Детектор нуля: Детектор перехода через ноль с гальванической развязкой и без неё — Схемка: Электронные Радиосхемы

Детектор нуля сетевого напряжения на оптроне

Иногда в разрабатываемых радиолюбительских конструкциях необходимо чётко детектировать момент перехода переменного напряжения, мер сетевого 230 В, через ноль. Это требуется для целей коммутации с минимальными помехами, в цифровых фазоимпульсных регуляторах и т. п.

Известны различные способы и схемы таких детекторов, но наиболее часто применяют детекторы с оптопарой с целью обеспечения гальванической развязки от сети 230 В. В одной из конструкций подогревателя плат, которая была разработана авторами, был применён такой детектор, который работал совместно с микроконтроллером, но что-то пошло не так. Чтобы разобраться в ситуации, были проведены лабораторные исследования и моде-лирование этого способа детектирования на нескольких схемах для выяснения длительности и формы импульса, влияния входного напряжения на длительность и точность привязки выходного импульса к переходу через “0” сетевого напряжения.

Рис. 1. Схема детектора

 

На рис. 1 приведена простая и часто применяемая схема детектора. Напряжение U1 было подано на один канал осциллографа, а U2 – на второй канал. Питание детектора напряжением 180…250 В производилось от ЛАТРа через развязывающий трансформатор 230/230 В с целью обеспечения электробезопасности. При выборе сопротивления резистора R3 приходится идти на компромисс, с одной стороны, надо обеспечить достаточный ток через излучающий диод оптрона, а с другой – небольшое тепловыделение на нём. Для повышения электрической прочности резистор R3 следует составлять из двух или трёх последовательно соединённых. Для исследований были использованы оптроны PS2561-1 и 4N35, основные параметры которых приведены в табл. 1.

Таблица 1

Параметр/Оптрон	4N35	PS2561
Максимальный ток через излучающий диод, IFмакс, мА	50	80
Падение напряжения на излучающем диоде, UF, В	0,9. ..1,7	1,17
Коэффициент передачи тока, %	50	80…400
Напряжение насыщения Uнac (при IF = 10 мА, IК = 2 мА) Uкэ, В	–	0,3
Время нарастания тока в фототранзисторе ton (IК = 2 мА), мкс	10	3
Время спада тока в фототранзисторе toff (IК = 2 мА), мкс	10	5
Испытательное напряжения изоляции, кВ	5	5

Для предварительных расчётов параметров гасящего резистора R3 можно использовать выражения

R3 = Uд/I_F,(1)

P_R3 = (Uд)²/R3,(2)

где Uд – действующее напряжение сети; P_R3 – мощность, рассеиваемая на резисторе R3. При токе через излучающий диод 1 мА, 2 мА и 3 мА и различном напряжении сети расчётная мощность, рассеиваемая на резисторе R3, приведена в табл. 2.

Таблица 2

R3, кОм	PR3 , Вт, при напряжении сети
	180 В	220 В	245 В
220	0,15	0,22	0,27
100	0,32	0,48	0,60
66	0,49	0,73	0,91

Видно, что при мощности рассеивания более 0,4 Вт R3 желательно составлять из двух или трёх резисторов с допустимой мощностью рассеяния не менее 0,5 Вт.

Рис. 2. Графические результаты моделирования

 

Рис. 3. Графические результаты моделирования

 

Рис. 4. Осциллограммы работы устройства с оптроном PS2561

 

Графические результаты моделирования представлены на рис. 2 (R3 = 100 кОм) и рис. 3 (R3 = 200 кОм). Экспериментальные осциллограммы работы реального устройства с оптроном PS2561 приведены на рис. 4 (Uд = 220 В; R3 = 66 кОм; R4 = 4,7 кОм. Длительность импульса по уровню 0,5 τ_0,5 = 0,88 мс. При R4 = 2,2 кОм т_0,5 = 1,4 мс). C оптроном 4N35 выходной импульс получился шире – 1,82 мс, видимо, по причине меньшего значения коэффициента передачи тока. Если для уменьшения влияния помех установить резистор сопротивлением 1 МОм между базой и эмиттером фототранзистора (между выводами 4 и 6), то длительность импульса увеличивается.

С резистором R3 = 220 кОм полного открытия фототранзисторов не происходило при R4 = 2,2 кОм, даже при сетевом напряжении 240 В. Увеличение сопротивления резистора R4 приводило к уменьшению U_нас = 0,16. ..0,24 В и длительности импульса до 1,24 мс (R4 = 9,6 кОм). А если ещё увеличить сопротивление резистора R4, насколько уменьшится длительность импульса? С R3 = 66 кОм, R4 = 51 кОм при сетевом напряжении 220 В т_0,5 = 0,565 мс, но при этом происходит сдвиг выходного импульса относительно нуля сетевого напряжения! Осциллограмма напряжений U₁ и U₂ для этого случая приведена на рис. 5.

Рис. 5. Осциллограмма напряжений

 

Полагаем, что при малых токах в выходном транзисторе начинает сказываться быстродействие оптрона. И этот момент надо учитывать при разработке конкретного детектора.

На длительность выходного импульса влияет и значение входного напряжения сети. Например, для R3 = 66 кОм, R4 = 2,2 кОм при изменении напряжения от 180 В до 250 В длительность выходного импульса изменяется от -11 % до +24 % относительно длительности при напряжении 220 В. При сопротивлении резистора R4 4,6 кОм или 9,6 кОм влияние изменения длительности импульса аналогично, но в пределах ошибки измерений. Делаем вывод, что наблюдается существенное влияние уровня входного напряжение на изменение длительности выходного импульса. Это надо учитывать при разработке и эксплуатации таких детекторов.

С уменьшением сопротивления гасящего резистора длительность выходного импульса уменьшается, но мощность рассеивания на нём растёт. В некоторых случаях такой, относительно широкий, импульс для синхронизации можно использовать с учётом вышеизложенных факторов влияния. Но было бы интересней получить импульс ещё короче.

Рис. 6. Схема детектора

 

Если взамен гасящего резистора применить стабилизатор тока, длительность выходного импульса можно существенно уменьшить. На рис. 6 показана схема детектора перехода сетевого напряжения через “0” со стабилизатором тока на транзисторах VT1, VT2. Для определения начала перехода стабилизатора тока в рабочий режим при приложении внешнего постоянного напряжения на “+” и “-” диодного моста с определённым шагом было подано постоянное напряжение от внешнего БП. Результаты измерений представлены на рис. 7. Ток – в микроамперах, напряжение – в вольтах, в подписях первое число – сопротивление резистора R3 в килоомах, второе – сопротивление резистора R4 в омах.

Рис. 7. Результаты измерений

 

С уменьшением сопротивления токоизмерительного резистора R4 переход в режим стабилизации тока происходит при большем напряжении, да и мощность рассеивания на высоковольтном транзисторе VT2 может оказаться слишком большой. С указанными транзисторами наиболее подходящим оказалось сопротивление резистора R4 = 240 Ом. Известна приблизительная формула расчёта тока стабилизации I_ст: R4 ≈ 0,6/I_ст, но для конкретных транзисторов надо бы проверить реальное значение R.

Рис. 8.

 

Предварительно было проведено моделирование с варьированием параметров с целью выяснить, что можно ожидать от такого детектора и каковы параметры импульсов на выходе оптрона. На рис. 8 показаны полученные расчётные формы напряжения при R3 = 100 кОм. Верхняя осциллограмма – U₁, средняя – напряжение на резисторе R4, нижняя – U₂. Осциллограммы напряжений в реальном детекторе, собранном по схеме на рис. 6, показаны на рис. 9 (Uд = 220 В, R3 = 66 кОм, R5 = 9,6 кОм).

Рис. 9.

 

Как видно, такое схемное решение позволяет сильно уменьшить длительность выходного импульса: при R3 = 66 кОм т_0,5 = 100 мкс (R5 = 2,2 кОм), т_0,5 = 73 мкс (R5 = 4,6 кОм), 56 мкс (R5 = 9,6 кОм). Если R3 = 100 кОм, что ожидаемо, длительность импульса немного увеличивается.

Отметим, как и в этом детекторе, на длительность выходного импульса влияет значение входного напряжения сети (рис. 10). При R3 = 100 кОм это влияние немного меньше. Но так как детектор генерирует достаточно короткий импульс, это влияние на работу конкретных конструкций будет, скорее всего, незначительным.

Рис. 10.

 

В схеме на рис. 6 сопротивление резистора R3 приходится выбирать достаточно большим, поэтому стабилизатор тока на транзисторах VT1, VT2 входит в режим стабилизации тока при относительно большом напряжении сети. При небольшом мгновенном напряжении сети (2…3 В) ток в светодиоде оптрона мог бы уже быть достаточным, но втекающий ток в базу транзистора VT2 очень мал, и выходной импульс получается относительно широкий. Если в момент перехода через ноль продолжать обеспечивать необходимый ток базы транзистора VT2, стабилизатор тока войдёт в рабочий режим уже при более низком мгновенном напряжении сети. На рис. 11 представлена доработанная схема детектора. Стабилизатор напряжения на элементах R3, VD2, С1, R6 поддерживает базовый ток транзистора VT2, что даёт возможность “стартовать” стабилизатору тока при меньшем мгновенном напряжении сети, и это позволяет укоротить импульс, формируемый оптроном.

Рис. 11. Доработанная схема детектора

 

Рис. 12.

 

Это предположение тоже проверили моделированием. На рис. 12 при R3 = 200 кОм, R4 = 300 Ом, R5 = 2,2 кОм, R6 = 5,1 кОм показаны теоретические осциллограммы, полученные при моделировании этого детектора. Видно, что устройство не сразу входит в режим после появления сетевого напряжения. Это обстоятельство нужно иметь в виду, если при подаче сетевого напряжения сразу нужен импульс перехода через “0”.

Рис. 13. Осциллограммы детектора

 

Реальные осциллограммы детектора напряжений U₁ и U₂ при Uд = 220 В, R3 = 100 кОм, R5 = 4,6 кОм показаны на рис. 13. Ёмкость конденсатора С1 была 10 мкФ. Ожидаемо длительность импульса ещё уменьшилась, однако начинает сказываться частотная характеристика оптрона. Выяснилось, что сопротивление резистора R3 можно увеличить до 320 кОм, и длительность выходного импульса при этом не увеличивается. Ёмкость конденсатора С1 должна быть не менее 5 мкФ, поскольку пульсации напряжения на этом конденсаторе могут быть слишком большими.

Следует отметить, что интервал входных напряжений этого детектора достаточно большой, например, при U_BX = 50 В т_0,5 = 214 мкс, при U_BX = 250 В т_0,5 = 29 мкс.

В зависимости от требуемых параметров детектора можно использовать разные варианты схем, но в простом варианте требуется подбор резисторов, поскольку разброс параметров оптрона, имеющегося в распоряжении разработчика радиолюбительской конструкции, может быть достаточно большой.

Если нужен более короткий импульс, предлагаем использовать детекторы, собранные по схемам на рис. 6 и рис. 11. Высоковольтные транзисторы сейчас доступны. Для разовых конструкций такие транзисторы можно найти, например, на платах электронных балластов КЛЛ. Необходимо только подобрать резистор R4 для перехода стабилизатора тока в рабочий режим с током 2…3 мА при напряжении 2…3 В.

Авторы: Г. Басов, г. Томск/Ставрополь, С. Исаков, г. Барнаул

Искусство схемотехники, Т.1

Искусство схемотехники, Т.1

Хоровиц П., Хил л .У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Т.1. Пер. с англ. – 4-е изд., перераб. и доп.-М.: Мир, 1993. Широко известная читателю по предыдущим изданиям монография известных американских специалистов посвящена быстро развивающимся областям электроники. В ней приведены наиболее интересные технические решения, а также анализируются ошибки разработчиков аппаратуры: внимание читателя сосредоточивается на тонких аспектах проектирования и применения электронных схем. Для специалистов в области электроники, автоматики, вычислительной техники, а также студентов соответствующих специальностей вузов и техникумов. Оглавление ПРЕДИСЛОВИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ ГЛАВА 1. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ НАПРЯЖЕНИЕ, ТОК И СОПРОТИВЛЕНИЕ 1.01. Напряжение и ток 1.02. Взаимосвязь напряжения и тока: резисторы ПРИСТАВКИ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ КРАТНЫХ И ДОЛЬНЫХ ЕДИНИЦ ИЗМЕРЕНИЯ РЕЗИСТОРЫ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕЗИСТОРОВ ФИРМЫ ALLEN BRADLEY, (СЕРИЯ АВ, ТИП СВ) 1.03. Делители напряжения 1.04. Источники тока и напряжения 1.05. Теорема об эквивалентном преобразовании источников (генераторов) УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ 1.06. Динамическое сопротивление СИГНАЛЫ 1. 07. Синусоидальные сигналы 1.08. Измерение амплитуды сигналов 1.09. Другие типы сигналов 1.10. Логические уровни 1.11. Источники сигналов КОНДЕНСАТОРЫ И ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 1.12. Конденсаторы КОНДЕНСАТОРЫ 1.13. RС-цепи: изменения во времени напряжения и тока 1.14. Дифференцирующие цепи 1.15. Интегрирующие цепи ИНДУКТИВНОСТИ и ТРАНСФОРМАТОРЫ 1.16. Индуктивности 1.17. Трансформаторы ПОЛНОЕ И РЕАКТИВНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ 1.18. Частотный анализ реактивных схем 1.19. RC-фильтры 1.20. Векторные диаграммы 1.21. «Полюсы» и наклон в пределах октавы 1.22. Резонансные схемы и активные фильтры 1.23. Другие примеры использования конденсаторов 1.24. Обобщенная теорема Тевенина об эквивалентном преобразовании (эквивалентном генераторе) ДИОДЫ И ДИОДНЫЕ СХЕМЫ 1.25. Диоды 1.26. Выпрямление 1.27. Фильтрация в источниках питания 1.28. Схемы выпрямителей для источников питания 1.29. Стабилизаторы напряжения 1. 30. Примеры использования диодов 1.31. Индуктивные нагрузки и диодная защита ДРУГИЕ ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ 1.32. Электромеханические элементы 1.33. Индикаторы 1.34. Переменные компоненты ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УПРАЖНЕНИЯ ГЛАВА 2. ТРАНЗИСТОРЫ 2.01. Первая модель транзистора: усилитель тока НЕКОТОРЫЕ ОСНОВНЫЕ ТРАНЗИСТОРНЫЕ СХЕМЫ 2.02. Транзисторный переключатель 2.03. Эмиттерный повторитель 2.04. Использование эмиттерных повторителей в качестве стабилизаторов напряжения 2.05. Смещение в эмиттерном повторителе 2.06. Транзисторный источник тока 2.07. Усилитель с общим эмиттером 2.08. Схема расщепления фазы с единичным коэффициентом усиления 2.09. Крутизна МОДЕЛЬ ЭБЕРСА-МОЛЛА ДЛЯ ОСНОВНЫХ ТРАНЗИСТОРНЫХ СХЕМ 2.10. Улучшенная модель транзистора: усилитель с передаточной проводимостью (крутизной) 2.11. Еще раз об эмиттерном повторителе 2.13. Еще раз об усилителе с общим эмиттером 2.13. Смещение в усилителе с общим эмиттером 2. 14. Токовые зеркала НЕКОТОРЫЕ ТИПЫ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ 2.15. Двухтактные выходные каскады 2.16. Составной транзистор (схема Дарлингтона) 2.17. Следящая связь 2.18. Дифференциальные усилители 2.19. Емкость и эффект Миллера 2.20. Полевые транзисторы НЕКОТОРЫЕ ТИПИЧНЫЕ ТРАНЗИСТОРНЫЕ СХЕМЫ 2.21. Стабилизированный источник напряжения 2.22. Терморегулятор 2.23. Простая логическая схема на транзисторах и диодах СХЕМЫ, НЕ ТРЕБУЮЩИЕ ПОЯСНЕНИЙ 2.24. Удачные схемы 2.25. Негодные схемы ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УПРАЖНЕНИЯ ГЛАВА 3. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ 3.01. Характеристики полевых транзисторов 3.02. Типы ПТ 3.03. Общая классификация ПТ 3.04. Выходные характеристики ПТ 3.05. Производственный разброс характеристик ПТ ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ НА ПТ 3.06. Источники тока на ПТ с р-n-переходом 3.07. Усилители на ПТ 3.08. Истоковые повторители 3.09. Ток затвора ПТ 3.10. ПТ в качестве переменных резисторов КЛЮЧИ НА ПТ 3. 11. Аналоговые ключи на ПТ 3.12. Недостатки ПТ-ключей 3.13. Несколько схем на ПТ-ключах 3.14. Логические и мощные ключи на МОП-транзисторах 3.15. Необходимые предосторожности в обращении с МОП-транзисторами СХЕМЫ, НЕ ТРЕБУЮЩИЕ ПОЯСНЕНИЙ ГЛАВА 4. ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ И ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ 4.01. Предварительные сведения об обратной связи 4.02. Операционные усилители 4.03. Важнейшие правила ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ 4.04. Инвертирующий усилитель 4.05. Неинвертирующий усилитель 4.06. Повторитель 4.07. Источники тока 4.08. Основные предостережения по работе с ОУ КАЛЕЙДОСКОП СХЕМ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ 4.09. Линейные схемы 4.10. Нелинейные схемы ПОДРОБНЫЙ АНАЛИЗ РАБОТЫ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ 4.11. Отличие характеристик идеального ОУ от реального 4.12. Эффекты ограничений ОУ на работу схем на их основе 4.13. Микромощные и программируемые ОУ ПОДРОБНЫЙ АНАЛИЗ РАБОТЫ НЕКОТОРЫХ СХЕМ НА ОУ 4. 14. Логарифмический усилитель 4.15. Активный пиковый детектор 4.16. Выборка-запоминание ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ 4.17. Активный ограничитель 4.18. Схема выделения модуля абсолютного значения сигнала 4.19. Интеграторы 4.20. Дифференциаторы РАБОТА ОУ С ОДНИМ ИСТОЧНИКОМ ПИТАНИЯ 4.21. Смещение усилителей переменного тока, использующих один источник питания. 4.22. Операционные усилители с одним источником питания. КОМПАРАТОРЫ И ТРИГГЕР ШМИТТА 4.23. Компараторы 4.24. Триггер Шмитта ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ И УСИЛИТЕЛИ С КОНЕЧНЫМ УСИЛЕНИЕМ 4.25. Уравнение для коэффициента усиления 4.26. Влияние обратной связи на работу усилителей 4.27. Два примера транзисторных усилителей с обратной связью НЕКОТОРЫЕ ТИПИЧНЫЕ СХЕМЫ С ОПЕРАЦИОННЫМИ УСИЛИТЕЛЯМИ 4.28. Лабораторный усилитель общего назначения 4.29. Генератор, управляемый напряжением 4.30. Линейный переключатель на полевом транзисторе с p-n-переходом, с компенсацией. 4.31. Детектор нуля для ТТЛ-схем 4.32. Схема измерения тока в нагрузке ЧАСТОТНАЯ КОРРЕКЦИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ 4.33. Зависимость коэффициента усиления и фазового сдвига от частоты 4.34. Методы коррекции усилителей 4.35. Частотная характеристика цепи обратной связи СХЕМЫ, НЕ ТРЕБУЮЩИЕ ПОЯСНЕНИЙ 4.36. Некоторые полезные идеи ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УПРАЖНЕНИЯ ГЛАВА 5. АКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ И ГЕНЕРАТОРЫ АКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ 5.01. Частотная характеристика RC-фильтров 5.02. Идеальный рабочий режим LC-фильтров 5.03. Введение в активные фильтры: обзор 5.04. Критерии режима работы фильтра Ки 5.05. Типы фильтров СХЕМЫ АКТИВНЫХ ФИЛЬТРОВ 5.06. Схемы на ИНУН 5.07. Проектирование фильтров на ИНУН с использованием наших упрощенных таблиц 5.08. Фильтры, построенные на основе метода переменных состояния 5.09. Двойной Т-образный фильтр-пробка 5.10. Построение фильтров на гираторах 5.11. Фильтры на переключаемых конденсаторах ГЕНЕРАТОРЫ 5. 13. Релаксационные генераторы 5.14. Классическая ИС таймера-555 5.15. Генераторы, управляемые напряжением 5.16. Квадратные генераторы 5.17. Мостовые генераторы Вина и L С-генераторы 5.18. LС-генераторы 5.19. Генераторы с кварцевыми резонаторами СХЕМЫ, НЕ ТРЕБУЮЩИЕ ПОЯСНЕНИЙ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УПРАЖНЕНИЯ ГЛАВА 6. СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ И ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ БАЗОВЫЕ СХЕМЫ СТАБИЛИЗАТОРОВ НА ОСНОВЕ КЛАССИЧЕСКОЙ ИМС 723 6.01. ИМС стабилизатора 723 6.02. Стабилизатор положительного напряжения 6.03. Стабилизаторы с большими выходными токами ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕПЛООТВОДА МОЩНЫХ СХЕМ 6.04. Мощные транзисторы и отвод тепла 6.05. Ограничители тока с обратным наклоном характеристики 6.06. Защита от больших напряжений 6.07. Специальные вопросы проектирования сильноточных источников питания 6.08. Программируемые источники питания 6.09. Пример схемы источника питания 6.10. Другие ИМС стабилизатора НЕСТАБИЛИЗИРОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ 6. 11. Компоненты линии переменного тока 6.12. Трансформаторы 6.13 Элементы схемы, работающие на постоянном токе ИСТОЧНИКИ ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ 6.14. Стабилитроны 6.15. Источник опорного напряжения на стабилитроне ТРЕХВЫВОДНЫЕ И ЧЕТЫРЕХВЫВОДНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ 6.16. Трехвыводные стабилизаторы 6.17. Трехвыводные регулируемые стабилизаторы 6.18. Дополнительные замечания относительно трехвыводных стабилизаторов 6.19. Импульсные стабилизаторы и преобразователи постоянного тока ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ 6.20. Высоковольтные стабилизаторы 6.21. Источники питания с малым уровнем помех и малым дрейфом 6.22. Микромощные стабилизаторы 6.23. Преобразователи напряжения с переключаемыми конденсаторами (зарядовый насос) 6.24. Источники стабилизированного постоянного тока 6.25. Коммерческие модули источников питания СХЕМЫ, НЕ ТРЕБУЮЩИЕ ПОЯСНЕНИЙ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УПРАЖНЕНИЯ

Что такое детектор пересечения нуля? Определение, принципиальная схема, работа и применение детектора пересечения нуля

Определение : Детектор операционного усилителя, способный обнаруживать изменение уровня синусоидального сигнала с положительного на отрицательный или с отрицательного на положительный, известен как детектор пересечения нуля.

Более конкретно, можно сказать, что он обнаруживает пересечение нуля приложенным сигналом переменного тока.

По сути, это компаратор напряжения, выходной сигнал которого изменяется, когда входной сигнал пересекает ноль опорного уровня напряжения. Поэтому он так и назван.

Он также известен как генератор прямоугольных импульсов , поскольку подаваемый входной сигнал преобразуется в прямоугольный сигнал детектором пересечения нуля.

Схема детектора пересечения нуля

На рисунке ниже представлена ​​схема детектора пересечения нуля с использованием инвертирующего операционного усилителя:

Здесь входной сигнал V _i ампер, а неинвертирующая клемма заземлена с помощью двух резисторов R ₁ и R ₂ .

Как мы видим, аналоговый входной сигнал поступает на инвертирующий вывод операционного усилителя. Таким образом, форма сигнала на выходе будет иметь обратную полярность. Это мы обсудим при работе детектора.

Работа детектора пересечения нуля

Как мы уже говорили, он определяет точку пересечения входным сигналом нуля опорного уровня напряжения. Для каждого пересечения уровень насыщения выходного сигнала меняется от одного к другому.

Давайте рассмотрим приведенную выше схему, чтобы понять ее работу.

Как мы уже упоминали, опорный уровень установлен на 0 и подается на неинвертирующий вывод операционного усилителя. Синусоидальная волна, подаваемая на инвертирующий вывод операционного усилителя, сравнивается с опорным уровнем каждый раз, когда фаза волны изменяется либо с положительной на отрицательную, либо с отрицательной на положительную.

Во-первых, при появлении на входе положительной половины синусоидального сигнала. Затем компаратор операционного усилителя сравнивает уровень опорного напряжения с пиковым уровнем приложенного сигнала

И мы знаем, что опорный уровень равен 0, поэтому

Итак, мы будем иметь

Во-вторых, в случае отрицательной половины синусоидального сигнала компаратор ОУ снова сравнивает опорное напряжение уровень с пиком приложенного сигнала.

Поскольку на этот раз схема имеет дело с отрицательной половиной сигнала, пик будет иметь отрицательную полярность.

Снова

Итак,

Итак, мы получаем

Таким образом, детектор перехода через нуль определяет изменение уровня подаваемого сигнала.

Форма входного и выходного сигналов

Прежде всего, мы упоминаем, что детектор пересечения нуля также известен как генератор прямоугольных сигналов. Поскольку выход оконного компаратора представляет собой не что иное, как прямоугольную волну.

Давайте теперь посмотрим на форму входного и выходного сигнала детектора пересечения нуля:

Как мы недавно обсуждали, V ₀ для положительной половины подаваемого сигнала – V _sat ,

По этой причине мы получили отрицательную половину прямоугольной волны на выходе при подаче положительной половины синусоидального сигнала. В то время как V ₀ для отрицательной половины синусоидального сигнала равно + V _sat ,

Таким образом, положительная половина прямоугольной волны получается на выходе для отрицательной половины синусоидального сигнала. Это хорошо видно на представлении осциллограммы.

Итак, наблюдая форму выходного сигнала, мы можем сказать, что выходной сигнал отражает наличие входного сигнала выше или ниже опорного уровня, т. е. 0 вольт.

Применение детектора перехода через ноль

Детекторы перехода через ноль широко применяются в электронных схемах, в основном для коммутации и в контуре фазовой автоподстройки частоты. Кроме того, они используются в частотомерах и фазометрах.

Его также можно использовать в качестве фазометра, так как его можно использовать для измерения фазового угла между двумя напряжениями, подаваемыми на его клеммы.

Взаимодействие с читателем

Схема детектора перехода через ноль

с использованием операционного усилителя или октопары

Схема детектора перехода через ноль является полезным применением операционного усилителя в качестве компаратора. Он используется для отслеживания изменения формы синусоидального сигнала с положительного на отрицательный или наоборот, когда он пересекает нулевое напряжение. Его также можно использовать в качестве генератора прямоугольных импульсов. Детектор перехода через ноль имеет множество применений, таких как генератор меток времени, фазометр, счетчик частоты и т. д. Детектор перехода через ноль может быть сконструирован разными способами, например, с использованием транзистора, операционного усилителя или ИС оптопары. В этой статье мы будем использовать операционный усилитель для создания Цепь детектора перехода через ноль и, как упоминалось ранее, операционный усилитель будет работать здесь как компаратор.

 

Идеальная форма сигнала для детектора перехода через нуль приведена ниже: от положительного к отрицательному. Он смещается от отрицательного к положительному, когда синусоида переходит от положительного к отрицательному, и наоборот. Вот как детектор пересечения нуля определяет каждый раз, когда сигнал пересекает ноль. Как вы можете заметить, форма выходного сигнала представляет собой прямоугольную волну, поэтому детектор пересечения нуля также называется схемой генератора прямоугольной волны.

Чтобы узнать больше об операционных усилителях, просмотрите другие схемы операционных усилителей.

 

Материал, необходимый для демонстрации схемы детектора пересечения нуля

• ИС операционного усилителя (LM741)
• Трансформатор (230–12 В)
• Питание 9 В
• Резистор (10 кОм – 3 шт.)
• Макет
• Соединительные провода
• Осциллограф

 

Схема детектора пересечения нуля

230 В Питание подается на трансформатор 12-0-12 В, а его фазный выход подключен к 2 ^и контакту операционного усилителя, а нейтраль замкнута на землю аккумулятора. Положительная клемма батареи подключена к 7 ^-му -му контакту (Vcc) операционного усилителя.

 

Работа схемы детектора перехода через ноль

В схеме детектора перехода через нуль неинвертирующий вывод операционного усилителя соединен с землей в качестве опорного напряжения и входного сигнала синусоидальной волны (Vin) подается на инвертирующий вывод операционного усилителя, как вы можете видеть на принципиальной схеме. Затем это входное напряжение сравнивается с опорным напряжением. Здесь можно использовать любую микросхему операционного усилителя общего назначения, мы использовали микросхему операционного усилителя LM741.

 

Теперь, когда вы рассматриваете положительных полупериода синусоидального входа. Мы знаем, что, когда напряжение на неинвертирующем конце меньше, чем напряжение на инвертирующем конце, выход операционного усилителя низкий или имеет отрицательное насыщение. Следовательно, мы получим отрицательную форму волны напряжения.

 

Затем в отрицательном полупериоде синусоиды напряжение на неинвертирующем конце (опорное напряжение) становится больше, чем напряжение на инвертирующем конце (входное напряжение), поэтому выход операционного усилителя становится равным Высокое или положительное насыщение. Следовательно, мы получим положительную форму волны напряжения, как вы можете видеть на изображении ниже:

 

Таким образом, ясно, что эта схема может обнаруживать пересечение нуля формы сигнала, переключая свой выход с отрицательного на положительный или с отрицательного на положительный.