Детектор нуля на оптопаре: Детектор перехода через ноль

Способы и схемы управления тиристором или симистором — АльфаМастер

Тиристоры нашли широкое применение в полупроводниковых устройствах и преобразователях. Различные источники питания, частотные преобразователи, регуляторы, возбудительные устройства для синхронных двигателей и много других устройств строились на тиристорах, а в последнее время их вытесняют преобразователи на транзисторах. Основной задачей для тиристора является включение нагрузки в момент подачи управляющего сигнала. В этой статье мы рассмотрим, как управлять тиристорами и симисторами.

Определение

Тиристор (тринистор) — это полупроводниковый полууправляемый ключ. Полууправляемый — значит, что вы можете только включать тиристор, отключается он только при прерывании тока в цепи или если приложить к нему обратное напряжение.

Он, подобно диоду, проводит ток только в одном направлении. То есть для включения в цепь переменного тока для управления двумя полуволнами нужно два тиристора, для каждой по одному, хотя не всегда. Тиристор состоит из 4 областей полупроводника (p-n-p-n).

Другой подобный прибор называется симистор — двунаправленный тиристор. Его основным отличием является то, что ток он может проводить в обе стороны. Фактически он представляет собой два тиристора соединённых параллельно навстречу друг другу.

Основные характеристики

Как и любых других электронных компонентов у тиристоров есть ряд характеристик:

• Падение напряжения при максимальном токе анода (VT или Uос).
• Прямое напряжение в закрытом состоянии (VD(RM) или Uзс).
• Обратное напряжение (VR(PM) или Uобр).
• Прямой ток (IT или Iпр) – это максимальный ток в открытом состоянии.
• Максимально допустимый прямой ток (ITSM) — это максимальный пиковый ток в открытом состоянии.
• Обратный ток (IR) — ток при определенном обратном напряжении.
• Постоянный ток в закрытом состоянии при определенном прямом напряжении (ID или Iзс).
• Постоянное отпирающее напряжение управления (VGT или UУ).
• Ток управления (IGT).
• Максимальный ток управления электрода IGM.
• Максимально допустимая рассеиваемая мощность на управляющем электроде (PG или Pу)

Принцип работы

Когда на тиристор подают напряжение он не проводит ток. Есть два способа включит его – подать напряжение между анодом и катодом достаточное для открытия, тогда его работа ничем не будет отличаться от динистора.

Другой способ – это подать кратковременный импульс на управляющий электрод. Ток открытия тиристора лежит в пределах 70-160 мА, хотя на практике эта величина, как и напряжение которое нужно приложить к тиристору зависит от конкретной модели и экземпляра полупроводникового прибора и даже от условий, в которых он работает, таких, например, как температура окружающей среды.

Кроме управляющего тока, есть такой параметр как ток удержания — это минимальный ток анода для удержания тиристора в открытом состоянии.

После открытия тиристора управляющий сигнал можно отключать, тиристор будет открыт до тех пор, пока через него протекает прямой ток и подано напряжение. То есть в цепи переменного тиристор будет открыт в течении той полуволны напряжение которой смещает тиристор в прямом направлении. Когда напряжение устремится к нулю, снизится и ток. Когда ток в цепи упадет ниже величины тока удержания тиристора — он закроется (выключится).

Полярность управляющего напряжения должна совпадать с полярностью напряжения между анодом и катодом, что вы наблюдаете на осциллограммах выше.

Управление симистором аналогично хоть и имеет некоторые особенности. Для управления симистором в цепи переменного тока нужно два импульса управляющего напряжения — на каждую полуволну синусоиды соответственно.

После подачи управляющего импульса в первой полуволне (условно положительной) синусоидального напряжения ток через симистор будет протекать до начала второй полуволны, после чего он закроется, как и обычный тиристор. После этого нужно подать еще один управляющий импульс для открытия симистора на отрицательной полуволне. Это наглядно проиллюстрировано на следующих осциллограммах.

Полярность управляющего напряжения должна соответствовать полярности приложенного напряжения между анодом и катодом. Из-за этого возникают проблемы при управлении симисторами с помощью цифровых логических схем или от выходов микроконтроллера. Но это легко решается путем установки симисторного драйвера, о чем мы поговорим позже.

Распространенные схемы управления тиристорами или симисторами

Самой распространенной схемой является симисторный или тиристорный регулятор.

Здесь тиристор открывается после того как на конденсаторе будет достаточная величина для его открытия. Момент открытия регулируется с помощью потенциометра или переменного резистора. Чем больше его сопротивление — тем медленнее заряжается конденсатор. Резистор R2 ограничивает ток через управляющий электрод.

Эта схема регулирует оба полупериода, то есть вы получаете полную регулировку мощности почти от 0% и почти до 100%. Это удалось достичь, установив регулятор в диодном мосте, таким образом регулируется одна из полуволн.

Упрощенная схема изображена ниже, здесь регулируется лишь половина периода, вторая полуволна проходит без изменения через диод VD1. Принцип работы аналогичен.

Симисторный регулятор без диодного моста позволяет управлять двумя полуволнами.

По принципу действия почти аналогична предыдущим, но построена на симисторе с её помощью регулируются уже обе полуволны. Отличия заключаются в том, что здесь импульс управления подаётся с помощью двунаправленного динистора DB3, после того как конденсатор зарядится до нужного напряжения, обычно это 28-36 Вольт. Скорость зарядки также регулируется переменным резистором или потенциометром. Такая схема реализована в большинстве бытовых диммеров.

Интересно:

Такие схемы регулировки напряжения называется СИФУ — система импульсного фазового управления.

На рисунке выше изображен вариант управления симистором с помощью микроконтроллера, на примере популярной платформы Arduino. Симисторный драйвер состоит из оптосимистора и светодиода. Так как в выходной цепи драйвера установлен оптосимистор на управляющий электрод всегда подаётся напряжение нужной полярности, но здесь есть некоторые нюансы.

Дело в том, что для регулировки напряжения с помощью симистора или тиристора нужно подавать управляющий сигнал в определенный момент времени, так чтобы срез фазы происходил до нужной величины. Если наугад стрелять управляющими импульсами — схема работать конечно будет, но регулировок добиться не выйдет, поэтому нужно определять момент перехода полуволны через ноль.

Так как для нас не имеет значения полярность полуволны в настоящий момент времени — достаточно просто отслеживать момент перехода через ноль. Такой узел в схеме называют детектор нуля или нуль-детектор, а в англоязычных источниках «zero crossing detector circuit» или ZCD. Вариант такой схемы с детектором перехода через ноль на транзисторной оптопаре выглядит следующим образом:

Оптодрайверов для управления симисторами есть множество, типовые – это линейка MOC304x, MOC305x, MOC306X, произведенные компанией Motorola и другими. Более того – эти драйверы обеспечивают гальваническую развязку, что убережет ваш микроконтроллер в случае пробоя полупроводникового ключа, что вполне возможно и вероятно. Также это повысит безопасность работы с цепями управления, полностью разделив цепь на «силовую» и «оперативную».

Заключение

Мы рассказали базовые сведения о тиристорах и симисторах, а также управлении ими в цепях с «переменкой». Стоит отметить, что мы не затрагивали тему запираемых тиристоров, если вас интересует этот вопрос – пишите комментарии и мы рассмотрим их подробнее. Также не были рассмотрены нюансы использования и управления тиристорами в силовых индуктивных цепях. Для управления «постоянкой» лучше использовать транзисторы, поскольку в этом случае вы решаете, когда ключ откроется, а когда он закроется, повинуясь управляющему сигналу…

Датчик перехода через ноль

Luca Matteini, Италия

Предлагается гальванически изолированная схема, формирующая короткий импульс при переходе сетевого напряжения через ноль. Импульс возникает примерно за 200 мкс до пересечения нуля. Схема может иметь много применений, в частности, для улучшения условий выключения тиристора путем упреждающего разрыва тока управляющего электрода. Поскольку импульс генерируется только тогда, когда входное напряжение сети близко к нулю, потребляемая схемой мощность невелика и составляет порядка 200 мВт при входном напряжении 230 В/50 Гц.

Рисунок 1.	Этот детектор перехода через ноль собран из низковольтных компонентов и рассеивает небольшую мощность.

Конденсатор C₁ заряжается до 22 В – уровня ограничения стабилитрона D₃ (Рисунок 1, [1]). Входной ток ограничивается резисторами R₁ и R₅. Когда выпрямленное входное напряжение опускается ниже напряжения на конденсаторе C₁, открывается транзистор Q₁ и генерирует импульс длительностью в несколько сотен микросекунд. Оптопара IC₁ обостряет фронты и делает выходной импульс более прямоугольным. Требования к R₁ и R₅ определяются среднеквадратичным значением (с.к.з.) входного напряжения. Подойдут резисторы типоразмера 1206, рассчитанные, как правило, на рабочее напряжение 200 В с.к.з. Входное напряжение схемы делится поровну между резисторами R₁ и R₅, так что номинальное входное напряжение будет равно 400 В – вполне достаточно для работы в сети 230 В. Больше ни одного высоковольтного компонента для схемы не требуется. Отметим только, что стабилитрон D₃ с номинальным напряжением стабилизации 22 В может пробиваться при напряжении до 30 В, в связи с чем рабочее напряжение конденсатора 470 нФ (C₁) надо выбирать с запасом, скажем 50 В. И предпочтительно, чтобы C₁ был керамическим, поскольку керамические конденсаторы намного надежнее электролитических, – алюминиевых или танталовых, – особенно, при повышенных температурах. Если вы предпочтете более малогабаритные и дешевые конденсаторы с рабочим напряжением 25 В, замените D₃ стабилитроном на 18 В. Резистор R₄ ограничивает пиковый ток светодиода оптопары. Первичное ограничение тока происходит за счет плавного наклона выпрямленного переменного напряжения, не позволяющего Q₁ генерировать пики тока в то время, когда он разряжает конденсатор C₁.

Рисунок 2.	Отклик схемы, смоделированной в LTspice. При снижении входного напряжения до 0 формируется короткий импульс тока через светодиод, передний фронт которого опережает, а задний отстает от точки пересечения. Пиковый ток светодиода равен 17 мА.

Результат моделирования схемы в LTspice Version IV представлен на Рисунке 2 [2]. При входном напряжении 230 В/50 Гц пиковый ток светодиода оптопары равен 17 мА. Модель демонстрирует хорошие результаты в диапазоне сетевых напряжений от 90 до 250 В при частоте как 50, так и 60 Гц. В сети 110 В/60 Гц протекающий через светодиод пиковый ток равен 8.5 мА, для работы IC₁ этого еще достаточно. Если, все же, вы захотите увеличить ток светодиода, надо уменьшить сопротивление R₃ или увеличить емкость конденсатора C₁.

Тестирование реальной схемы продемонстрировало хорошее совпадение с моделью (Рисунок 3). При питании фототранзистора оптрона напряжением 5 В получился импульс хорошей формы (Осциллограмма 1). Сетевой вход для безопасности подключался к осциллографу через изолирующий трансформатор с выходным напряжением 15 В (Осциллограмма 2). Вы можете использовать растяжку и свойство послесвечения осциллографа, чтобы в деталях рассмотреть процессы в точке пересечения нуля (Рисунок 4). Это позволит вам точно измерить интервал времени между моментом пересечения нуля и возникновением импульса.

Ссылки

1. Demchenko, Peter, «Improved optocoupler circuits reduce current draw, resist LED aging,» EDN, Dec 14, 2007, pg 60.
2. «LTspice IV,» Linear Technology Corp.

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Luca Matteini, Италия

Предлагается гальванически изолированная схема, формирующая короткий импульс при переходе сетевого напряжения через ноль. Импульс возникает примерно за 200 мкс до пересечения нуля. Схема может иметь много применений, в частности, для улучшения условий выключения тиристора путем упреждающего разрыва тока управляющего электрода. Поскольку импульс генерируется только тогда, когда входное напряжение сети близко к нулю, потребляемая схемой мощность невелика и составляет порядка 200 мВт при входном напряжении 230 В/50 Гц.

Конденсатор C₁ заряжается до 22 В – уровня ограничения стабилитрона D₃ (Рисунок 1, [1]). Входной ток ограничивается резисторами R₁ и R₅. Когда выпрямленное входное напряжение опускается ниже напряжения на конденсаторе C₁, открывается транзистор Q₁ и генерирует импульс длительностью в несколько сотен микросекунд. Оптопара IC₁ обостряет фронты и делает выходной импульс более прямоугольным. Требования к R₁ и R₅ определяются среднеквадратичным значением (с.к.з.) входного напряжения. Подойдут резисторы типоразмера 1206, рассчитанные, как правило, на рабочее напряжение 200 В с.к.з. Входное напряжение схемы делится поровну между резисторами R₁ и R₅, так что номинальное входное напряжение будет равно 400 В – вполне достаточно для работы в сети 230 В. Больше ни одного высоковольтного компонента для схемы не требуется. Отметим только, что стабилитрон D₃ с номинальным напряжением стабилизации 22 В может пробиваться при напряжении до 30 В, в связи с чем рабочее напряжение конденсатора 470 нФ (C₁) надо выбирать с запасом, скажем 50 В. И предпочтительно, чтобы C₁ был керамическим, поскольку керамические конденсаторы намного надежнее электролитических, – алюминиевых или танталовых, – особенно, при повышенных температурах. Если вы предпочтете более малогабаритные и дешевые конденсаторы с рабочим напряжением 25 В, замените D₃ стабилитроном на 18 В. Резистор R₄ ограничивает пиковый ток светодиода оптопары. Первичное ограничение тока происходит за счет плавного наклона выпрямленного переменного напряжения, не позволяющего Q₁ генерировать пики тока в то время, когда он разряжает конденсатор C₁.

Результат моделирования схемы в LTspice Version IV представлен на Рисунке 2 [2]. При входном напряжении 230 В/50 Гц пиковый ток светодиода оптопары равен 17 мА. Модель демонстрирует хорошие результаты в диапазоне сетевых напряжений от 90 до 250 В при частоте как 50, так и 60 Гц. В сети 110 В/60 Гц протекающий через светодиод пиковый ток равен 8.5 мА, для работы IC₁ этого еще достаточно. Если, все же, вы захотите увеличить ток светодиода, надо уменьшить сопротивление R₃ или увеличить емкость конденсатора C₁.

Тестирование реальной схемы продемонстрировало хорошее совпадение с моделью (Рисунок 3). При питании фототранзистора оптрона напряжением 5 В получился импульс хорошей формы (Осциллограмма 1). Сетевой вход для безопасности подключался к осциллографу через изолирующий трансформатор с выходным напряжением 15 В (Осциллограмма 2). Вы можете использовать растяжку и свойство послесвечения осциллографа, чтобы в деталях рассмотреть процессы в точке пересечения нуля (Рисунок 4). Это позволит вам точно измерить интервал времени между моментом пересечения нуля и возникновением импульса.

Рисунок 3.	Тестирование реальной схемы демонстрирует хорошее совпадение с моделью.

Ссылки

1. Demchenko, Peter, «Improved optocoupler circuits reduce current draw, resist LED aging,» EDN, Dec 14, 2007, pg 60.
2. «LTspice IV,» Linear Technology Corp.

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Детектор перехода через ноль

Некоторые радиоэлектронные устройства требуют для своей работы синхронизации с сетевым напряжением . Большинство подобных устройств обеспечивают синхронизацию напряжения в момент перехода сетевого напряжения через ноль и требуют для своей работы уменьшения напряжения, например, с помощью сетевого трансформатора.

Приведенная ниже простая схема не требует применения трансформатора и имеет полную гальваническую развязку от сети переменного тока. Она обеспечивает на выходе короткий отрицательный импульс в момент, когда напряжение фазы становится положительным (рис.1).

Принципиальная схема устройства показана на рис.2. При отрицательной полуволне фазного напряжения, конденсатор С1 заряжается до напряжения стабилизации стабилитрона VD2 через резистор R1 и диоды VD1, VD3. В момент, когда напряжение фазы переходит через ноль и становится положительным, транзистор VT1 открывается и через светодиод в оптопаре IC1 протекает ток. В то же время, открытие транзистора VT1 приводит к разрядке конденсатора С1, поэтому транзистор открывается на очень короткое время, что обеспечивает получение короткого отрицате льного импульса на выходе устройства. Длительность импульса зависит от емкости конденсаторе С1, поэтому при необходимости ее можно изменять, варьируя емкостью конденсатора. При емкости конденсатора, указанной на рис. 2, длительность выходного импульса будет около 1 мс.

Рис. 2 детектор нуля, схема

В схеме можно использовать конденсатор и резисторы любых типов. Транзистор можно заменить КТ3102А, ВС547 и им подобными. В качестве оптопары IC 1 можно использовать РС817. Диоды VD1, VD3 могут быть любые выпрямительные на напряжение более 400 В.

Сетевой диммер 220V на микроконтроллере – Полезная информация – AVR project.ru

 Сегодня я поделюсь результатами своих экспериментов в области управления нагрузками, подключенными к бытовой сети 220 вольт. А именно займемся диммированием – будем плавно зажигать и гасить лампочку накаливания с помощью микроконтроллера. 

При работе с высоким сетевым напряжением следует быть осторожным и внимательным! Ни в коем случае не дотрагиваться до оголенных участков схемы.  

 Так почему же нельзя в данном случае использовать простой шим сигнал? 

Как известно в розетке у нас переменное напряжение синусоидальной формы, как на рисунке ниже.

 Если использовать управление с помощью ШИМ, ключ через который регулируем сигнал (например симистор) будет открываться и пропускать в нагрузку куски синусоиды, имеющие разную мощность. Как итог, никакого плавного регулирования не получится, а будет безупорядоченный сигнал на выходе:

 Для того чтобы этого избежать, мы должны знать когда включать и выключать симистор, то есть привязать управляющий сигнал к управляемому. Как? Все просто, достаточно знать когда сигнал проходит через 0. Зная где начинается каждая следующая полуволна мы сможем открывать ключ в нужные моменты, тем самым отдавая нагрузке одинаковую мощность. А изменяя время, которое управляющий ключ находится в открытом состоянии мы можем плавно изменять отдаваемую мощность. 

 Момент прохождения сетевого напряжения через 0, можно определять с помощью оптопары. Для того чтобы детектировать начало каждой полуволны (и отрицательной и положительной) оптопару подключаем через диодный мост. Таким образом на выходе детектора нуля получаем короткие положительные импульсы в момент когда напряжение в сети проходит через 0. 

 Для наглядности приведу картинку с виртуального осциллографа смоделлированной схемы в proteus. Синим цветом изображен исходный сигнал (~220V), красным – сигнал после выпрямления диодным мостом. Зеленым цветом изображены импульсы на выходе оптопары U3.

 Сигнал с детектора нуля можно завести на вход внешнего прерывания, чтобы ловить начало новой полуволны, а дальше открывать симистор U4 (я использовал BT16-600) на необходимое время. Для опторазвязки я использовал оптосимистор MOC3022 (U2). 

 Остается только подсчитать время на которое нужно открывать симистор. При частоте сетевого напряжения равной 50 Гц время полупериода (длительность одной полуволны) составит 0,01 сек. То есть если мы откроем симистор на 0,005 сек, мы пропустим половину полуволны, мощность составит 50%, если откроем симистор на 0,01 сек (или больше), пропустим всю полуволну и отдаваемая мощность составит 100%. Тут думаю все понятно. 

код в Bascom-AVR

Dim N As Bit                                 ‘1-плавно зажигаем лампочку, 0-гасим

Config Int0 = Falling
On Int0 Imp

Config Timer0 = Timer , Prescale = 1024      ‘переполнение за 0,032 сек
Dim Wt As Byte
On Timer0 Perepolnenie

Config Portd.0 = Output
Opto Alias Portd. 0
Opto = 0

Enable Interrupts
Enable Timer0
Start Timer0
Enable Int0

Wt = 195                                     ‘минимальный накал
N = 1

Wait 2

Do                                           ‘бесконечный цикл

Loop

End

Imp:                                         ‘прерывание от детектора нуля
 Timer0 = Wt      ‘чем большее значение сюда положим, тем быстрее переполнится таймер
 Start Timer0

 If N = 1 Then                               ‘плавно зажигаем лампу
  Incr Wt                                    ‘увеличиваем до максимального значения
   If Wt = 255 Then
    N = 0
   End If
 Else                                        ‘плавно гасим
   Decr Wt                                   ‘уменьшаем до минимального значения
    If Wt = 195 Then
     N = 1
    End If
 End If
Return

Perepolnenie:                                ‘переполнение таймера
 Stop Timer0                                 ‘останавливаем таймер
 Opto = 1                                    ‘включение симистора
 Waitus 100
 Opto = 0                                    ‘выключение оптосимистора

и не большое видео

 Управление лампочкой метод конечно не ограничивается, этим же способом можно управлять и другой нагрузкой – нагревателями, двигателями и пр.

Схема твердотельного реле

В рассматриваемых ранее схемах реле в качестве нагрузки я использовал светодиод. Для включения более мощных нагрузок можно использовать механическое реле, но я предпочитаю использовать твердотельное реле на симисторной оптопаре и симисторе. В твердотельном реле, в отличие от механического, нет движущихся частей, поэтому оно имеет больший срок службы. Недостатком является нагрев симистора и как следствие необходимость радиатора. Расчет радиатора достаточно сложен, проще подобрать его экспериментально, начиная с самого большого и уменьшать, до тех пор пока не будет достигнут компромисс между размером радиатора и температурой симистора. Проверять температуру лучше не пальцем, так как далеко не все симисторы имеют изолированный от выводов корпус и на радиаторе может оказаться фаза. Перед тем как потрогать радиатор нужно обесточить схему.

Когда на светодиод подается питание, внутри оптопары открывается симистор, который управляет более мощным симистором. Резистор R2 ограничивает ток через симистор оптопары в начальный момент, когда внешний симистор еще не открылся. Резистор R3 нужен для более быстрого закрытия симистора и чтобы управляющий электрод не висел в воздухе при закрытом симисторе оптопары. Его можно и не ставить. Цепь R3 C1 является снаббером. Снаббер рекомендуется ставить для защиты от самопроизвольного включения симистора в отсутствие управляющего сигнала, особенно если нагрузка индуктивная. Он ограничивает скорость нарастания напряжения dV/dt. Чем больше емкость и чем меньше сопротивление, тем сильнее ограничивается скорость нарастания напряжения, но возрастает вероятность повреждения симистора из-за разряда конденсатора. Обычно используют резистор не менее 100 Ом и конденсатор 100нФ.

Существуют и безснабберные симисторы(snubberless), называемые также трехквадрантными(3Q или Hi-com), например BTA16-600BW. Они разработаны специально для работы с индуктивной нагрузкой и снабберная цепь в большинстве случаев не нужна.

Проверка оптопары moc3063 мультиметром в режиме прозвонки. Сначала проверяется светодиод. К выводу 1 подключаем красный щуп, а к выводу 2 черный. Мультиметр покажет падение на светодиоде чуть более 1В. Такое низкое падение напряжения характерно для инфракрасных светодиодов. Теперь щупы мультиметра подключим к выводам 4 и 6, а на светодиод подадим питание 5-12В через резистор 1кОм. После подачи питания мультиметр должен показать падение напряжения на открывшемся симисторе около 1В. Если теперь убрать питание светодиода симистор останется в открытом состоянии, так как через него протекает ток от мультиметра. Чтобы он закрылся нужно на короткое время прервать ток в цепи. В цепях переменного тока закрытие симистора происходит автоматически в момент когда ток меняет направление.

Проверка симистора мультиметром в режиме прозвонки на примере BTA16-600BW. К первому выводу подключаем черный щуп, ко второму – красный. Теперь на управляющий электрод подаем питание 5-12В через резистор 100 Ом: минус соединяем к первому выводу, а плюс к третьему. Симистор откроется, мультиметр покажет падение напряжения около 0,8В. Если убрать питание с управляющего электрода симистор закроется, так как мультиметр не может выдать 50мА тока, необходимого для удержания BTA16-600BW в открытом состоянии.

Оптопара moc3063 имеет внутри детектор перехода напряжения через ноль. При поступлении питания на светодиод нагрузка будет включена не моментально, а при ближайшем переходе напряжения через ноль. Этим достигается минимизации помех при переключении. В схемах фазоимпульсной регулировки мощности оптопара с детектором перехода через ноль работать не будет. В таких схемах нужно применять оптопары без детектора нуля, например moc3052.

Я подумал что если нагрузка маломощная, можно не использовать внешний симистор, должно хватить встроенного. Максимальная рассеиваемая мощность встроенного симистора 150мВт, максимальное падение напряжения на симисторе 3В. Чтобы не превысить рассеиваемую мощность, ток нагрузки не должен превышать 50мА. Можно управлять маленькой светодиодной лампой на 10Вт, ток потребления которой 54мА. Прогорела у меня такая лампа через оптосимистор около часа, а потом я отключил ее и снова включил, при включенном питании светодиода. Лампа моргнула, а симистор в оптопаре больше не открывался. Полагаю он сгорел из-за броска тока через лампу в момент включения. Остались у меня две оптопары, они понадобятся для управления освещением и нагревом в теплице, поэтому решил больше не экспериментировать и впредь применять оптопару только с внешним симистором.

Улучшенные детекторы перехода через ноль переменного тока для Arduino

, автор Lewis Loflin

В течение нескольких лет я размещал средства управления питанием переменного тока на базе Arduino. Идея заключалась в том, что прерывание от детектора перехода через ноль будет использоваться с программой задержки для запуска схемы симистора. Считывая значение потенциометра, Arduino вычисляет задержку на каждом полупериоде переменного тока от 0 до 8,33 миллисекунды. Чем больше задержка, тем меньше мощности передается на нагрузку.См. Рис. 1 и следующие ссылки.

Цель состоит в том, чтобы создать лучший детектор перехода через ноль. В то время как оптопары на выходе транзистора работают, несколько искаженный импульс запуска может вызвать проблемы.

Рис. 2 Полноволновый выпрямленный переменный ток в пульсирующий постоянный ток.

На рис. 2 показан пульсирующий вход постоянного тока для светодиода (ей) оптопары.

Рис. 3 Детектор пересечения нуля переменного тока, улучшенный с помощью триггерных инверторов Шмитта SN74LS14.

Фиг.3 показан двухполупериодный мостовой выпрямитель и типовой оптрон 4N24. Здесь я добавил два триггерных инвертора Шмитта SN74LS14. Это дает два чистых выходных импульса на TP2 и TP3.

Рис. 4 Детектор пересечения нулевого уровня переменного тока, улучшенный с помощью сигналов триггера Шмитта SN74LS14.

На рис. 4 показаны формы выходных сигналов моего ПК-осциллографа. TP2 показывает плохую форму сигнала от цепи коллектора транзистора. TP3 показывает чистый импульс от высокого к низкому с рабочим циклом около 7%.

TP4 у нас есть импульс от низкого к высокому с периодом 7%. Все они 120 Гц с периодом 8,33 мс.

Рис. 5 Детектор пересечения нулевого переменного тока с использованием оптопары h21L1.

На рис. 5 я заменил триггерные инверторы Шмитта SN74LS14 и оптопару 4N25 одной схемой оптопары h21L1. Контакт 4 – это выход с открытым стоком и подтягивающим резистором. H21L1 имеет внутренний триггер Шмитта и схему детектора. Диапазон напряжения на выходе от 3 до 16 вольт.

Чтобы процитировать спецификацию:

«В h21L1 и h21L2 есть инфракрасный светодиод на арсениде галлия, оптически связанный с высокоскоростным интегрированным детектором с выходом триггера Шмитта. Разработан для приложений, требующих гальванической развязки, быстрого времени отклика, помехоустойчивости и совместимости с цифровой логикой».

Рис. 6 Детектор пересечения нулевого уровня переменного тока с использованием формы сигнала оптопары h21L1.

На рис. 6 показан чистый выходной импульс с вывода 4. Рабочий цикл составляет около 7%, частота составляет 120 Гц, а период – 8.33 миллисекунды.

Рис. 7 Полуволновой пульсирующий сигнал постоянного тока.

Это полуволновой пульсирующий постоянный ток. Это 60 Гц с периодом 16,7 миллисекунды.

Рис. 8 Выходной сигнал полуволны h21L1 с переходом через ноль.

Наконец вывод h21L1. Это создает прямоугольную волну 60 Гц с рабочим циклом 54%. Я бы не стал использовать это для управления мощностью, но обнаружение спада или повышения крутизны работает нормально.

Рис. 9 еще одна схема перехода через нуль h21L1.

MOC3041 Спецификация оптопары, расположение выводов, характеристики и аналоги

MOC3041 Оптрон с приводом от симистора Zero-Cross

MOC3041 Оптрон с приводом от симистора Zero-Cross

MOC3041 Оптрон с приводом от симистора Zero-Cross

MOC3041 Распиновка оптоизолятора

Нажмите на изображение для увеличения

MOC3021 – это оптрон с приводом от симистора с нулевым переходом. Это означает, что внутри него находится инфракрасный светоизлучающий диод (LED) в сочетании с TRIAC. Когда загорается светодиод, включается и TRIAC.

MOC3021 Конфигурация контактов

MOC3041 Характеристики и характеристики

• Оптоизолятор с драйвером симистора с нулевым переходом
• Входное прямое напряжение диода светодиода: 1. 3В
• Ток срабатывания светодиода в прямом направлении: 15 мА
• Напряжение на выходе TRIAC: 400 В (макс.)
• Пиковый выходной ток TRIAC: 1A
• Доступен как 6-контактный PDIP с суффиксом M и без него

Примечание: Более подробную информацию можно найти в таблице данных MOC3041, которую можно загрузить в конце этой страницы.

Эквивалент для MOC3041: MOC3021 (совместимость по выводам)

Альтернативы Оптопары: MCT2E (ненулевой транзистор), FOD3180 (высокоскоростной полевой МОП-транзистор), 6N137 (высокоскоростной NAND), 4N25

MOC3041 Введение

Оптоизолятор, такой как MOC3041, обычно используется для управления другим внешним коммутационным устройством, таким как TRIAC, MOSFET или SCR, которые, в свою очередь, будут управлять нагрузкой переменного или постоянного тока.TRIAC, присутствующий внутри MOC3041, может обеспечивать пиковый ток до 1 А, что достаточно для срабатывания внешнего переключателя. Сам по себе TRIAC не следует использовать для переключения нагрузок без внешнего переключателя.

Поскольку MOC3041 имеет встроенный детектор перехода через нуль, он в основном используется для переключения нагрузок переменного тока. Детектор пересечения нуля будет отслеживать 0 В в выходной синусоидальной волне и включать внутренний TRIAC только при 0 В. Таким образом, НАГРУЗКА не будет подвергаться пиковому напряжению при переключении.

MOC3041 для коммутации нагрузок переменного тока

MOC3041 обычно используется для управления скоростью двигателя переменного тока, диммеров света или других приложений домашней автоматизации, где задействована нагрузка переменного тока. Типовая принципиальная схема приложения для управления нагрузкой переменного тока с помощью микроконтроллера показана ниже

Внутренний ИК-светодиод подключается между контактом 1 и контактом 2. Источник напряжения Vcc должен обеспечивать подачу 15 мА через резистор Rin на контакт анода светодиода. Логический элемент И-НЕ соединяет катодный вывод светодиода с землей на основе сигнала ШИМ от микроконтроллера.Таким образом, один входной вывод логического элемента И-НЕ будет подключен к земле, а другой – к сигналу ШИМ.

На основании сигнала ШИМ светодиод будет включаться с определенным интервалом, в течение которого также будет включен внутренний TRIAC. Когда внутренний TRIAC включен, он переключает внешний TRIAC, который, в свою очередь, управляет нагрузкой переменного тока. Резистор на 39 Ом и конденсаторы 0,01 мкФ образуют дополнительную цепь демпфера. Таким образом, в зависимости от рабочего цикла ШИМ выходное напряжение также будет изменяться, что позволяет нам контролировать скорость интенсивности нагрузки.

Приложения

• Диммеры переменного тока
• Управление контактором / реле
• Регулировка скорости двигателя переменного тока
• Цепи шумовой связи
• Управление нагрузками переменного тока с помощью MCU / MPU
• Регулятор мощности переменного / постоянного тока
• Соленоид / управление клапаном

2D-Модель

Детектор перехода через ноль сети | DEXTREL

Дополнение 2

Вот некоторые из отзывов, которые я получил после публикации этой схемы ZCD на моей первой веб-странице много-много лет назад:

ДАТА: 30. 11.2017, ОТ: Майка Г., ТЕМА: Zero cross circuit

“Вы, сударь, гений!”

ДАТА: 7.11.2017 ОТ: Роджер, ТЕМА: Люблю схему нулевого пересечения

«Привет, Декстрел, я просто хотел сказать тебе спасибо» за то, что ты поделился схемой пересечения нуля. Это прекрасный дизайн и красиво описано. Молодец, и еще раз спасибо. “

ДАТА: 27.10.2017

ОТ: Rod E.

ТЕМА: Детектор перехода через нуль

: «Привет, я хотел бы знать, не позволите ли вы мне включить ваш ZCD в мою существующую статью о детекторах пересечения нуля (см. Http: // sound.whsites.net/appnotes/an005.htm). Я бы не стал использовать ваше исходное изображение и предоставил бы вам полную заслугу за идею. Это элегантная и умная адаптация базовой схемы, и моделирование показывает, что она действительно будет работать очень хорошо. Ура, Род Эллиотт. “

ДАТА: 14.9.2017

ОТ: Сэмюэл Б. К.

ТЕМА: Детектор перехода через нуль своими руками

СООБЩЕНИЕ: «Здравствуйте, ваше решение элегантно. Могу я спросить, какие параметры мне нужно изменить, чтобы использовать источник переменного тока 12 В?»

ДАТА: 3.8.2017

ОТ: JP M.

ТЕМА: Как я начал заниматься электроникой

СООБЩЕНИЕ: «Я получил аналогичную электрическую сборку, которую она установила, когда мне было около 8 лет, примерно в год вашего рождения. Я получил ее в канун Рождества и не спал всю ночь, пытаясь найти что-нибудь, что угодно, поработать. На следующий день я обнаружил, что батареи разряжены. У меня была долгая успешная карьера инженера-электрика / электронщика. Мне нравится ваша схема перехода через нуль! С нетерпением жду возможности изучить ваш сайт »

ДАТА: 12.11.2016

ОТ: Нико де Х.

ТЕМА: Спасибо за детектор перехода через ноль

СООБЩЕНИЕ: «Привет, просто хотел сказать вам спасибо за вашу схему перехода через нуль. Я собираюсь использовать ее в одном из моих проектов домашней автоматизации, который переключает сеть переменного тока с помощью двух полевых МОП-транзисторов. С уважением, Нико де ЧАС.”

ДАТА: 12.11.2016

ОТ: Джим Б.

ТЕМА: Спасибо

: «Я хочу еще раз поблагодарить вас за то, что вы не только помогли мне лучше понять вашу схему детектора нулевого пересечения, но и проявили терпение в процессе обучения.В то время, когда мы общались, я все еще не имел достаточного представления о концепции реактивного сопротивления, и я не мог так ясно видеть «мини-системы» компонентов в группах, каждая из которых выполняет свои функции в рамках вашей общей схемы. Для меня ваша схема ZeroCrossDetection – одна из наиболее красноречиво разработанных и действительно «спроектированных» конструкций, которые я когда-либо видел. Чистое оборудование, надежное и продуманное до мелочей. Не больше и не меньше, чем именно то, что необходимо для выполнения работы, и делать ее хорошо. Еще раз спасибо – за вашу помощь и вдохновение, когда я продолжаю свой путь в этой области.С уважением, Джим “

ДАТА: 22.3.2015

ОТ: Иоанна

ТЕМА: Детектор пересечения нуля

СООБЩЕНИЕ: «Привет, я хотел поздравить вас с разработкой такой элегантной схемы с нулевым переходом! Я не часто завидую достижениям других людей, но мне, конечно, жаль, что я не подумал об этом. Каждая часть имеет значение и, как вы указываете, симметрия относительно нуля очень точна. Снимаю шляпу! John “

ДАТА: 24.8.2011

ОТ: Мануэля

ТЕМА: Детектор пересечения нуля

СООБЩЕНИЕ: «Уважаемый, Вы молодец, трасса отличная.. такой простой, такой прочный. так эффективно.
Я очень благодарен тебе …… Если бы в этом мире было больше таких людей, как ты. Я был бы лучшим местом для жизни ….. Большое спасибо … С наилучшими пожеланиями, Мануэль Э. Т.

ДАТА: 27.12.2010

ОТ: Мэтта Г.

ТЕМА: ЦЕПЬ НУЛЕВОГО КРОССЕРА DIY

СООБЩЕНИЕ: «Привет из Колумбуса, штат Огайо, США! Я не могу поблагодарить вас за публикацию вашей блестящей схемы обнаружения пересечения нуля. В проекте, над которым я сейчас работаю, мне нужен был способ надежно изолировать сеть от микроконтроллера. схемы, но мне нужно было что-то более эффективное, чем просто включение светодиода оптопары последовательно с резистором.Я просмотрел множество идей, но эта намного превосходит их все. Я только что взял перфокарту и собираюсь приступить к созданию прототипа.

Я тоже начал заниматься электроникой в ​​детстве, когда мой отец купил мне и моему брату-близнецу одну из тех электронных проектных досок “100-в-1” от Radio Shack. Одним летом мы построили все проекты примерно за неделю, а затем начали заменять и экспериментировать. Потом мы начали приставать к папе, чтобы он водил нас в магазин радиоприемников, учил паять и т. Д.Оказалось, что моя профессия связана с программным обеспечением, но я по-прежнему увлекаюсь цифровой электроникой как хобби. Мне особенно нравятся схемы на основе микроконтроллеров, в которых задействовано некоторое аппаратное и программное обеспечение.

Еще раз спасибо за публикацию вашего решения – я с нетерпением жду возможности ознакомиться с другими вашими проектами и проектами!

Ура,

-Matt

Детекторы нулевого пересечения

Детекторы перехода через ноль как группа не являются хорошо изученным приложением, хотя они являются важными элементами в широком спектре продуктов. Вероятно, это ускользнуло от внимания читателей, которые смотрели на контроллер освещения или генератор косинусных импульсов Linkwitz (оба находятся на веб-сайте ESP), но они полагаются на детектор пересечения нуля для своей работы. То же самое и с проектом ESP Tone Burst Generator.

Детектор пересечения нуля (ZCD) буквально обнаруживает переход формы сигнала сигнала с положительного на отрицательный (и наоборот), в идеале обеспечивая узкий импульс, который точно совпадает с условием нулевого напряжения. На первый взгляд это может показаться достаточно простой задачей, но на самом деле это довольно сложно, особенно когда речь идет о высоких частотах. В этом случае даже 1 кГц начинает представлять реальную проблему, если требуется максимальная точность.

Не такой скромный компаратор играет жизненно важную роль – без него большинство прецизионных детекторов пересечения нуля не работали бы, и мы были бы без цифрового звука, ШИМ и множества других приложений, которые, возможно, воспринимаются как должное.

Если вы поищете в сети детекторы пересечения нуля, вы увидите множество схем, предлагающих почтенный µA741. Схемы будут работать, но 741 на несколько порядков медленнее, чтобы его можно было даже удаленно использовать на частотах выше 100 Гц или около того. Скорость нарастания µA741 составляет 0,5 В / мкс – это один из самых медленных операционных усилителей. Во всех случаях 741 следует заменить на что-то значительно более быстрое, например, некомпенсированный LM301 или «настоящий» компаратор. Для сравнения: операционный усилитель TL071 имеет типичную скорость нарастания единичного усиления 13 В / мкс, и даже это медленнее по сравнению с большинством компараторов (обратите внимание, что эта скорость нарастания составляет , а не , обязательно достигается разомкнутый контур).Ожидайте, что специальные компараторы будут иметь скорость нарастания не менее 100 В / мкс!

Читатель может также захотеть взглянуть на детектор пересечения нуля, описанный в статье о компараторах, который включает в себя схему, которая может очень хорошо работать со звуковыми частотами, по крайней мере, до 10 кГц. Он более сложен, чем показанные здесь, но также гораздо более универсален. Легко получить коэффициент заполнения импульса менее 2% на частоте 1 кГц. Аналогичные результаты могут быть получены от некоторых других схем, описанных здесь, при условии, что используется достаточно быстрый компаратор.

Идеальный детектор пересечения нуля имеет бесконечное усиление и изменяет свое выходное состояние в тот самый момент, когда входной сигнал проходит через ноль. Изменение состояния выхода должно быть мгновенным.

Само собой разумеется, что «идеал» не существует, и существует множество факторов, влияющих на конечный результат. Все устройства имеют конечное усиление (обычно около 100 дБ или более), что ограничивает предельную чувствительность к изменению напряжения на входе. Входные транзисторы схемы на основе компаратора никогда не будут идеально согласованы с , поэтому нулевая точка может быть смещена на несколько (или много) милливольт.На все активные схемы действуют ограничения скорости, а ничего, – мгновенное. Выходное напряжение не может измениться от (скажем) нуля до 5 В без некоторого ограничения конечной скорости (известного как скорость нарастания). Также необходимо учитывать время реакции схемы (задержку распространения), поскольку оно определяет, насколько быстро сигнал поступает от входа к выходу. В процессе проектирования необходимо учитывать ограничения реальных схем. Хотя реальность может разочаровывать, нам приходится с этим жить.

На рисунке 1 показан детектор пересечения нуля, который используется для генератора диммерной рампы в проекте 62. Эта схема существует (почти) всегда и работает достаточно хорошо. Хотя у него почти нулевая погрешность фазы, это во многом объясняется тем, что импульс настолько широк, что любая погрешность полностью игнорируется. Функцией компаратора выполняет транзистор Q1 – очень простой, но подходящий для работы.

Схема также чувствительна к уровню, и для приемлемых характеристик форма волны переменного тока должна иметь достаточно высокую амплитуду.12-15 В переменного тока является типичным. Если напряжение слишком низкое, ширина импульса увеличится. Показанная компоновка на самом деле дает лучшую производительность, чем версия, показанная в Project 62 и других местах в сети. Если вам интересно, R1 нужен для того, чтобы напряжение упало до нуля – паразитной емкости достаточно, чтобы схема не работала без него.

Рисунок 1 – Базовый детектор пересечения нуля 50/60 Гц

Ширина импульса этой схемы (при 50 Гц) обычно составляет около 600 мкс (0.6 мс), что звучит достаточно быстро. Проблема в том, что при 50 Гц каждый полупериод занимает всего 10 мс (8,33 мс при 60 Гц), поэтому ширина импульса составляет более 5% от общего периода. Вот почему большинство диммеров могут претендовать только на диапазон 10% -90% – импульс пересечения нуля длится слишком долго, чтобы обеспечить больший диапазон.

Хотя это не проблема для среднего диммера, это неприемлемо для точных приложений. Для генератора тональной посылки (косинусной посылки или «обычного» генератора тональной посылки) любая неточность приведет к тому, что коммутируемый сигнал будет содержать глитчи.Серьезность этого зависит от приложения.

Прецизионные детекторы перехода через ноль бывают самых разных топологий, некоторые из которых интересны, а другие нет. Один из наиболее распространенных показан в Project 58 и обычно используется для этого приложения. Логический элемент исключающее ИЛИ (или исключающее ИЛИ) является отличным детектором фронтов, как показано на рисунке 2. Время нарастания входного сигнала имеет решающее значение – если он слишком медленный, выход не будет. Общее время нарастания должно быть меньше задержки, определяемой R1 и C1 (номинально 56 нс в показанной схеме).

Рисунок 2 – Детектор фронта входного сигнала эксклюзивного ИЛИ

Нет никаких сомнений в том, что показанная выше схема более чем способна давать отличные результаты вплоть до вполне приличных частот. Верхняя частота ограничена только скоростью используемого устройства, а 74HC86 имеет задержку распространения всего 11 нс ^[1] и время перехода 7 нс, поэтому возможна работа на частоте 100 кГц или выше. Можно использовать CMOS 4070, но он имеет гораздо большую задержку распространения (110 нс при питании 5 В) и время перехода (100 нс при питании 5 В).Сроки являются «типичными», как показано в таблицах данных.

Элемент XOR – это особый случай в логике. Он будет выводить «1» только тогда, когда входы разные (то есть один вход должен иметь высокий логический уровень (1), а другой – низкий логический уровень (0 В). Резистор и конденсатор образуют задержку, так что при наличии фронта ( либо возрастающий, либо спадающий), задержанный вход сохраняет свое предыдущее значение в течение короткого времени. В показанном примере ширина импульса составляет 50 нс. Сигнал задерживается на время распространения самого устройства (около 11 нс), поэтому небольшая фаза была введена ошибка.Время нарастания и спада приложенного прямоугольного сигнала составляло 50 нс, и это добавляет некоторый дополнительный сдвиг фазы.

В зависимости от приложения вам потребуется изменить значения R1 и C1. Показанные значения обеспечивают очень узкий импульс (около 50 нс), но большинству схем не требуется быть такой быстрой. Длина импульса номинально равна произведению двух значений (56 нс, как показано), но эта ширина импульса слишком мала для того, чтобы некоторые осциллографы отображали правильно. Для звука (примерно до 10 кГц) вы можете использовать 10 кГц для R1 и 100 пФ для C1, что дает ширину импульса 1 мкс.

В этой статье проявляется закономерность – самое большое ограничение – это скорость, даже для относительно медленных сигналов. Цифровая логика может работать на очень высоких скоростях, и мы уже достигли точки, когда сигналы больше не могут называться «1» и «0» – цифровые сигналы возвращаются в аналоговую область, особенно в радиочастотную технологию. Дорожки на печатной плате становятся линиями передачи, и их часто необходимо заканчивать, чтобы предотвратить серьезное искажение цифровой формы волны.

Следующая проблема, с которой мы сталкиваемся, – это преобразование входной формы волны (мы предположим синусоиду или другую форму волны звуковой частоты) в четко определенные края, чтобы XOR мог творить чудеса.Еще один строительный блок, который очень недооценивается, – это компаратор. Хотя операционные усилители могут использоваться для работы на низкой скорости (и в зависимости от приложения), для точной оцифровки аналогового сигнала требуется экстремальная скорость. На первый взгляд может показаться, что это не так, но детектор пересечения нуля – это аналого-цифровой преобразователь (АЦП) специального назначения. В некоторых случаях вы можете использовать некомпенсированный операционный усилитель (например, LM301) в качестве компаратора, но большинство «настоящих» компараторов значительно быстрее. LM301 использовался в качестве детектора перехода через нуль в проекте 143.

Компаратор, используемый для высокоскоростного детектора перехода через ноль, преобразователя ШИМ или обычного АЦП, имеет решающее значение. Низкая задержка распространения и чрезвычайно быстрая работа не только желательны, но и необходимы.

Компараторы могут быть наиболее недооцененным и малоиспользуемым монолитным линейным компонентом. Это досадно, потому что компараторы – одни из самых гибких и доступны универсально применимые компоненты. В значительной степени отсутствие распознавания связано с операционным усилителем IC, универсальность которого позволяет ему доминировать над аналоговым. мир дизайна.Компараторы часто воспринимаются как устройства, грубо выражающие аналоговые сигналы в цифровой форме – 1-битный аналого-цифровой преобразователь. Строго говоря, эта точка зрения верна. Это также расточительно ограничивает свои взгляды. Компараторы не «просто сравнивают» так, как операционные усилители не «просто усиливают». ^[2]

Приведенная выше цитата из Linear Technology была настолько идеальной, что мне просто пришлось включить ее. Компараторы действительно недооценивают как строительный блок, и к ним предъявляются два основных требования… Низкое входное смещение и скорость. Для рассматриваемого приложения (детектор пересечения нуля) оба этих фактора будут определять окончательную точность схемы. Было продемонстрировано, что XOR дает точный и повторяемый импульс, но его точность зависит от точного времени, когда он «видит» переход формы волны переменного тока через ноль. Эта задача принадлежит компаратору.

Рисунок 3 – Компараторный детектор перехода через ноль

На рисунке 3 мы видим типичный компаратор, используемый для этого приложения.Выходной сигнал представляет собой прямоугольную волну, которая затем отправляется в схему, подобную той, что показана на рисунке 2. Это создаст одиночный импульс для каждого прямоугольного перехода, и это приравнивается к нулевым переходам входного сигнала. Для этого приложения предполагается, что форма входного сигнала привязана к нулю вольт, поэтому колебания одинаково выше и ниже нуля. Если входное напряжение выходит за пределы допустимого входного напряжения компаратора, его необходимо зафиксировать, чтобы не повредить входные транзисторы.

Обратите внимание, что большинство компараторов имеют выход с открытым коллектором, и выходной контакт должен быть подключен к положительному источнику питания с подходящим резистором.Это показано на рисунке 3, где R2 подключен к + Vcc. В большинстве случаев подтягивающий резистор (как он известен) может подключаться к более высокому или более низкому напряжению, чем питание компаратора, что позволяет ему действовать как переключатель уровня. В некоторых случаях выход может использоваться для активации реле при условии, что ток реле находится в пределах номинальных значений IC.

Рисунок 4 – Ошибка синхронизации компаратора

На рис. 4 показано, как компаратор может испортить наш сигнал, вызывая смещение перехода во времени и тем самым вызывая ошибку.Значимость ошибки полностью зависит от наших ожиданий – например, нет смысла пытаться получить ошибку менее 10 нс для диммера лампы 50/60 Гц.

Компаратор LM339, который использовался для моделирования, является базовым, сравнительно низкоскоростным типом, и с указанным временем отклика 300 нс он слишком медленный, чтобы его можно было использовать в этом приложении. Это значительно усугубляется задержкой распространения, которая (при моделировании) составляет 1,5 мкс. В общем, чем ниже рассеиваемая мощность компаратора, тем он будет медленнее, хотя современные технологии ИС в некоторой степени преодолевают это.Другой вариант – LM393, который очень похож.

Вы можете видеть, что пересечение нуля синусоиды (показано зеленым) происходит задолго до выхода (красный) перехода – положения курсора установлены для точного пересечения нуля каждого сигнала. Переход на выходе начинается, когда вход проходит через ноль, но из-за задержек устройства переход на выходе происходит почти на 5 мкс позже. Большая часть этой задержки вызвана довольно неторопливым темпом изменения выходного сигнала – в данном случае около 5 мкс для полного размаха 7 В от пика к пику.Это дает нам скорость нарастания 1,4 В / мкс, что бесполезно для всего, что выше 100 Гц или около того.

Одним из критических факторов компаратора является его напряжение питания. В идеале оно должно быть как можно более низким, обычно не более ± 5 В. Чем выше напряжение питания, тем дальше должно колебаться выходное напряжение, чтобы перейти от максимального отрицательного к максимальному положительному и наоборот. Хотя скорость нарастания 100 В / мкс может показаться высокой, она может быть слишком медленной для точного АЦП, широтно-импульсного модулятора или высокочастотного детектора перехода через нуль.

При 100 В / мкс и общем напряжении питания 10 В (± 5 В) потребуется 0,1 мкс (100 нс) для переключения выхода из одного крайнего положения в другое. Чтобы это стало реальностью, необходимо, чтобы скорость нарастания составляла 1 кВ / мкс, что дает время перехода 10 нс. Из рисунка 3 видно, что даже в этом случае имеется дополнительная ошибка синхронизации в 5 нс – небольшая и в действительности, вероятно, настолько хороша, насколько мы можем ожидать.

Проблема в том, что выход даже не начинает изменять , пока входное напряжение не пройдет через контрольную точку (обычно землю).Если есть какая-либо задержка, вызванная ограничением скорости нарастания («время перехода») и задержкой распространения, то к тому времени, когда выходное напряжение проходит через ноль вольт, это уже опаздывает на много наносекунд. Возможны чрезвычайно высокие скорости нарастания напряжения, и в Reference 2 подробно описан компаратор (LT1016), который работает быстрее, чем инвертор TTL! На таких скоростях необходима очень тщательная компоновка платы и внимание к обходу, иначе производительность будет хуже, чем плачевная.

В то время как детекторы перехода через нуль, предназначенные для управления фазой сети (120 В, 60 Гц / 230 В, 50 Гц), довольно просты, как только вы работаете с более высокими частотами (включая аудио), требование высокой скорости становится императивом.Естественно, любое значительное увеличение скорости также означает более дорогую деталь, и при разводке печатной платы требуется гораздо больше внимания, чем требуется для большего количества пешеходных компараторов.

Эта версия предоставлена ​​Джоном Роулендом ^[3] и представляет собой очень умное использование существующей ИС для совершенно новой цели. DS3486 – это четырехканальный дифференциальный линейный приемник RS-422 / RS-423. Хотя он работает только от одного источника питания 5 В, микросхема может принимать входной сигнал до ± 25 В без повреждений – , однако , это абсолютный максимум, а рекомендуемое входное напряжение составляет ± 7 В.Он также довольно быстрый, с типичным указанным временем распространения 19 нс и внутренним гистерезисом 140 мВ.

Рисунок 5 – Базовый детектор пересечения нуля с использованием DS3486

Общая схема показана на рисунке 5. В ИС используются два компаратора: один определяет, когда входное напряжение является положительным, а другой – отрицательным (относительно земли / земли). Логический элемент ИЛИ-НЕ может производить выходной сигнал только в течение короткого периода, когда оба выхода компаратора имеют низкий уровень (т. Е.близкий к потенциалу земли). Однако тесты показывают, что два дифференциальных канала приемника не переключаются точно при 0,00 В. В типичном устройстве DS3486 положительный детектор переключается примерно при 0,015 В, а отрицательный детектор переключается примерно при -0,010 В. Это приводит к асимметричной зоне нечувствительности 25 мВ около 0 В. Добавление резисторов, как показано на рисунке 6, позволяет уменьшить зону нечувствительности и (что, возможно, более важно для некоторых приложений) сделать ее симметричной.

Рисунок 6 – Модифицированный детектор пересечения нуля для получения истинного обнаружения 0 В

Хотя показаны постоянные резисторы, обычно необходимо использовать подстроечные резисторы.Это позволяет варьировать между отдельными компараторами – даже в одном корпусе. Это необходимо, поскольку DS3486 предназначен для переключения только с напряжениями не более ± 200 мВ. Типичное напряжение указано равным 70 мВ (ровно половина напряжения гистерезиса), но это , а не – гарантированный параметр.

Действительно, Джон Роуленд (первоначальный разработчик схемы) сказал мне, что в схеме действительно работают только устройства National Semiconductor – предположительно идентичные ИС других производителей отказывались работать.Цитирую …

Мы провели некоторое тестирование с «эквивалентными» деталями других производителей и обнаружили совсем другое поведение в области, близкой к нулю. Некоторые детали имеют большой гистерезис, у некоторых их нет, пороги обнаружения варьируются от устройства к устройству, и на самом деле даже в квадрокоптере, таком как DS3486, они различаются от канала к каналу в пределах тот же пакет. В конце концов мы остановились на National DS3486 с некоторыми добавленными резисторами на его входных контактах, как показано на рисунке 6. Самая последняя версия схемы. использует подстроечные резисторы, 100 Ом на положительном детекторе и 200 Ом на отрицательном детекторе.Эти значения позволяют нам обрезать почти каждый DS3486, чтобы сбалансировать порог шума. в диапазоне от +/- 5 мВ до +/- 15 мВ. Иногда мы получаем DS3486, который не обнаруживает в этом диапазоне. Иногда мы обнаруживаем, что как положительный, так и отрицательный детекторы отключаются на той же стороне (полярности) нуля, в таком случае мы вытаскиваем эту микросхему и заменяем ее.

Дополнительные резисторы позволяют регулировать пороги обнаружения, чтобы сбалансировать область обнаружения около 0 В. Резистор между контактом 1 и землей делает положительный порог детектора более положительным.Резистор от входа к выводу 7 заставляет отрицательный порог детектора становиться более отрицательным. Типичные значения показаны для обнаружения ± 25 мВ с использованием деталей DS3486 компании National. На самом деле подстроечные регуляторы необходимы для внутрисхемной регулировки.

Существует бесчисленное множество способов сделать детектор пересечения нуля в сети. Во многих случаях самая простая схема будет наиболее подходящей по разным причинам. Самая распространенная причина – стоимость: для схем с более высокими характеристиками требуется больше деталей, а это увеличивает не только стоимость деталей, но и площадь печатной платы, необходимую для их размещения.При питании чего-либо от сети последовательные резисторы должны быть физически больше, чем их номинальная мощность, из-за больших градиентов напряжения на них. Добавление дополнительных деталей просто означает, что схема занимает больше места, и это может быть неудобно.

Две схемы, показанные ниже, являются примерами простой (но со сравнительно высокой рассеиваемой мощностью = потраченная впустую мощность) и более сложной, но потребляющей гораздо меньший ток из сети. Конечно, возможно множество других дизайнов, но двух показанных должно быть достаточно, чтобы вы начали.Необходимо найти баланс между стоимостью, сложностью и производительностью. Например, для диммера не требуется дорогостоящая прецизионная схема, но простая и недорогая схема не будет иметь точности, необходимой для контрольно-измерительных приборов.

Детектор перехода через ноль может использоваться для обнаружения фазовых аномалий или даже как детектор «потери переменного тока». Если вход переменного тока прерывается, выходной импульс будет намного длиннее номинальной 1 мс, и это легко улавливается микроконтроллером или другой схемой.Можно использовать схему, показанную на Рисунке 7 или 8, с той разницей, что выходной сигнал, показанный на Рисунке 7, просто останется низким в случае отказа переменного тока. Если он остается низким более 2 мс или около того, это означает, что нет переменного тока.

Если ваше приложение использует обычный источник питания трансформатора с железным сердечником, вы можете использовать детектор пересечения нуля, как показано в разделе управления мощностью LX-800, части контроллера сценического освещения, который был опубликован еще в 2001 году. безопасный и эффективный вариант, его нельзя использовать, если ваша схема использует импульсный источник питания, потому что форма сигнала сети недоступна.

В схемах ниже есть линия, обозначенная как «Изолирующий барьер». Все слева от оптопары (, включая входные контакты светодиода ) находится под напряжением сети и ждет, чтобы убить вас, если вы не будете осторожны.Секция печатной платы под оптопарой не должна иметь медных дорожек, и есть преимущество, если даже сам материал печатной платы будет удален, чтобы создать воздушный зазор между «токоведущими» и «безопасными» участками. Проводка под напряжением должна быть изолирована минимум на 5 мм от любой проводки, доступной пользователю (соединения с потенциометрами, входными / выходными вилками или розетками и т. Д.).

Детекторы перехода через нуль сетевого напряжения широко распространены и необходимы для усовершенствованных диммеров с отсечкой фазы и многих других приложений для коммутации сети.Ниже показана простая версия, которая использовалась в проектах диммера задней кромки проекта 157A и диммера передней кромки проекта 157B. Рассеяние на резисторе приемлемо (около 400 мВт на каждом резисторе, общая потраченная мощность 800 мВт), но это не прецизионная или маломощная схема по любому определению. Показано, что два резистора ограничивают сетевой ток не из-за мощности, а из-за номинального напряжения. В идеале они должны быть типа 1 Вт, чтобы минимизировать температуру и обеспечить максимальное номинальное напряжение.Большинство резисторов имеют предел максимального напряжения, который намного ниже пикового значения 325 В от сети 230 В, а использование двух (или даже четырех) последовательно ограничивает напряжение на каждом резисторе до безопасного значения и продлевает срок службы резистора.

Рисунок 7 – Напряжение сети, изолированный детектор перехода через ноль

Ширина импульса зависит от оптопары и, в частности, от коэффициента передачи (который зависит от эффективности светодиода и коэффициента усиления транзистора). R1 и R2 должны быть уменьшены до 15 кОм для работы на 120 В.Это также можно сделать с помощью оптопары с двумя последовательно включенными светодиодами (например, SHF620A, h21AA1 или аналогичными), что устраняет необходимость в диодном мосте. Этот тип ZCD обеспечивает положительный импульс при переходе через нуль, который может быть преобразован в отрицательный, используя транзистор оптопары в качестве эмиттерного повторителя. (Нет никакой разницы в передаточном отношении только потому, что положение транзистора изменилось.)

Как показано, пиковый ток светодиода чуть меньше 5 мА, но схема будет работать с меньшим током.Минимальный рекомендуемый пиковый ток составляет около 2,4 мА, что делает R1 и R2 68 кОм. Это снижает общее рассеивание до чуть менее 300 мВт, но необходимо минимизировать нагрузку на фототранзистор (R3 не должно быть меньше 10 кОм при питании 5 В). Это требование может быть ослаблено (немного), если оптопара имеет высокий коэффициент передачи тока (не менее 200%). По мере старения светодиода он теряет выходной сигнал ^[4] , но поддержание низкого прямого тока сводит его к минимуму. Можно ожидать, что светодиод прослужит не менее 20 лет, если ток будет низким (~ 10% от номинального максимума – хорошая отправная точка).

«Коэффициент передачи» (или «CTR» – коэффициент передачи по току) оптопар требует пояснений. Если он описан как «100%» (не редкость для базовых типов), это означает, что 5 мА в светодиоде допускают максимальный ток транзистора 5 мА. Однако это , а не , линейная функция, и коэффициент передачи изменяется в зависимости от тока светодиода, часов использования, внешнего сопротивления коллектора (или эмиттера) транзистора и напряжения питания. Если не указано иное для истинной линейной работы, не думайте, что вы можете использовать оптопару для любой передачи сигнала , которая требует высокой линейности.Оптроны этого общего класса предназначены для работы в режиме «включено-выключено» или для импульсного регулирования источника питания, когда линейность не является обязательной.

Одним из недостатков схемы, показанной выше, является то, что светодиод в оптопаре получает ток в течение как минимум 90% времени. Переход через нуль обозначается отсутствием тока , когда напряжение на светодиоде падает до нуля. Поскольку срок службы светодиода определяется величиной тока, который он должен пропускать, и общим временем включения, это сокращает срок службы светодиода.Поддерживая относительно низкий ток, оптопара должна прослужить долгое время, но это не лучший способ управлять ею.

Следующая схема была обнаружена совершенно случайно, и поскольку она работает так хорошо, я попросил разрешения у разработчика опубликовать ее здесь. Детектор имеет очень низкое энергопотребление и особенно хорошо обнаруживает точку пересечения нулевого уровня в сети. Легко уменьшить импульс до менее 1 мс, а с некоторыми изменениями значений компонентов ширина импульса может быть уменьшена примерно до 500 мкс.Хотя такой уровень точности не требуется для большинства приложений, он недорог в реализации и работает очень хорошо. Обратите внимание, что он не будет работать в течение нескольких сотен миллисекунд после подачи питания, потому что C2 должен зарядиться, прежде чем ток светодиода станет полезным.

Светодиод получает ток только тогда, когда входное напряжение (близкое к нулю), поэтому он имеет гораздо более короткий рабочий цикл и, следовательно, должен прослужить дольше. Однако для схемы необходим электролитический конденсатор, который обычно имеет более короткий срок службы, чем светодиоды.Однако я не считаю это ограничением, потому что схема на изолированной стороне также будет использовать электроэнергию, а другие преимущества схемы перевешивают этот (очень) небольшой минус. Ширина импульса остается почти постоянной, несмотря на входное напряжение, с малейшим изменением, если сетевое напряжение падает с 230 В до 120 В. Пиковый ток светодиода , однако, влияет на значение , и он пропорционален входному напряжению сети.

Рисунок 8 – Повышенное напряжение сети, изолированный детектор перехода через ноль

Страница автора ^[5] содержит много дополнительной информации и рекомендуется к прочтению.R6 – это добавка, которая может использоваться для уменьшения ширины импульса перехода через нуль. При других значениях, как показано, добавление R6 уменьшает ширину импульса с 830 мкс до 440 мкс, но также снижает ток светодиода примерно до 2 мА. R3 тоже отличается от оригинала. При 22k (как показано на сайте автора) ширина импульса немного больше 1 мс, но увеличение значения обеспечивает более короткие импульсы (и соответствующее увеличение точности).

Из-за большого номинала входных резисторов и наличия C2 (10 мкФ) схеме требуется некоторое время, прежде чем она заработает нормально.Он будет полностью готов к работе примерно через 200 мс при питании от сети 230 В или 120 В, но ток светодиода уменьшается при более низком сетевом напряжении. Для использования при 120 В R1 и R2 могут быть уменьшены до 100 кОм, что повысит пиковый ток светодиода чуть более 4 мА. Все диоды – 1N4148 или аналогичные. Высоковольтные диоды не нужны, потому что напряжение на диодах ограничено входными резисторами и не может превышать максимум 6-7 вольт.

C1 не является обязательным, и его можно не указывать. Он обеспечивает некоторое снижение ВЧ-шума, но его отсутствие вряд ли вызовет какие-либо проблемы.Обратите внимание, что, как показано, детектор выдает отрицательный сигнал, когда напряжение в сети пересекает ноль. Как описано выше, это можно изменить, используя транзистор оптопары в качестве эмиттерного повторителя. В исходной схеме показана оптопара 4N35, но можно использовать многие из них. У меня есть трубка устройств EL817 (4-контактных), которые работают хорошо (LTV817 является эквивалентом), но есть бесчисленное множество легко доступных деталей на выбор.

Стоит отметить, что одна из схем ZCD, опубликованная на веб-сайте EDN Network (и упомянутая на сайте DEXTREL), неверна в нескольких местах и ​​не будет работать без исправлений.Есть также некоторые существенные изменения, которые могут быть внесены в схему EDN, которые упрощают схему и улучшают производительность. Читатель опубликовал комментарий, чтобы запросить одну ошибку, но никто никогда не удосужился ответить. Я не включил его, но на самом деле это неплохая схема, если внесены изменения. Тем не менее, в нем используется намного больше деталей, чем в схеме, показанной выше. Он будет изменен и показан здесь, если будет достаточно интереса. Лично я не думаю, что это стоит дополнительных сложностей.

1. Quad 2 входа EXCLUSIVE-OR gate 74HC / HCT86, Philips Semiconductors Data Sheet
   
2. Семинаносекундный компаратор для работы от одного источника питания, линейная технология, примечания по применению 72, май 98
   
3. Дифференциальные линейные приемники, работающие как аналоговый ноль -Детекторы пересечения – John Rowland
   
4. Измерение срока службы светодиодов в оптопарах – Конструкция машины
   
5. DIY – Изолированный высококачественный детектор пересечения нуля сетевого напряжения (DEXTREL)
   

Журнал изменений: страница создана, авторские права © Род Эллиотт 20 июня 2005 г. / 8 января 2011 г. – добавлен детектор DS3486.

Примеры схем обнаружения пересечения нуля, приложения и моделирование

Схема обнаружения пересечения нуля состоит из двух основных электронных компонентов. Один – это операционный усилитель, а второй – пассивные электронные компоненты, такие как резисторы, конденсаторы.Он обнаруживает опорную точку нулевого напряжения сигнала переменного тока или синусоидальную волну, которая является точкой пересечения нуля сигнала переменного тока. Операционный усилитель (ОУ) является основным активным компонентом этой схемы. Мы используем операционный усилитель в качестве компаратора для сравнения сигналов опорного напряжения нулевого напряжения с сигналом переменного тока.

Операционный усилитель как компаратор для схем перехода через нуль

Теперь мы начнем с внедрения операционного усилителя. Как использовать его в качестве компаратора? Потому что это основной компонент схемы детектора перехода через ноль.Мы не можем понять его работу, не имея полного управления операционным усилителем.

Введение в операционный усилитель

Операционный усилитель или короче ОУ – это рабочая лошадка всех схем аналоговой электроники. Это разновидность усилителя. Потому что любой усилитель – это электронная схема, которая усиливает входной сигнал до более высоких или более низких значений. Точно так же операционный усилитель также может выполнять усиление. Но мы также можем использовать его для других целей, например, в качестве компаратора, суммирования напряжений, дифференциатора, интегратора, фильтров и измерительных приборов.

Как это работало?

Он имеет два входных контакта, то есть инвертирующий вход, неинвертирующий вход и один выходной контакт. Контакты источника питания определяют диапазон рабочего напряжения, такой как Vss + и Vss-. Мы можем достичь высокого коэффициента усиления за счет резистивной сетевой схемы с обратной связью. Но в этом руководстве по ZCD мы рассмотрим его работу в качестве компаратора.

Операционный усилитель в качестве компаратора

Схема компаратора аналогична традиционному усилителю. Но он сравнивает инвертирующие и неинвертирующие входные сигналы и выдает цифровой выходной сигнал.Когда мы используем операционный усилитель в качестве компаратора, он обеспечивает вывод в цифровой форме. Выход будет либо цифровым высоким, либо цифровым низким. Выходной сигнал зависит от того, какой входной сигнал высокий.

Теперь рассмотрим пример. Как показано на этой диаграмме, если напряжение на неинвертирующем входном выводе больше, чем на инвертирующем входе, на выходе компаратора будет высокий цифровой уровень.

Аналогично, если величина напряжения на неинвертирующем входном выводе меньше, чем на инвертирующем выводе, на выходе будет цифровой низкий уровень, как показано на этой принципиальной схеме.

Примеры детектора пересечения нуля с использованием операционного усилителя

В предыдущем разделе мы понимаем работу операционного усилителя как компаратора. Мы применим эти концепции для разработки схем детекторов перехода через нуль с использованием операционных усилителей. Мы также называем их схемами преобразователя синусоидальной волны в квадратную.

Схема детектора пересечения нуля аналогична компаратору, но один из входных контактов соединяется с клеммой заземления. Мы обеспечиваем нулевое опорное напряжение на один из входных контактов.Потому что мы хотим найти нулевые пересечения синусоидальной волны. Каждый раз, когда синусоидальная волна совершает переход от нулевого опорного напряжения, мы получаем цифровой высокий выходной сигнал. Следовательно, ZCD обнаруживает точку нулевого напряжения сигнала переменного тока. В зависимости от того, какой входной контакт мы подключаем к нулевому опорному напряжению, мы классифицируем его на два типа.

Пример инвертирования ZCD

В ZCD инвертирующего типа, в цепи обнаружения пересечения нуля, мы подключаем опорное напряжение нулевого напряжения к неинвертирующему входному контакту, как показано на этой схеме.Эта схема представляет собой схему детектора перехода через ноль на операционном усилителе LM741. В этой конфигурации мы подаем напряжение сигнала на инвертирующий терминал и опорный сигнал нулевого напряжения на неинвертирующий вход. Транзистор 2N2222 NPN переводит уровень напряжения в цифровой сигнал.

Диаграмма результатов моделирования представляет выходной сигнал с вывода транзистора.

• Во время положительного полупериода синусоидальной волны Vin -> Vin + (то есть земля), поэтому выход будет равен -15 В, но транзистор останется выключенным, и мы получим цифровой высокий сигнал на коллекторе транзистора. Терминал.
• Аналогично, после перехода от положительного к отрицательному циклу нулевое опорное напряжение Vin + станет больше, чем сигнал отрицательного напряжения, выход компаратора станет +15 вольт. Но он включит транзистор. На выходе получим цифровой низкий сигнал.

ZCD неинвертирующего типа Пример

Работа этого типа точно такая же, за исключением соединений входных контактов с входными сигналами Vin + и Vin-. В неинвертирующем детекторе перехода через нуль входное напряжение прикладывается к неинвертирующему выводу, а инвертирующий вывод заземляется, чтобы сделать опорное напряжение равным нулю.Это принципиальная схема неинвертирующего ZCD:

• Опять выясняем, что условия для Vin- эталон равен нулю вольт
• , когда Vin + меньше нулевого опорного напряжения Vin-, мы имеем выходное напряжение, равное +15 вольт. Благодаря транзистору мы получаем цифровой сигнал низкого или нулевого напряжения на выходной клемме коллектора. Транзистор включается и замыкает вывод коллектора на массу.
• Во время положительного полупериода Vin + на выходе будет высокий цифровой уровень.Из-за того, что Vin + становится больше нуля опорного напряжения Vin-. У нас на выходе получается -15 вольт, а транзистор остается выключенным.

Детектор перехода через нуль с импульсным выходом

Как вы можете ясно изобразить из результатов моделирования выше, оба выходных сигнала переходят либо с цифрового высокого на низкий, либо с низкого на высокий, когда синусоидальная волна проходит нулевое опорное напряжение. Но после этого цифровой остается либо цифровым высоким, либо цифровым низким. Теперь, что, если вы хотите получить импульс только на короткое время, когда синусоида переходит от положительного цикла к отрицательному или отрицательного цикла к положительному циклу? Эта схема обеспечивает выходной импульс только при переходе цикла.

• Полномостовая схема преобразует отрицательный полупериод в положительный полупериод.
• Транзистор и резистивная цепь используются в качестве детектора положительного фронта. Он изменяет выход операционного усилителя на пульсирующий.

Схема выхода

Единственное различие между предыдущими примерами и этим примером – это схема обнаружения края. В качестве компаратора мы используем операционный усилитель LM358. Когда мы хотим использовать детектор пересечения нуля с любым микроконтроллером, квадратный выход нам не выгоден.Этот импульсный выход показывает изменение синусоидальной волны от положительного к отрицательному циклу и наоборот.

Обнаружение перехода через нуль с оптопарой

Эта схема обеспечивает импульсный выход на каждом опорном нулевом напряжении синусоидальной волны. Оптопара 4N25 остается включенной в течение обоих положительных циклов. Потому что полномостовая схема преобразует отрицательный цикл в положительный.

• Когда оптопара включена, выход будет нулевым, потому что выход будет опорным заземлением.
• При пересечении нуля синусоидальной волны оптопара отключается и на выходе появляется импульс величиной Vcc.

Где использовать обнаружение пересечения нуля?

Обычно мы используем эти схемы с микроконтроллером в проектах силовой электроники. В этом списке представлены некоторые практические примеры проектов.

Интегральные схемы или ИС также доступны на рынке со встроенными функциями перехода через нуль.

Приложения

Обнаружение пересечения нуля используется во многих приложениях:

• Выпрямители с регулируемым напряжением
• Резонансные источники питания
• Регулятор скорости асинхронного двигателя и устройства плавного пуска
• Контроллеры питания переменного тока

Вы можете использовать простой операционный усилитель для обнаружения перехода через нуль, если вы немного знакомы с операционными усилителями.

Как работает оптопара | ОРЕЛ

Необходимо защитить чувствительные низковольтные компоненты и изолировать цепи на вашей печатной плате? Оптопара может сделать эту работу. Да будет свет! Это устройство позволяет передавать электрический сигнал между двумя изолированными цепями, состоящими из двух частей: светодиода, излучающего инфракрасный свет, и светочувствительного устройства, которое обнаруживает свет от светодиода. Обе эти части содержатся в традиционном черном ящике с парой контактов для подключения.С первого взгляда легко перепутать оптопару с интегральной схемой (ИС).

Эта симисторная оптопара выглядит как ИС. (Источник изображения)

Как это работает

А, который заставляет инфракрасный светодиод излучать свет, пропорциональный току. Когда свет попадает на светочувствительное устройство, он включается и начинает проводить ток, как любой обычный транзистор.

Как работает оптрон.(Источник изображения)

Светочувствительное устройство по умолчанию обычно не подсоединяется, чтобы обеспечить максимальную чувствительность к инфракрасному свету. Его также можно подключить к земле с помощью внешнего резистора для большей степени контроля чувствительности переключения.

Оптопара эффективно изолирует выходную и входную цепи. (Источник изображения)

Это устройство в основном работает как переключатель, соединяющий две изолированные цепи на вашей печатной плате. Когда ток перестает течь через светодиод, светочувствительное устройство также перестает проводить и отключается.Все это переключение происходит через пустоту из стекла, пластика или воздуха без каких-либо электрических частей между светодиодом или светочувствительным устройством. Все дело в свете.

Преимущества и типы

Если вы разрабатываете электронное устройство, которое будет восприимчиво к скачкам напряжения, ударам молнии, скачкам напряжения питания и т. Д., Тогда вам понадобится способ защиты низковольтных устройств. При правильном использовании оптопара может эффективно:

• Устранение электрических помех из сигналов
• Изолируйте низковольтные устройства от высоковольтных цепей
• Позволяет использовать небольшие цифровые сигналы для управления более высокими напряжениями переменного тока

Оптопары бывают четырех конфигураций.Каждая конфигурация использует один и тот же инфракрасный светодиод с другим светочувствительным устройством. К ним относятся:

Photo-Transistor и Photo-Darlington , которые обычно используются в цепях постоянного тока, и Photo-SCR и Photo-TRIAC , которые используются для управления цепями переменного тока.

Четыре типа оптопар. (Источник изображения)

Если вы любите приключения, вы даже можете сделать самодельную оптопару с некоторыми запасными частями.Просто совместите светодиод и фототранзистор внутри светоотражающей пластиковой трубки.

Самодельная оптопара, состоящая всего из трех простых частей. (Источник изображения)

Типичные области применения

могут использоваться либо сами по себе в качестве переключающего устройства, либо использоваться с другими электронными устройствами для обеспечения изоляции между цепями низкого и высокого напряжения. Обычно эти устройства используются для:

• Переключение входов / выходов микропроцессора
• Регулятор мощности постоянного и переменного тока
• Защита коммуникационного оборудования
• Регламент электропитания

В этих приложениях вы встретите различные конфигурации.Некоторые примеры включают:

Оптранзисторный переключатель постоянного тока

Эта конфигурация обнаруживает сигналы постоянного тока, а также позволяет управлять оборудованием с питанием от переменного тока. MOC3020 идеально подходит для управления подключением к сети или подачи импульса затвора на другой фото-симистор с токоограничивающим резистором.

(Источник изображения)

Симисторный оптрон

Эта конфигурация позволит вам управлять нагрузками с питанием от переменного тока, такими как двигатели и лампы. Он также способен проводить обе половины цикла переменного тока с обнаружением перехода через ноль.Это позволяет нагрузке получать полную мощность без значительных скачков тока при переключении индуктивных нагрузок.

(Источник изображения)

Рекомендации по компоновке печатной платы

Перед добавлением оптопары в компоновку печатной платы примите во внимание следующие три правила:

• Держите заземляющие соединения оптопары отдельно

Стандартная оптопара включает в себя два контакта заземления, один для светодиода, а другой – для светочувствительного устройства. Соединение обоих этих заземлений вместе откроет вашу чувствительную схему для любого шума от внешнего заземления.Чтобы избежать этого, всегда создавайте две точки подключения: одну для контактов внешнего заземления, а другую – для входных заземляющих проводов.

• Выберите правильное значение резистора ограничения тока

Выбор резистора ограничения тока, который работает при минимальном значении оптопары, приведет к нестабильному поведению. Также можно выбрать резистор, обеспечивающий слишком большой ток, при котором светодиод лопнет. При выборе значения для резистора обязательно найдите значение минимального прямого тока из таблицы коэффициента передачи тока в таблице данных оптопары.У Vishay есть отличное руководство по чтению таблицы данных оптопары здесь.

• Знайте, какой тип оптопары вам нужен

Не все оптопары созданы равными, и вам нужно будет выбрать правильный тип для вашего приложения. Например, опто-симистор используется, если вам нужно управлять нагрузкой переменного тока. Opto-Darlington предназначены только для малых входных токов. Если все, что вам нужно, это стандартная изоляция входа, то обычная оптопара PC817 справится с этой задачей. Эту статью от Nuts and Volts определенно стоит прочитать, чтобы понять типы и различия оптопар.

Библиотеки оптопар в EAGLE

Управляемые онлайн-библиотеки Autodesk EAGLE включают целую категорию оптопар для использования в вашем следующем проекте. Это лучше, чем создавать свои собственные пакеты и символы с нуля! Чтобы использовать эту библиотеку, убедитесь, что optocoupler.lbr активирован на панели управления Autodesk EAGLE, как показано ниже. Если это так, то в следующий раз, когда вам понадобится добавить компонент, у вас будет доступ ко всем этим устройствам.

Готовы начать изоляцию цепей и защиту низковольтных устройств? Загрузите Autodesk EAGLE бесплатно сегодня, чтобы начать использовать прилагаемые библиотеки оптопары!

Что такое детектор пересечения нуля, Детектор пересечения нуля с использованием операционного усилителя работает

Детектор пересечения нуля определяет, сколько раз входной сигнал пересекал нулевое значение или нулевой уровень напряжения .Детектор пересечения нуля – это, по сути, схема компаратора, которая сравнивает входной синусоидальный сигнал или сигнал синусоидальной волны с нулевым уровнем напряжения. Другими словами, мы можем сказать, что он обнаруживает изменение напряжения с положительного уровня на отрицательный уровень и с отрицательного уровня на положительный уровень. Выходной сигнал детектора перехода через нуль изменяется, когда входное напряжение пересекает нулевой уровень до высокого или высокого до нуля.

Детектор пересечения нуля сравнивает входной сигнал с нулевым опорным напряжением (V _ref ).Он изменяет выходной сигнал либо + V _sat , либо –V _sat , переключаясь с LOW на HIGH или наоборот. Когда вход пересекает нулевое опорное напряжение. когда сигнал входного напряжения даже немного выше или ниже 0 В, выход быстро изменится. Детектор перехода через нуль может быть изготовлен с использованием операционного усилителя общего назначения, оптрона или транзисторов.

Схема детектора пересечения нуля с ОУ LM741

Неинвертирующий детектор нулевого пересечения

Если на инвертирующей входной клемме установлено нулевое опорное напряжение, это означает, что инвертирующая клемма заземлена, а входной сигнал подается на НЕинвертирующую клемму.+ Vcc подключены к контакту 7, а -VEE – к контакту 4, 6 – это выходной контакт и нагрузочный резистор RL, подключенный к выходу на землю, даже небольшое количество входного напряжения выше нуля (опорное напряжение), затем выход будет ВЫСОКАЯ. Когда входной сигнал увеличивается от нуля до положительного, выходное напряжение переходит в положительное насыщение.

Детектор пересечения нуля также называется преобразователем синусоидального сигнала в прямоугольный

Этот вывод называется + V _{s при продолжительности} .

Инвертирующий детектор нулевого пересечения

Если входное напряжение подается на инвертирующий терминал, а опорное напряжение подается на НЕинвертирующий терминал или неинвертирующий терминал заземлен, когда даже небольшое количество входного напряжения выше нуля вольт, выход переключится на НИЗКИЙ. Когда входной сигнал увеличивается от нуля до положительного, выходное напряжение переходит в отрицательное насыщение.

И этот НИЗКИЙ выход называется –V _{насыщение} .

В схеме детектора перехода через нуль с использованием оптопары мы использовали 1 двухполупериодный выпрямитель и положительный источник постоянного тока мостового выпрямителя, подключенного к катодному выводу входа оптопары.Выход соединен с коллекторным штырем оптопары. Здесь используется двухполупериодный мостовой выпрямитель без фильтрующего конденсатора. Вывод эмиттера оптопары соединен с землей постоянного тока. VCC соединен с коллекторным штифтом. Резистор, подключенный к коллектору, также называется подтягивающим резистором.

• ZCD как фазометр
• ZCD как генератор временных маркеров
• Контроллеры питания переменного тока
• Регулятор скорости асинхронного двигателя и устройства плавного пуска
• Управление углом включения тиристора с помощью Arduino и т.