閃電也能預測？　低成本雷電探測器DIY

閃電是自然界最強烈、最難以預測的力量之一，但值得慶幸的是，我們擁有先進的技術來幫助我們因應風暴。閃電探測器(lightning detector)旨在透過捕捉雷擊產生的電磁訊號，在風暴來臨之前為用戶提供預警。

想從零開始搭建一個閃電探測器模組嗎？這份針對電子愛好者和創客的入門指南，能幫您快速揭開閃電探測背後的一些實用技巧。

讓我們從一個簡單可行的方案開始：AS3935 Franklin閃電感測器IC，這是一款緊湊、低功耗的晶片，即使是普通的電子愛好者也可以在其專案中添加風暴感測功能。

AS3935可探測最遠40公里外的雷擊，估算其距離，並濾除由電氣雜訊引起的誤報。該晶片同時支援I²C和SPI介面，並可調節室內外使用的靈敏度，因此可輕鬆與Arduino或Raspberry Pi等熱門平台整合。

因此，無論您是建構緊湊型氣象站還是智慧戶外設備，AS3935都能為您的專案提供可靠的氣候感知能力。據我所知，目前幾乎所有現成的閃電感測器模組(其中一個如下圖所示)都依賴於AMS AS393 5Franklin閃電感測器，並搭配Coilcraft的500kHz至2MHz天線MA5532-AE。

圖1：該模組由AMS AS3935光照感測器IC和Coilcraft的天線組成。

大約十年前，我購買了DFRobot版本的AS3935模組(SEN0290)，並用我的Arduino進行了快速測試。結果令人印象深刻，充分展現了系統的無縫運行能力。

以下是隨機挑選的AS3935閃電感測器模組的示意圖(原始示意圖已簡化，刪除了不必要的元素，以提高可讀性)。

圖2：該原理圖突顯AS3935閃電感測器模組的設計細節。

誠然，AS3935擁有調諧板載天線、專有閃電檢測演算法和距離估算功能。然而，它的成本可能對業餘愛好者和課程專案來說過於昂貴。同時，由於AS3935晶片的應用領域小眾、技術不斷進步以及要與其他技術整合，它可能缺乏直接的低成本替代品。

那麼，該怎麼辦呢？讓我們來看看一些經濟實惠的類比電路方案(沒有理由斷言第一個一定就是最好的)。

還記得雷暴天氣裡AM收音機裡劈啪作響的聲音嗎？那是雷擊產生的靜電脈衝。按照這個思路，下圖的框架圖展示了一個簡單的設備，可通過音訊和視覺警報提示即將到來的暴風雨。

圖3：這是一個用於發佈雷暴音訊和視覺警報的簡單裝置。

該系統使用AM無線電前端處理來自調諧拾音線圈的訊號。前端由射頻(RF)放大器、檢波器和自動增益控制器組成，其輸出訊號在下一級進一步放大，在捕獲的訊號到達驅動視覺指示器的脈衝展寬器之前對其進行增強。此外，音訊振盪器部分的短音訊用於驅動發聲器，從而產生音訊警報。

提示：可以考慮使用經典的AM收音機IC TA7642作為設計的前端。它之所以成為經典，是因為它的可靠性無與倫比。

再說一次，如果您正在探索寬頻放大器方案，Mini-Circuits的MAR系列中的MAR-1+是一個不錯的選擇，因為它在寬頻率範圍內能提供可靠的性能(圖4)。

圖4：單片放大器在較寬的頻率範圍內提供可靠的性能。

(來源：Mini-Circuits)

據我所知，上述兩款IC仍然有售，儘管供應商數量有限。這並不奇怪——很多RF檢波器電路都能出色地完成這項工作。之後怎麼選，一切就取決於你了。

需注意的是，即使是肉眼不可見的遠距離閃電也會產生嚴重的電磁干擾(EMI)。無論是雲間放電還是雲地放電，閃電都會攜帶著劇烈振盪的巨大電流。

這種電弧作用會產生很寬的諧波​​頻譜，延伸到無線電頻譜的高頻範圍。因此，現有EMI/EMF檢測器電路的改良版本可以非常有效地捕獲由雷電放電引起的這一類電磁瞬變。

如今，在雷電探測方面，我們擁有一系列可靠的設備——RF探測器、電場探測器，甚至光學監測器，應有盡有。它們能夠提供雷電災害的早期預警，有些系統甚至可以遠端觸發備用發電機的啟動或停止。

先不說這些，如今的光學閃電探測器透過辨識雲間放電來增強預警能力，而雲間放電通常先於雲地閃電事件發生。以下是一個典型的設計實例，可以作為進一步實驗和開發的起點。我一直在使用與此方法非常相似的設備來觸發我的屋頂防水攝像機，以捕捉令人驚歎的閃電畫面。

圖5：該電路回應上升沿輸入產生乾淨的固定持續時間輸出脈衝。

上述電路採用單穩態結構(通常使用555計時器IC)，根據當前RC元件值，輸出約1000毫秒長的下降脈衝。上升緣檢測是透過將光電電晶體透過電容交流耦合到計時器的閾值輸入端來實現的，從而確保只有瞬變(而非穩定狀態)才會觸發脈衝。

輸出端(TP1)適用於驅動光耦合器(常開或常關)，從而實現與下游電路介面的電隔離。

如上所述，閃電會產生強烈的光脈衝，在大多數情況下可以用基本的光電電晶體檢測到。為了增強性能，可以將光電電晶體與合適的濾光片配對，從而在可見光範圍內提供相對均勻的光譜回應，並延伸至近紅外線區域。

為了進行初步測試，我建立了一個簡易的麵包板原型，並使用廉價的鑰匙扣頻閃燈來類比閃電並評估電路的響應(圖6)。

圖6：原型使用低成本的鑰匙扣頻閃燈來模擬閃電。

元件的選擇基於我實驗室現有的材料。我使用了手頭現有的PT334-6C光電電晶體，沒有探索其他方案。值得注意的是，這只是一個初步設計，為了獲得最佳效果，還需要付出巨大的精力來改進光學前端。

(原文參考連結：A practical design guide for lightning detectors，by T. K. Hareendran，EDN ChinaRicardo Xie編譯)

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