BLIKSEM-BAROMETER.

HF-EIGENSCHAPPEN VAN BLIKSEMONTLADINGEN:

Bij een bliksemontlading ontstaan radiogolven in een breed frekwentiespektrum, 
nl. van enige kHz tot vele GHz.
Er is evenwel sprake van een voorkeursfrekwentie ,afhankelijk van de richting
waarin de bliksem zich voortplant.
Gebleken is namelijk ,dat bij een zich vertikaal bewegende bliksem de 
voorkeursfrekwentie 27 khz bedraagt,terwijl dit bij horizontale voortplanting
10 kHz is.
Een ander aspekt is dat het aantal horizontale ontladingen dat der vertikale
veruit overtreft.
In somige onweersbuien komen de vertikale ontladingen slechts sporadisch voor.
Met het oog op de storingsgevoeligheid en de snelheid van het system, heeft
de ontvangst van horizontale bliksemontladingen dus de voorkeur.
Dit wordt gerealiseerd door een ferietstaaf ,met een op 10 Khz afgestende 
speol,vertikaal op te stellen.
Vertikaal,omdat het magneetveld van een horizintale ontlading vertikaal loopt.

DE WERKING VAN HET SISTEEM:

Het blokschema van de schakeling is getekend in fig1 
Het in de LC-kring geinduceerde signaal ondergaat eerst een versterking.
Door middel van potmetr 1 wordt een gedeelte van het signaal toegevoerd aan 
een detector, die alleen de positieve pulsen doorlaat.
Deze positieve-pulsen worden aangeboden aan de min-ingang van de komparator.
Zodra de spanning op de min-ingang groter wordt dan de spanning op de plus-
ingang van de komparator,geeft deze een negatieve impuls af, waardoor de 
pulsgenerator wordt getriggerd.
De pulsgenerator geeft dan een negatieve puls af met konstante amplitude en 
tijdsduur.
Dit heeft tot gevolg dat:
1)een negatieve stroom i2 wordt toegevoerd aan de ingang van het geheugen.
2)de trigger wordt ingeschakeld zodat de pulsgenerator tijdens de pulsduur 
niet meer bereikbaar is.
de pulsgenerator wordt geblokkeerd ,omdat deze anders opnieuw wordt 
gertiggerd door de volgende uitslingering van de spoel (fig3.
Tevens zorgt de blokkering ervoor,dat de tijdsduur en de pulsgenerator
konstant blijven.
Het geheugen werkt volgens het millerintegratorprincipe.
De  uitgangsspanning is evenredig met de stroom naar de intergrator en met 
de tijd gedurende welke deze stroom vloeit,waarbij stroom en spanning wel
tegengesteld van teken zijn.
Door de negatieve stroompuls op de geheugeningang zal de uitgang positief 
worden .
Het geheugen is echter zodanig gekonstrueerd,dat de uitgangsspanning steeds 
langzaam daalt.
Dit wordt bereikt ,door een positieve stroom i1 toe te voeren aan de ingang
,waarbij i1 << i2 is.
Steeds wanneer er binnen een voldoende korte tijd een ontlading is,zullen
de uitgangsspanning van het geheugen en dus ook de plus-ingang van de 
komparator weer positiev worden,totdat de min- en de plus-ingang dezelfde
spanning hebben.
De komparator geeft dan geen triggerpulsen meer af.
Er stelt zich dus een evenwicht in,waarbij de evenwichtsinstelling alleen
afhangt van het aantal pulsen van de pulsgenerator en daardoor van het 
aantal bliksemontladingen.
De waarde van de evenwichtsinstelling hangt af van de grootte van de aan de 
min-ingang toegevoerde impulsen en dus van de sterkte van de 
bliksemontladigen .
Aangezien de veldsterkte van een elektriche ontlading omgekeerdevenredig is 
(bizondere atmosferische kondities buiten beschouwing gelaten) met de afstand
, is de meteruitslag,bij konstante instelling van P1, een maat voor het zich 
verwijderen of naderbij komen van een onweersbui.

HET SCHEMA: figuur 2.

De versterker wordt gevormd door T1,T2,T3 en T4.
Een stabiele instelling wordt verkregen door de tegenkoppeling via R6.
De gelijkspanningsversterking is hierdoor gelijk aan 1 .
Omdat kondensator C2 een verwaarloosbare impedantie bezit voor de 
werkfrekwetie, wordt de signaal versterking bepaald door de verhouding

R6  +  R4
---------
   R4

en bedraagt ca.tweeduizend.
De gevoeligheid wordt ingesteld met potmeter P1.
Transitor T5 verzorgt de funktie van detektor en komparator.

----------------------------------------------------------------------------
Onderdelen lijst bij figuur 2.

Weerstanden                                 Kondensatoren:
R1 = 1M                                     C1  = eksp.bepalen,ca 1000 p
R2 = 10K                                    C2  = 1 u  12v
R3 = 10K                                    C3  = 1 u  12v
R4 = 47 OHM                                 C4  = 1 u  12v
R5 = 10K                                    C5  = 0,1 u (geen elko)
R6 = 100K                                   C6  = 1 u  12v
R7 = 1K                                     C7  = 100 u 12v tantaal
R8 = 10K                                    C8  = 100 u 12v
R9 = 180K
R10= 1M
R11= 100K                                   Halfgeleiders:
R12= 10K                                    T1  = 2N3819  FET
R13= 47K                                    T2  = TUN
R14= 10K                                    T3  = TUP
R15= 10M                                    T4  = TUN
R16= 8K2                                    T5  = TUN
R17= 39K                                    T6  = TUN
R18= 18K                                    T7  = TUN
                                            T8  = TUN
Diversen:                                   T9  = TUP
L1 = 2000 wnd rond 10mm op ferrietstaaf     D1  = DUS
     draaddiameter 0,3 mm                   D2  = DUS
S1 = aan/uitschakelaar                      D3  = DUS
S2 = resetschakelaar                        D4  = DUS
M  = 100 uA meter                           D5  = DUS
P1 = potm 10k log                           D6  = DUS
                                            D7  = DUS

----------------------------------------------------------------------------
De voorinstelling door middel van R8 en R9 maakt het mogelijk dat zeer zwakke
signalen nog worden gedetekteerd.
De basis en de emitter van T5 zijn de min- en de plus-ingang van de 
komparator.
De pulsgenerator bestaat uit T6 en T7 ,die een monostabiele multievibrator
vormen.
De triggerisolatie wort gevormd door d edioden D1,D2 en D3.
De basisweerstanden R10 en R11 hebben een dusdanige waarde ,dat in 
rusttoestand T7 spert.
Een positief signaal op de basis van T5  heeft tot gevolg, dat T5 stroom 
gaat trekken via R12 en D3.
Hierdoor krijgt T6 een negtieve puls op de basis aangeboden.zodat T7 open
gaat en stroom trekt via R12.
Zodra de spanningsval over R12 groter wordt dan ca. 0,5v ,gaan D1 en D2 
geleiden,waardoor de pulsgenerator stopt.
De amplitude vande negatieve puls aan de kollektor van T7 is dus gelijk aan 
de som van de drempelspanning van D1,D2 en D3 en bedraagt ca. 1,5v.
Via C5 bereikt deze puls de basis van T6, zodat de schakeling pas weer
getriggerd kan worden als de stroom dor R10 de basisspanning van T6 zoheeft 
doen stijgen dat T6 zover geleid ,dat de spanningsval over R12 kleiner is dan
ca.0,5v.
De tujdsduur tussen de triggerimpulsen worden dus bepaald door de kombinatie
C5 en R10 (0,1 sek).
Diode D4 zorgt ervoor ,dat de spanningsstijging tussen de impulsen niet op de
ingang van het geheugen terecht komt.
Ter voorkoming  van lek is diode D5 opgenomen.
Zodradeze diode zou een deel van de stroom door R15 via R13 en D4 naar massa
vloeien.
Het geheugen wordt gevormd door T8 en T9 ,in kombinatie met de laadkondensator 
C7 .
Via R13 bereiken de negatieve impulsen de ingang van het geheugen.
De emitter van T9 vertoont hierdoor een spanningsstijging (t.o.v.massa),die
via D6,D7 en de spanningsdeler,bestaande uit R17 en R18 plus de 
meterweerstand ,wordt toegevoerd aan de plus-ingang van de komparator.
Het geheugen krijgt evenwel een positieve stroom toegevoerd via R15,waardoor
de emitterspanning van T8, en dus de emmitorspanning van T5,langzaam daalt.
De waarde van de evenwichtsinstelling wordtaangegeven door de meter M.
Wordt de resetknop S ingedrukt,dan laadt C7 zich snel op via R14,waardoor
de meter op nul komt te staan.

BOUWAANWIJZINGEN:

Bij de bouw van de bliksembarometer dient men het volgende in acht te nemen:
1)De bedrading van de versterker moet zo kort mogelijk worden gehouden.
2)Gebruik afgeschermd draad voor de ingang van T1 naar de antenneingang.
3)Leg de(-) voedingsspanning alleen bij de antenne-ingang aan massa.
4)Plaats de ontvangspoel uit de buurt van storingsbronnen en metaal voorwerpen
Kondensator C1 moet rechtstreeks over de speol worden gemonteerd.
Vertoont de versterker desondanks nog osillatieverschijnselen,dan kan als 
laatste redmiddel de waarde van R1 worden verkleind.

BEDIENING EN AFLEZING:

De potentiometer is geheel teruggeregeld (versterking nul).
Nadat het apparaat is ingeschakeld, wordt P1 iets omhoog geregeld tot de 
meter begint uit te wijken.
Overschrijdt na verloop van tijd de meter de 100,dan kan door de resetknop
in te drukken, de meter weer op nul worden gebracht.
Natuurlijk wordt P1 teruggeregeld.
Na enige eksperimenten kunnen we,als de afstanden van onweersbuien bekend 
zijn ,de knop op P1 van een schaalverdeling voorzien.
Figuur 4 geeft hiervan een voorbeeld .
De afstand van de onweersbui kunnen we dan ,als de meter ongeveer in het
midden staat,aflezen van de afstand van P1.
Wordt de stand van P1 niet veranderd ,dan geeft de meter aan ,of de 
onweersbuien dichterbij komen ofwel zich verwijderen.

BEREKENING VAN DE KARAKTERISTIEKE EIGENSCHAPPEN:

Stel dat een bliksemontlading een spanning met maksimale waarde van Vi volt
induceert in L1.
De versterking door middel van T1,T2,T3 en T4 bedraagt A ,de verzwakking van
P1 X.
Aan de detektor-komparator wordt dan toegevoerd:

A.Vi volt
---------
   X

Er is evenwicht als de komparator gelijke spanningen krijgt toegevoerd,zodat
dan geldt:

A.Vi   V0.R18
---- = ------       (1)
 X     R17+R18      

Hierin is V0 de uitgangsspanning van het geheugen en R17/R18 vormen een spanningsdeler 
(met verwaarlozing van de meterweerstand).
Bij verwaarlozing van de stroom naar de komparator is de meterstroom Im 
gelijk aan:

        V0
Im = ------------
     R17 + R18

zodat na substitutie van (1):

         A.Vi    K1.Vi
Im = --------- = ----------    (2)
      X.R18         X      


             A
waarin K1 = ----- .
            R18


De uitgangsspanning van het geheugen voldoet aan:

             I.t
    V0  = -----------
              C '

waarin I de ingangsstroom ,C de laadkondensator en t de tijd voorstelt.
Bij N bliksemontlading per sekonde en een pulsduur van T sek.(van de pulsen
uit de pulsgenerator) wordt dit:

        1   
V0 = ------ .(- N.T.I2  - I1).t    (3)
        C

Substitutie van (1) in (3) geeft :

A.Vi     R18         (- N.T.I2 - I1).t     
----- = ---------- . -----------------
  X     R17 + R18           C

Na omwerking en substitutie van (2) volgt hieruit voort:

    K1.C(R17+R18).Vi     K1.K2    Vi
t= ------------------ = ------- . ---    (4)
    (- N.T.I2 - I1).X   K3.N - I   X

waarin:

        C.(R17+R18)
  K2 = ------------     
          I1

en

     T.I2
K3 = -------
       I1

De tijd waarin het sisteem de evenwichtswaarde volgens (2) bereikt wordt dus 
gegeven door (4) .
Als K3.N <1 ,zal de meter geen uitslag geven,wat als gevolg heeft dat een 
incidentele stoorpuls geen invloed heeft.
De meteruitslag blijft konstand wanneer K3.N = 1 ,.
Dit zijn evenwel grensgevallen en deze komen vrijwel nooit voor.
De waarde van 1/K3 is de minimum laadkapaciteit en wordt uitgedrukt in 
ontladingen/sek .
Omdat de pulsgenetator pas na een tijd T weer gestart kan worden ,treed een
maksimum op bij N= 1/T ontladingen per sek , de zgn , maksimale volgfrekwentie 
van het sisteem.

TECHNISCHE GEGEVENS:

Stroomverbruik bij 9volt voedingsspanning 5 a 8 mA.
Ontvangstfrekwentie : 10 kHz.
Bandbreedte : 200 Hz (-3 dB). 
Maks. volgfrekwentie : 10 ontladingen/sek.
Min.laadkapaciteit : 3 ontladingen/min.
Maks.gevoeligheid : 10 uV/schaaldeel.

K1 = 0,111 mho,
K2 = 63,3.10 tot de 5de macht sek/Amp.,
K3 = 20 sek/ontlading,
T  = 0,1 sek.

----------------------------------------------------------------------------

Schema cb0sid @ cb9zdk  Sjak  Siddeburen.gro


