检测到感应电信号，并经电容器C1耦合到晶体三极管VT1的基极，触发振荡电路同步起振。于是，VT2的集电极就会输出约42kHz的振荡电信号，经电容器C4耦合、晶体二极管VD整流后，向VT3的基极提供合适的正向偏置电压，使VT3导通，压电陶瓷蜂鸣器HA通电发出单音“嘀……”声，提醒主人：雷电将至，注意预防！

电路中，电容器C3设定了晶体三极管VT2发射极的固定相位，而接在微调电位器RP滑动触点上的电容器C2在振荡时会增加相移。C5为晶体三极管VT3输出电压的滤波兼延时电容器，它不仅能够使压电陶瓷蜂鸣器HA两端获得平稳的工作电压，使HA发声更响亮，而且由于其容量选择比较大，因此还具有一定的使HA延时发声作用。C6为电源滤波电容器，它能够降低电池G的交流内电阻，避免电路产生阻塞振荡，相对延长电池使用寿命。

1.8.2　元器件选择

该制作总共用了19个电子元器件和配件，可对照图1-65所示的实物集体照一一进行配购。各元器件具体说明如下。

晶体管VT1～VT3均用9014（集电极最大允许电流ICM=0.1A，集电极最大允许功耗PCM=310mW）型硅NPN小功率三极管，要求电流放大系数b＞200。实际上任何同类型的小功率、高增益晶体三极管（如3DG8、BC109C等），都可以在这里使用。VD用1N4148型硅开关二极管。

HA选用CPB14A12-4.0型自带音源微型直流压电陶瓷蜂鸣器，其外形尺寸及引脚排列如图1-66所示。它实质上是一个内含振荡电路和压电陶瓷片的有源发声器；它不需要外加任何音频驱动电路，只要接通直流电源就能直接发声，使用非常方便。CPB14A12-4.0的主要参数：外形尺寸为ϕ14mm×7.5mm，质量0.9g；发声频率为4.0kHz±0.5kHz（连续单音），声压电平≥80dB；直流工作电压范围3～15V，工作电流≤7mA，工作温度范围-20～70℃。该压电陶瓷蜂鸣器属于微功耗器件，被广泛应用在各种仪器、仪表和微型报警装置上作发声器件。

RP选用普通塑料封装的小型卧式微调电位器。R1～R4一律用RTX-1/4W型碳膜电阻器。C1、C2用CC1型高频瓷介电容器；C3、C4用CT1型低频瓷介电容器；C5、C6用CD11-16V型电解电容器。

天线W可用一段ϕ1mm、长度150mm的铁（铜）丝。如果希望作品更美观一些的话，可选用便携式收音机常用的150mm长度的拉杆天线。G采用6F22-9V型叠层干电池，要求配上揿钮式接线扣板。本装置不设电源开关，用毕从揿钮式接线扣板上取下干电池即可。

1.8.3　动手制作

整个制作过程可分为焊接电路、调试电路和组装三大步骤来完成，现分步介绍如下。

第一步：焊接电路。

裁取一块尺寸约为35mm×20mm的单孔“洞洞板”，按照图1-67给出的电路板接线图进行焊接（注意：焊接面朝向读者，元器件在板的背面）。采用“洞洞板”的好处是取材简便、成本低廉、使用方便，可达到事半功倍的效果。焊接好的实物如图1-68所示。

焊接时注意，应充分利用元器件引脚飞线连接，要求焊点光亮整洁。压电陶瓷蜂鸣器HA通过4cm长的两根细电线焊接在“洞洞板”上，电池扣板的引线长度以7cm左右为宜。

第二步：调试电路。

焊接好的电路，经检查无问题后，便可按图1-69（a）所示接通9V叠层干电池，开始进行调试。

首先，按照图1-69（b）所示，用小螺丝刀缓慢调节微调电位器RP的电阻值，使压电陶瓷蜂鸣器HA处于临界发声状态（即振荡电路处于临界起振状态）。调节RP电阻值的技巧是，可预先将小螺丝刀逆时针旋转至HA不发声，接着一边缓慢顺时针旋转小螺丝刀，一边听HA是否开始发声。当压电陶瓷蜂鸣器HA发声时，即停止顺时针旋转小螺丝刀，并反方向（逆时针）稍退回一点点小螺丝刀，使HA停止发声，即获最佳工作状态。

然后，按照图1-69（c）所示，用小螺丝刀或手指直接去触及一下天线W，则压电陶瓷蜂鸣器HA应发声1～2s。如果HA连续发声或根本不发声，则说明探测器的灵敏度过高或太低，应重新微调RP，再进行检测，直到符合要求。还可以按照图1-69（d）所示，用塑料梳子连续梳干燥的头发十多下，使塑料梳子与头发摩擦后带上静电，并按图1-69（e）所示，在距离天线W约2m远的地方用手指逼近塑料梳子使其放电，以检验能否让压电陶瓷蜂鸣器HA可靠发声1～2s。如果不符合要求，亦应重新细调RP，直至达到要求为止。

第三步：进行组装。

组装的主要任务，就是将焊装并调试好的电路装入一个市售“天线宝宝”造型的塑料手机按键式儿童音响玩具体内（也可根据个人喜好选择其他造型的外壳）。

首先，到儿童玩具店铺去购买一个图1-70（a）所示的“天线宝宝”造型（身高16cm、身宽6.8cm）的手机按键式儿童音响玩具。该玩具上市时间长、销售量大、单价仅5元左右，它内装两节5号干电池，每当按动面板上的模拟手机按键（内部全部并联）时，机内扬声器会依次发出模拟电话铃声、小孩笑声、小鸟叫声和快乐儿歌声来，同时安装在头部的小灯泡还会随声音大小及节奏变化闪闪发光，十分有趣。

其次，按照图1-70（b）所示，退出“天线宝宝”身体背面的4颗小自攻螺钉，打开壳体；拆除图1-70（c）所示的所有电路及仿真天线、吊挂绳等不用；按照图1-70（d）所示，用美工刀切割掉电池仓的底部，以扩展电池仓空间，能够容纳下9V叠层干电池；按照图1-70（e）所示，用美工刀切割掉壳体前盖内“头部”原用于顶固扬声器的塑料杆，以腾出较大空间，便于安装电路板；按照图1-70（f）所示，采用电烙铁头烫孔的办法，在壳体后盖“头部”原扬声器释音孔的适当位置处分别开出ϕ5mm的微调电位器RP调节孔（用于伸进小螺丝刀头）和ϕ14mm的压电陶瓷蜂鸣器HA安装孔，并用美工刀削掉孔口沿凸出的多余塑料和毛刺等。

再次，采用电烙铁直接加热熔化热熔胶棒的简便方法，按照图1-70（g）所示，将压电陶瓷蜂鸣器HA粘固在“天线宝宝”壳体后盖“头部”所专门开出的ϕ14mm安装孔处；接着按照图1-70（h）所示，用热熔胶粘固好天线W和电池扣板的引线，注意天线W从原来安装仿真天线和引出吊挂绳的小孔引出。粘固妥当电路后，合上“天线宝宝”前、后壳体，参考图1-70（b），重新紧固好4颗小自攻螺钉。

最后，按照图1-70（i）所示，在电池仓接上9V叠层干电池，并装上电池仓后盖，电路即通电开始工作。为了突出制作的个性化特征，可按照图1-70（j）所示设计一个宽为4mm、高为4.5mm的标牌（可用计算机图形软件设计，用彩色喷墨打印机在照片纸上打印出来，并用剪刀裁剪合适），将它按图1-70（k）所示用双面不干胶粘贴在“天线宝宝”原来模拟手机按键的位置处。制作成功的雷电探测器外形如图1-70（l）所示，造型还不错吧。

1.8.4　投入使用

雷电探测器做成功以后，可像图1-71所示的那样摆放在电脑（或其他家用电器）旁边，进行24h全天候的雷电预报工作。一旦“天线宝宝”反复发声，在排除其他静电放电干扰的情况下，便说明雷电即将到来。有时“天线宝宝”发声后，隔数秒钟会听见远方传来的沉闷雷电声，而在夜晚还会看到远方天空的闪电光（与“天线宝宝”发声同步）。这是电波以3.0×108m/s的速度传播至“天线宝宝”，闪电光同样以3.0×108m/s的速度传至人眼，而雷声却以340m/s（15℃空气中）的低速度传播至人耳的缘故。如果对照钟表读出“天线宝宝”开始发声至听见雷声的时间，再乘以340m/s的声音传播速度，则可求得雷电发生处到自己处的直线距离来。

需要指出的是，该雷电探测器不仅能够探测静电放电，而且能探测附近各种电器产生的“电火花”。每当开关附近的电灯或其他用电器的电源开关时，“天线宝宝”均会发声1～2s；而如果房间空气比较干燥，人体就会带上较高的静电，当用手去接触金属门拉手或其他物体时，只要产生静电放电，亦会触发不远处的“天线宝宝”发声1～2s。使用中应注意加以区分，不要雷电探测器一有发声就判断为雷电将至。

如果使用中发现雷电探测器的探测灵敏度不够理想，可按照图1-72所示，随时将小螺丝刀伸进“天线宝宝”头部所开的电位器RP调节孔，按照前面所讲的电路调试方法，微调电位器RP的电阻值，并进行灵敏度测试，直到满意为止。

该雷电探测器一般可检测到半径5km范围内的云中放电。其电路静态工作电流≤60μA，报警时工作电流为4mA左右。每换一块9V新干电池，通常可连续监控一年时间。