En 2018, dos de mis estudiantes, Leonardo Araujo Lion y Elton Shinji Okuma Hayachigui presentaron en el 15 FEBRACE en la USP en São Paulo, un trabajo interesante en el que, bajo mi guía, desarrollaron un detector de rayos basado en la emisión de señales eléctricas de la descarga y cambios en el campo eléctrico que acompañan al fenómeno. La idea surgió de un artículo anterior y, para nuestra sorpresa, la compañía estadounidense Sparkfun lanza un Shield para Arduino que opera precisamente con el mismo principio y tiene un rendimiento sensacional. Veámoslo en este artículo.
En los artículos de nuestro sitio exploramos el hecho de que una descarga eléctrica a la atmósfera genera voleas de baja frecuencia o "silbidos" que pueden capturarse a miles de kilómetros de distancia. Las estaciones meteorológicas usan estas señales para detectar rayos y triangular su ubicación.
Dos de mis estudiantes, basados en esto, desarrollaron un proyecto interesante destinado a detectar rayos, que pueden emitir señales incluso antes de que ocurra la descarga, alertando así a las personas, por ejemplo, al aire libre o en la playa, a refugiarse.
Presentado en FEBRACE, el proyecto obtuvo la mención de honor de la American Meteorological Society.
Por supuesto, el diseño original basado en un receptor de radio y un sensor electrostático con el 4093 era bastante simple, ya que los estudiantes en cuestión no eran estudiantes de ingeniería sino un graduado de secundaria.
En la figura 1 tenemos el diagrama del detector que tenía un principio operativo muy simple en su versión experimental demostrada en FEBRACE.
En este circuito tenemos una radio AM sintonizada en frecuencia en la cual no hay estaciones operando para detectar la salva que normalmente ocurre en un rayo. Se manifiesta en la salida de audio como un chasquido.
El sensor es una antena pequeña que detecta cargas estáticas en el aire que pueden variar en intensidad en presencia de descarga.
Las señales de los dos sensores se combinan y si hay una coincidencia tenemos la activación de un LED. En una versión final, en lugar del LED podemos tener un relé o un sistema de advertencia.
No obstante. Sparkfun, una empresa que fabrica shields y dispositivos microcontrolados en los Estados Unidos, exploró la idea. Esta compañía lanzó el AS3935 en 2019, un detector de rayos que opera a 500 kHz y alcanza 40 km con una precisión de 1 km. Vea más en el sitio web de Mouser Electronics, donde puede comprarlo para sus experimentos e incluso para crear un nuevo producto. https://www.mouser.com/new/sparkfun/sparkfun-as3935-lightning-detector/
Como funciona
Para una detección precisa de la distancia a la que ocurre un rayo o donde se encuentra una tormenta, los sistemas avanzados utilizan un proceso de triangulación que ya hemos explorado en nuestros artículos.
La tarjeta Sparkfun, por otro lado, usa otro proceso de detección. Se basa en un algoritmo que compara la frecuencia de descarga con la distancia estimada, como se muestra en la figura 3.
A través de este algoritmo, la distancia mínima desde el núcleo de la tormenta se puede encontrar a partir de un conteo de descargas. La placa contiene un sistema receptor que generará una señal al microcontrolador que contiene el valor de la distancia estimada a la fuente de los pulsos producidos por las descargas.
La integración del sistema es relativamente simple. Puede elegir la interfaz SPI o I2C según la aplicación. La placa contiene un regulador interno que permite que el circuito se alimente con un rango de tensión de 2.4 a 3.6 V. El circuito básico se muestra en la figura 4.
Entonces, además de los condensadores, tenemos el circuito resonante y una resistencia.
En la hoja de datos disponible en https://mouser.com/ds/2/588/ams_AS3935_Datasheet_EN_v5-1214568.pdf el lector tendrá otras configuraciones posibles dependiendo de la unidad de control (MCU).
Una característica muy interesante del algoritmo utilizado es que puede distinguir los patrones de señal capturados de una descarga atmosférica, patrones de señal generados por el hombre, fuentes de ruido, etc. Solo si la señal se identifica como proveniente de una descarga atmosférica, se calcula para estimar la distancia desde la tormenta.
El dispositivo tiene varios modos de operación.
En el modo de apagado, entra en una condición de baja potencia, drenando una corriente típica de 1uA. En el modo de audición, el dispositivo evalúa el ruido de fondo en el sitio y establece una condición de baja potencia de solo 60 uA.
También tenemos el modo de verificación de señal en el que opera en función del algoritmo que analiza la señal recibida.
En la hoja de datos, el lector puede encontrar varios gráficos y tablas en los que se analizan las diversas señales producidas por el circuito, por ejemplo, los datos de registro al registrar datos y enviarlos a las interfaces.
Se da un ejemplo en el diagrama de tiempo de la interfaz I2C que se muestra en la figura 5.
Finalmente, Sparkfun proporciona un gráfico que muestra la eficiencia del dispositivo en la detección de tormentas.
El diagrama de bloques del dispositivo se muestra en la figura 7.
Ideas de proyectos
Evidentemente basado en las características de este dispositivo, usando un microcontrolador y eventualmente algo más, el fabricante puede crear un gran producto y los estudiantes pueden escribir un TCC de características inauditas. Sugerimos algunas aplicaciones.
- Estaciones meteorológicas
- Relojes inteligentes
- Equipamiento deportivo
- Seguridad de campo abierto
- UPS
- Sistemas de GPS
- Teléfonos celulares
- Equipamiento deportivo
- Estadios y clubes
Todo depende de la imaginación de uno.
Puede obtener información adicional sobre este producto en el sitio web de Mouser Electronics que lo vende: https://mouser.com/new/sparkfun/sparkfun-as3935-lightning-detector/ . Ver el video.