Универсальный внешний накопитель для всех iOS-устройств, совместим с PC/Mac, Android
Header Banner
8 800 100 5771 | +7 495 540 4266
c 9:00 до 24:00 пн-пт | c 10:00 до 18:00 сб
0 Comments

Содержание

Детектор “нуля” на микроконтроллере”

Детектор “нуля” на микроконтроллере”

Детектор “нуля” на микроконтроллере

     При использовании симисторных или тиристорных сетевых коммутаторов создаваемые ими помехи зависят от амплитуды напряжения в момент переключения. Чтобы свести помехи к минимуму, включение необходимо производить при максимально низком напряжении. Идеальным будет включение, когда амплитуда сетевого напряжения близка к нулю. Для этого необходим эффективный и простой способ обнаружения пересечения нуля синусоидальным сетевым напряжением. Это может использоваться и для других целей, например, измерения фазы, синхронизации работы ряда устройств от сетевого напряжения и т.п.
     В соответствии с рекомендациями из [1], на рис. 1 показана функциональная схема детектора пересечения нуля на микроконтроллере (МК) AVR. Следует отметить, что в схеме нет гальванической развязки от сети переменного тока, что обязательно нужно учитывать при встраивании ее в разрабатываемые устройства.
Здесь используются внутренние аппаратные средства защиты МК (на диодах) от напряжения выше VCC и ниже GND. Любое напряжение превышающее VCC + 0,5 В, будет ограничено на уровне VCC + 0,5 В (0,5 В – падение напряжения на диоде). Аналогично напряжение ниже GND – 0,5 В будет ограничено на уровне GND – 0,5 В. С помощью резисторов R1 и R2 напряжение сети снижается до амплитуды, соответствующей уровням входных сигналов AVR (рис. 2). Следует учитывать, что  последовательный резистор и “внутренняя начинка”, подключенная к выводу МК, создают эквивалент RC-фильтра, что ведет к сдвигу фазы между входным и продетектированным сигналом, впрочем, незначительному для данного примера, а сам резистор может быть источником помех. МК программируется на поиск переходов двухпорогового сигнала и тем самым программно (через прерывание) определяет пересечение нуля.
     Не рекомендуется, чтобы через диоды протекал ток более 1 мА, т.е. входное напряжение превышало 1000 В.
Любое напряжение в сети, превышающее 250 В, вероятнее всего будет пиками или выбросами. Диоды способны выдержать кратковременные пики, но не длительные выбросы. Большинство резисторов имеют максимально допустимое напряжение, поэтому необходимо подобрать соответствующие типы, способные работать при таком напряжении. Например, резисторы МЛТ-0,125 имеют предельное напряжение 200 В, МЛТ-0,5 – 350 В, а МЛТ-2 – 750 В. Резисторы С2-1-0,5 способны работать при 500 В, С2-1-2 – при 1000 В. Для систем с более низким напряжением сопротивление резисторов можно уменьшить.
     Спад прямоугольного сигнала на входе МК (переход от высокого уровня к низкому) происходит прямо перед фактическим  пересечением синусоидой нуля (рис.2). Фронт (нарастание) сигнала происходит немного после перехода нуля. Для исключения влияния помех рекомендуется после обнаружения “нулевого пересечения”  проверять его программно 5 раз подряд и проводить сравнение, чтобы убедиться в стабильности результата. Если значения не совпадают, то сравнения необходимо продолжать до получения стабильной величины.
Это исключает возможные ложные срабатывания, обусловленные помехами вблизи нулевого уровня. Программа МК должна детектировать пересечение нуля независимо от направления его перехода.
     Семейство микроконтроллеров AVR обладает полной гаммой программных эмуляторов, но не все эмуляторы оснащены внутренними ограничивающими диодами. Единственные эмуляторы, снабженные ими, – ICE200 и ICE40/50. Эмуляторы ICE10 и ICE30 не содержат ограничивающих диодов. Добавив внешние ограничивающие диоды, можно подавать сетевое напряжение, но, конечно, при пробое резисторов или случайном замыкании высокое напряжение может нанести серьезный ущерб оборудованию.
     Для гальванической развязки сети рекомендуется использовать изолирующие трансформаторы. Для более высоких частот необходимо использовать осциллограф для контроля действительного пересечения нуля и введения программной корректировки с целью получения необходимой точности ответа МК. Таким способом, не создавая помех, можно включать реле и пускатели, определив предварительно задержку их включения.

     В статье [2] я предложил устройство, предназначенное для изменения частоты вращения двигателя. В этом устройстве используется схема детектирования нуля, показанная на рис.3, хотя МК содержит встроенный компаратор. Выпрямитель на диодах VD1…VD4 является одновременно источником питания для электронного ключа на тиристоре (для упрощения  другие элементы управления двигателем на этой схеме не показаны). Ток через светодиод HL1 ограничен резистором R2. Светодиод выполняет функцию стабилитрона с напряжением выше порога переключения МК и одновременно шунтирует резистор R1. Кроме этого, светодиод служит индикатором работы. Если напряжение сети становится ниже порога открывания светодиода, то через делитель R1-R2 на входе Р1.2 МК устанавливается сигнал лог. “0”, что программным способом фиксируется как состояние, близкое к пересечению нуля. Сопротивление резистора R1 не должно быть больше 4 кОм (для МК АТ89С2051), чтобы обеспечить необходимый уровень “0”. Программа детектирования нуля в таком случае более проста и не содержит пятикратной проверки состояния входа.
    Рис. 1        Рис. 2

    Рис. 3


     Источники информации
     1. AVR182: Zero Cross Detector//Atmel. 8-bit AVR RISC Microcontroller. Application Note. Rev. 2508B-AVR-01/04//http://sub.chipdoc.ru/pdf/Atmel/app/avr/AVR182.pdf?fid=2
     2. Мельник В.А. 3-х фазный двигатель в однофазной сети. – Радиомир,  2004,  №10, С.19.meet beautiful russian brides

О простых коммутаторах на симисторах и оптронах – Источники питания (прочие полезные конструкции) – Источники питания

О простых коммутаторах на симисторах и оптронах
A.T.Зызюк г. Луцк РА2’2010
Простые схемы коммутации на тиристорах или симисторах очень популярны. Эти конструкции всегда найдут свое место в бытовой технике. Не меньший интерес представляют собой и более новые конструкции коммутаторов, где применены схемы на современных оптронах. Гальваническая развязка и коммутация сетевого напряжения при его переходе через «ноль» весьма привлекает многих радиолюбителей.
Ряду технических вопросов, касающихся применения таких коммутаторов, посвящена данная статья.
Все чаще стали появляться различные конструкции, где вместо контактов электромеханических реле использованы симисторы. В таких ситуациях стали применять симисторный коммутатор как один из самых простых в реализации и требующих минимальное количество устанавливаемых комплектующих.
Затем, в отношении популярности использования, за ними следуют тиристорные коммутаторы, где два тиристора включены встречно-паралельно, что и позволяет осуществлять коммутацию (режим включения-выключения) нагрузки в цепи переменного тока.
Необходимо отметить, что у подобных схем, собранных как на симисторах, так и на тринисторах могут присутствовать свои, достаточно специфические и ощутимо серьезные недостатки, чтобы о них можно было позабыть. В ряде случаев эти недостатки могут ограничивать применение симисторов и тиристоров в качестве коммутаторов переменного напряжения. В некоторых ситуациях, как будет показано ниже, от использования этих замечательных полупроводниковых приборов доводилось и вовсе отказываться.

Мощные симисторы стали весьма популярны благодаря схемной простоте включения и управления процессами коммутации. Время, когда наиболее широко доступными в приобретении были лишь некоторые отечественные симисторы и тиристоры (такие, как, например, КУ202 или КУ208), кануло в лету. И теперь на наших рынках без осложнений возможно приобретение 25…40-амперных (и даже более мощных зарубежных) симисторов и тринисторов самых различных типов. Отрадно и то, что нередко за одни и те же деньги можно купить симистор на ток в два раза больше. На первый взгляд, все выглядит прекрасно и перспективно.
За последние годы мощные зарубежные симисторы стали очень интенсивно популяризовываться, особенно с появлением на наших рынках
специальных микросхем (детекторов «нуля»), с оптронной гальванической развязкой между цепями управления (входными цепями) и силовыми (в цепи управляющего электрода тринистора). Речь идет о зарубежных оптронах серии МОСхххх, например, таких, как МОС3061 (рассчитанных на напряжение до 600 В) или МОС3041 (до 400 В).
Они позволяют реализовывать включение и выключение симистора при переходе сетевого напряжения через «нуль» (вблизи этого значения). Данное обстоятельство позволяет минимизировать уровень помех при коммутации, а в ряде случаев, при необходимости, осуществлять синхронное переключение нескольких симисторов в одной конструкции, например, при коммутации выводов автотрансформатора мощного сетевого стабилизатора напряжения.
Таким управлением мощными симисторами удается избежать наиболее трудноразрешимой задачи: исключить возможности работы одновременно включенных симисторов, когда один из симисторов еще не успел выключиться, а второй симистор уже включился. Данная ситуация, скажем так, традиционна по той одной причине, что время, требуемое для включения симистора, примерно в десять раз меньше того промежутка времени, в течение которого симистор выключается. Опасность такой ситуации заключается в замыкании части обмотки трансформатора из-за двух одновременно включенных симисторов, что приводит к дефекту последних и не исключает проблем выхода из строя даже самого трансформатора.
Казалось бы, появление оригинальных оптронов с контроллерами нулевого значения сетевого напряжения смогут решить все проблемы, препятствующие широкому внедрению схем на симисторах. К примеру, в конструкциях таких нужных устройств, как сетевые мощные стабилизаторы напряжения. Они особенно необходимы на периферии, где напряжение электросети крайне нестабильное. Вот здесь мы и подошли к апогею проблемного момента с симисторными коммутаторами, которые должны допускать работу на индуктивную нагрузку.
При всем изобилии новых схем с применением в качестве коммутируемых элементов мощных симисторов, практически нигде даже не упоминается о том, какие последствия могут ожидать нас при коммутации, например, сетевой обмотки тороидального трансформатора с помощью мощного симистора. А ведь именно мощные тороидальные трансформаторы как раз интенсивно применяются в конструкциях сетевых стабилизаторов. Проблема как бы автоматически переносится и на многие другие сетевые трансформаторы. Чем мощнее сетевой трансформатор и чем меньше его ток «холостого хода» (1хх), тем ярче выражена и данная проблема.

Так что именно с тороидальным трансформатором ситуация проявляется особенно наглядно. Тороидальные магнитопроводы позволяют обеспечить наилучшее использование материала за счет наибольшей магнитной проницаемости при отсутствии подмагничивающего поля. При наличии этого поля происходит существенное снижение магнитной проницаемости. Отсюда и проблемы.
Сразу следует оговориться, что речь сейчас не идет о регуляторах мощности на симисторных схемах. В данном случае разбираемся исключительно в вопросе коммутации (т.е. анализируем ситуацию исключительно только в двух режимах работы: электросеть – вкл. / выкл).
Для быстрого подтверждения того, что вышеуказанная проблема не только существует, но она достаточно серьезная, чтобы на нее можно было закрыть глаза, все сказанное подтверждается конкретными практическими примерами.
Для демонстрации сказанного потребуется собрать простую цепь управления каким-либо популярным мощным симистором. Тип зарубежного симистора принципиального значения не имеет, поскольку, к сожалению, ситуации не изменит. Выбираем, например, распространенный, относительно недорогой в приобретении симистор ВТА140- 800 (25 А, 800 В) и оптрон (с контроллером) серии МОС3061. А еще лучше эксперимент приблизить к тем схемам с сетевыми стабилизаторами, в которых используются симисторы ВТА41-600 (40 А, 600 В). Такой симистор устанавливали на небольшом радиаторе (рис.1).


Мини-конструкцию собирали по типовой стандартной схеме (рис.2).

Ошибок в схеме нет. Как и в оригинале [1], нагрузка (обмотка трансформатора) включена в цепь катода симистора. Питание на оптрон должно быть стабилизировано, и ток необходимо ограничивать. Небольшое отступление. Эти симисторы очень надежны. Это доказывает и следующая внештатная ситуация.
По невнимательности автор в схеме рис.2 случайно перепутал выводы катода и управляющего электрода. И симистор еще долго работал в режиме вкл. / выкл. Правда, нагрузкой все это время была лампа накаливания на 200 Вт. Подозрение вызывал усиленный нагрев симистора. Так, на радиаторе появились надписи с верной цоколевкой симистора. Когда же подключили трансформатор, то произошел пробой симистора. Активное сопротивление первичной обмотки данного тора не превышало 2 Ом! Тороидальный трансформатор явно мощнее 700 Вт, но его заводское исполнение, по вторичной обмотке, не позволяет с него снимать больше.
Поскольку нагрузку повсеместно включают в цепь анода, то автор сетевого стабилизатора [1] в отзыве [2] и сам впоследствии рекомендует включать нагрузку симисторов в цепи анодов, а не катодов, как первоначально рекомендовалось им же в конструкции [1]. Отзыв так и называется: «Повышение надежности работы стабилизатора». Вся суть заключена в том, чтобы правильно включить симисторы: анодами к нагрузке. То есть так, как показано на рис.3.

К сожалению, включение первичной обмотки в цепь анода симистора ровным счетом ничего не меняет в отношении уменьшения тока Ixx.
Номиналы ограничительных резисторов выбраны исходя из допустимых максимальных токов на оптроны. Ток должен быть ограничен величиной 1 А. В стандартной (общепринятой) схеме используется два ограничительных резистора в цепи оптрона. Кроме того, все максимально приближенно к статье в [1] или [2]. В отзыве [2] дана доработка] схемы коммутации [1]. Но наша схема рис.2 отличается от этих схем тем, что в ней присутствует ограничительный резистор R4, отсутствующий в схемах [1] или [2]. Аналогичный вариант [1] коммутации обмоток мощного тороидального автотрансформатора сетевого стабилизатора используется и в более новой конструкции [3]. К сожалению, и в статье [3] тоже ничего не упоминается о вполне реальных проблемах, возникающих при коммутации обмоток мощного трансформатора через симисторы. Для убеждения в вышесказанном, предлагается читателям самостоятельно испытать такой коммутатор совместно с каким-либо мощным сетевым трансформатором. Особенно демонстративными будут мощные трансформаторы, имеющие небольшую величину тока «холостого хода» (1хх). Самостоятельные эксперименты других радиолюбителей исключают вероятность ошибок автора в его экспериментах.
Не обязательно впадать в крайности, прибегая сразу к испытанию таких мощных нагрузок, как сварочные трансформаторы. В распоряжении автора находился достаточно экономичный, в плане тока «холостого хода», но мощный (700 Вт) тороидальный сетевой трансформатор. И на время экспериментов через схему симисторного коммутатора этот тор подключался к сети 220 В. Для большей объективности результатов эксперимента все опыты и измерения проводились только при стабильном сетевом напряжении. Все начинали с измерения тока «холостого хода» тороидального трансформатора, подключенного непосредственно к 220 В, без использования симисторного коммутатора.
В данном случае этот ток не превышал значения 30 мА. Отсюда и выводы об экономичности тора. Затем осуществляли замеры этого тока, но с тором, подключенным уже через коммутатор. Забегая наперед, скажем прямо, что полученные результаты весьма неприятно (и весьма неожиданно) озадачили. Ведь на данную схему (рис.2) возлагали большие надежды в перспективе. В итоге, hex тора увеличился почти в десять (!) раз.
До подключения (без симистора) трансформатор работал очень тихо, фактически бесшумно. После схемы симистора (через симистор) в магнитопроводе тора отчетливо стал проявляться тихий характерный низкочастотный звук специфического гудения. Такой звук сопровождает торы при наличии постоянной составляющей в питающей электросети. Природа проблемы следующая. Из-за значительной асимметрии симисторной структуры для протекающего через нее (обеих полуволн) переменного тока, первоначальная форма этого тока существенно искажается.
Она становится несколько асимметричной, если проводить сравнение отрицательной и положительной полуволн синусоиды электросети.
В итоге ток «холостого хода» резко (скачкообразно) увеличивается. Естественно, это явление пытались устранить. Исключение (замыканием проволочной перемычкой) ограничительного резистора R4 из схемы рис.1 мало что дает. Ток Ixx уменьшается, но несущественно. Таким образом, закоротив накоротко резистор R4, схему коммутатора полностью приблизили к схеме [1]. Ток Ixx, естественно, уменьшился. Однако ожидаемого положительного результата не получилось. Поскольку 10… 15% уменьшение тока Ixx, очевидно, ничего не решает. Ток Ixx необходимо было уменьшать на порядок, то есть приблизить его к току Ixx. К сожалению, достигнуть этого в этой схеме не удалось. Тогда решено было временно уйти от зарубежных симисторов и попробовать на «симметричность» другие варианты.
Кое-что следует сказать и о некоторых элементах в данных схемах. Питание оптрона стабилизировано по причине критичности оптрона МОС3061 к перегрузкам по току. Эти оптроны не выдерживают больших токовых перегрузок и выходят из строя. Поскольку в данной схеме необходим рабочий ток оптрона более 10 мА, то ток через све-тодиод АЛ307 ограничен, чтобы ток через АЛ307 не превысил максимум последнего (10 мА). Напряжение питания оптрона выбрано из условий необходимой суммы рабочих напряжений на оптроне и светодиоде. Светодиод оптрона, подчеркиваем, имеет крутую ВАХ, поэтому с ним нужно обходиться осторожно. На практике оптимальный рабочий ток светодиода оптрона определяли следующим образом. В собранной схеме рис.3 (или рис.2) вместо нагрузки (трансформатора) Т1 включали мощную лампу 1 кВт или нагревательный элемент ТЭН. Максимальная нагрузка зависит от выбранного симистора и радиатора, на котором установлен симистор. Можно, правда, включить и маломощную лампу параллельно первичной обмотке Т1.
Но именно на мощной нагрузке вы увидите все зависимости. Насколько четко и при каком токе включается оптрон. Как от него зависит падение напряжения (нагрев) на симисторе. Плавно увеличивая напряжение блока питания (от «нуля» и до 6 В), добиваются четкого включения лампы. Затем замеряют напряжение на симисторе. Его минимизации и достигают подбором тока через светодиод оптрона, т.е. регулировкой напряжения блока питания 6 В. При включенной лампе контролируют напряжение между анодом и катодом симистора. Его минимизации, но лишь при необходимости, достигают увеличением напряжения 6 В. Но не забываем о максимальном токе через светодиод оптрона. Как правило, при 12… 15 мА через него достигалось минимальное напряжение на симисторе. И дальнейшее увеличение тока через оптрон уже совсемничего не давало в плане минимизации напряжения анод-катод симистора ВТА41 -600.
Попытки собрать удачные конструкции на тиристорах, например, тех же отечественных КУ202 (К-Н) также сопряжены с рассмотренными ситуациями.
Тем не менее, в различной литературе часто встречаются подобные системы коммутации сетевых трансформаторов без каких-либо оговорок, предупреждений или полезных советов вполне конкретного характера.
А ведь большой разброс (от экземпляра к экземпляру) параметров тиристоров типа КУ202 и является первой причиной, препятствующей успешному применению встречно-параллельного включения КУ202 в системах коммутации обмоток трансформаторов в высококачественных блоках питания (БП), усилителей мощности звуковой частоты (УМЗЧ), сетевых стабилизаторов и т.д.
Экспериментально было установлено, что и на зарубежных тиристорах системы коммутации для трансформаторов также воплощать в жизнь будет непросто по тем же причинам, что и с отечественными КУ202. Подобрать два экземпляра с близкими характеристиками сложнее, чем может показаться вначале. Очень быстро вы убедитесь в том, что симисторные структуры оказываются намного симметричнее для обеих полуволн переменного тока, нежели подбираемые тиристоры.
Безусловно, подбор из большого числа (из нескольких десятков (!) тиристоров может) позволит преуспеть в отношении симметричности, по сравнению с симистором. Однако данный процесс точно разочарует самим фактом: насколько трини-сторы далеки от идеальности, если сравнивать их для коммутации переменного тока (напряжения) с контактами реле. Контакты реле не привносят постоянной составляющей тока (специфических горизонтальных «полок») в синусоидальную форму через первичную обмотку трансформатора. Т.е. при коммутации с помощью реле не происходит подмагничивание постоянным током магнитопровода трансформатора.
Как ни печально, но в различной литературе обо всем этом практически не говорится. Лишь за редким исключением удавалось что-то «выловить», хотя бы как краткое словесное подтверждение всему вышесказанному. Но, опять же, нашли вовсе не там, где следовало бы, т.е. не в схемах, где многие активно предлагали коммутировать обмотки трансформаторов симисторами. Показательным является один найденный в литературе пример [4]. Его необходимо привести в качестве наглядного примера: «…симисторам присуща асимметрия падения напряжения, вызывающая подмагничивание магнитопровода трансформатора постоянным током. Это резко увеличивает наводки» (с. 18, [4]). Да, но у него использован не тороидальный трансформатор. И данная тема явно выходит за рамки статьи [4]. Многое понятно, судя по всему описанному о тщательном выборе сетевого трансформатора, что проблемы автору [4] известны.
Как видим, широкодоступная информация скудная, но, развивая тему самостоятельно, а главное, экспериментально, получаем и ответы на многие вопросы.
Все вышеизложенные в данной статье выводы основаны при работе со схемами рис.2 и рис.3. Фото платы рабочего макета показано на рис.4.

Заметим, что деталей на этой плате больше, чем требуется для сборки схемы рис. 2.
Эхо связано с сопутствующим испытанием и других вспомогательных схем.
Весь испытательный макет приведен в заглавном фото. Впоследствии использовались и другие экспериментальные схемы, подтверждающие все, что сказано в данной статье.
Как видим, мощные ТЭН и лампы накаливания -это именно та область применения, где при коммутации сетевого напряжения мощным симисторам, пожалуй, пока нет надлежащей конкуренции.
Волей-неволей приходим к выводу, что наилучшим (по крайней мере, на теперешний момент времени) вариантом для коммутации мощной индуктивной нагрузки остается использование традиционных компонентов – контактов электромеханического реле. То есть там, где аппаратура имеет повышенную чувствительность к наводкам и симметрии сетевого напряжения, с коммутаторами на симисторах следует обходиться аккурат- но, выборочно, применительно к конкретно решаемым задачам.
Литература
1. Годин А. Стабилизатор переменного напряжения // Радио. – 2005. – №8. – С.34.
2. Годин А. Повышение надежности работы стабилизатора // Радио. – 2005. – №12. – С.48.
3. Озолин М. Усовершенствованный блок управления стабилизатора переменного напряжения // Радио. – 2006. – №7. – С.34.
4. Агеев С. Сверхлинейный УМЗЧ с глубокой ООС // Радио. – 1999. – №12. – С. 18.

Цифровое управление паяльником – Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик

 

Фото 1

 

Паяльник – это инструмент номер один для специалиста по электронной технике. Выход из строя этого инструмента останавливает процесс ремонта или монтажа схем. Зарубежные производители предлагают разнообразные паяльные станции, их ассортимент лежит в широком диапазоне цен от дешевых до очень дорогих. Множество радиолюбительских схем управления паяльником напечатано на страницах журналов. Автор собрал простое современное устройство для цифрового управления паяльником. Доступно и современно – это основная идея предлагаемой схемы.

Рис.1

Дизайн устройства показан на рис.1. Автору удалось собрать устройство приблизительно похожего вида (фото). Для паяльника обязательно необходим держатель, поэтому корпус выполняет две функции: управления и подставки для горячего элемента паяльника. Эргономика и практичность привела иностранных и отечественных конструкторов к представленному виду дизайна. Автор добавил к дизайну подсвечивающийся дисплей и аналоговый регулятор мощности. Одна из идей создания устройства – это формирование подсоса воздуха внутрь корпуса и фильтрация через воздушный фильтр с порами 0,5 мкм. При этом пары свинца и канифоли остаются внутри корпуса на фильтре. По мере эксплуатации устройства фильтр меняется. Фильтр крепится напротив отверстий в корпусе, перед вентилятором. Для подсоса используется вентилятор для обдува процессоров компьютеров. Поток отфильтрованного воздуха направляется на силовой трансформатор, тем самым, охлаждая силовой элемент схемы.

В основе управления устройством применен микроконтроллер (МК) ATmega 8. МК имеет в своем составе память программ 8 Кбайт, 130 команд управления и вычисления, 23 линии ввода/вывода, два 8-разрядных таймера, один 16-разрядный, шесть 10-разрядных АЦП [1], SPI, TWI, USART интерфейсы.

Рассмотрим структуру устройства (рис.2 см.прикрепленные данные), которая повторяет классические аналоговые схемы. Сетевое напряжение через трансформатор поступает на выпрямитель V1. Выпрямительный мост V1 делает из переменного напряжения 16 В/50 Гц постоянное импульсное 16 В/100 Гц. Импульсная форма напряжения имеет переход через ноль. Детектор нуля R1, операционный усилитель DA1 фиксируют этот переход. Импульсное напряжение через D1 поступает на сглаживающий конденсатор С, сглаженное нестабилизированное напряжение поступает на стабилизатор. После стабилизатора получают питающее напряжение управления +5 В. Это напряжение поступает через регулятор мощности R2 на неинвертирующий вход операционного усилителя DA2. Вращая движок переменного резистора R2, задают разный уровень напряжения на входе DA2.

 

В дальнейшем при составлении программы необходимо учитывать нелинейную характеристику переменного резистора R2, так чтобы мощность регулировалась через равные сегменты оборота движка регулятора мощности. На инвертирующие входы DA1, DA2 подается также опорное напряжение. Изменяя опорное напряжение при конфигурации АЦП в МК, можно изменять максимальный уровень входного аналогового сигнала МК. В МК имеется аналоговый мультиплексор, который позволяет выбирать аналоговый канал. В начале программы выбирается канал мощности, а затем в режиме реального времени – канал детектора нуля. После преобразования аналогового сигнала в цифровой, МК выполняет алгоритм работы программы, выводит на дисплей заданную мощность и управляет симистором. Управление симистором производится через гальваническую опторазвязку, для защиты МК от сетевых всплесков.

 

Принципиальная электрическая схема устройства показана на рис.3 (см.прикрепленные данные). Устройство управляется IC1 МК ATmega8 [1]. Информация об отдаваемой в нагрузку мощности отображается на ЖК-индикаторе DISP1. Прибор включается кнопкой S1. Схема управления питается от понижающего трансформатора TR2, который также используется для силового питания паяльника. Для работы схемы детектора нуля и устойчивого выключения симистора Т1 необходимо исключить сглаживание пульсаций 100 Гц на паяльнике. Эту функцию развязки выполняет диод D1. Сглаживание пульсации напряжения питания стабилизатора IC2 выполняет цепь R1C3.

Стабилизатор напряжения IC2 обеспечивает питание МК и схемы регулятора мощности Р1. Чтобы предохранить вход АЦП от перенапряжения, на входе МК установлен защитный стабилитрон D2. Для вывода МК из зацикливания или сбоя предусмотрена кнопка RESET и цепочка сброса R3C11. Для исключения влияния работы ядра МК на питание АЦП применен фильтр C6C9L1. Вывод информации о мощности, подаваемой на паяльник, производится непосредственно с МК на ЖКИ. Так как контрастность ЖКИ зависит от освещения помещения, то применена его подсветка светодиодами LED1–LED4. Детектор нуля R10, P2 выделяет нулевой ток из импульсного напряжения 16 В/100 Гц, и эти данные поступают на АЦП1 МК. АЦП0 МК считывает напряжение с регулятора мощности Р1. Конденсатор С10 предотвращает всплески на Р1 при ручной регулировке.

Управление симистором Т1 от МК, согласно рис.2 (см.прикрепленные данные), осуществляется через опторазвязку ОК1. Одновременно LED5 сигнализирует о включении симистора Т1.

Алгоритм работы устройства

Включение симистора Т1 выполняется по определенному алгоритму. Для управления системой используется прямой метод регулирования. Автор разработал метод регулирования «Базис 12» (без обратной связи), применимый только для инерционной тепловой нагрузки. Включение нагрузки происходит в момент перехода переменного напряжения через ноль. Это необходимо для исключения импульсных помех, создаваемых в сети при коммутации переменного тока симистором. Так как переменное напряжение выпрямляется диодным выпрямителем, то имеем 100 Гц положительные полуволны напряжения. Регулирование мощности нагрузки производится путем отбрасывания некоторого количества положительных полуволн. Автор для расчетов выбрал базис 12 импульсов. При исключении заданного количества целых положительных полуволн из каждых 12 импульсов сети, получим регулировку мощности. Путем выбора заданной мощности, МК отсчитывает по определенному алгоритму 12 импульсов сети, при этом исключает некоторые полуволны в указанном порядке. Для увеличения дискретности регулирования мощности необходимо увеличивать базис, например, выбрать минимальный шаг 1 из 25 или 1 из 100. Однако увеличение шага регулировки потребует больших ресурсов МК. Один из недостатков подобного регулирования – это появление звуковых колебаний в нагрузке.

Блок-схема программы показана на рис.4 (см.прикрепленные данные). Работа МК начинается с установки портов ввода-вывода. Далее идет опрос АЦП1. Исходя из результата полученных значений с АЦП1, устанавливается дискретная мощность. В каждом случае дискретной мощности выполняется последовательно заданный алгоритм включения симистора. При этом используется рассмотренный ранее прямой метод регулирования «Базис 12». На дисплей выводятся дискретные числа соответствующие выбранной мощности. Для вывода каждого шага алгоритма «Базис 12» МК сканирует АЦП2, как только значения АЦП2 ниже 10 единиц включается симистор. Если в алгоритме «Базис 12» задан ноль, то симистор отключается. После прохождения 12 шагов алгоритма «Базис 12» симистор отключается, и программа возвращается в начало.

Программа

В начале программы АЦП1 проверяет уровень напряжения на регуляторе мощности Р1. Опорное напряжение для АЦП1 берется от вывода питания МК. В процессе аналого-цифрового преобразования двоичное число Z вычисляется по формуле:

Z=1024*Uвх/Uref.

Программа выполняется пошагово. После чтения данных АЦП1 программа переходит в подпрограмму логических функций, где выбирает необходимое значение в поле допуска данных АЦП1, 2–4-й столбик табл.1 (см.прикрепленные данные). Как только значение выбрано, происходит переход к адресу, в котором записано два байта информации «Базис 12», 5–6-й столбик табл.1 (см.прикрепленные данные), и два байта кода дисплея, 7–12-й столбик табл.1 (см.прикрепленные данные). Для реализации метода регулирования «Базис 12» автор использовал функцию команд МК «сдвиг вправо через перенос». При этом значение переноса анализируется логическими командами МК. Если перенос равен единице, то симистор включается, если ноль, то выключается. Для отображения информации на дисплей также используется функция переноса. В формировании второй цифры дисплея участвуют два порта PORTB, PORTD, чтобы передать правильно информацию в PORTB, 7 бит цифры маскируется логической функцией «И». А в PORTD 7 бит цифры получается путем комбинации логических функций с первой цифрой PORTD. Это необходимо для экономии памяти кодов значащих цифр. Скорость выполнения программы МК очень высока, поэтому АЦП2 МК успевает вычислить уровень сетевого напряжения и выключить симистор при нулевом напряжении сети и включить при напряжении выше 10 единиц АЦП2 МК. Программа повторяется циклически, при этом за один цикл программы выполняется полностью функция «Базис 12». В каждом новом цикле проверяется уровень регулятора мощности Р1.

Конструкция

Монтажная плата (рис.5 см.прикрепленные данные) имеет двухсторонний монтаж, или при замене проводами проводников (рис. 5,б см.прикрепленные данные) можно изготовить одностороннюю плату. Перед монтажом плата разделяется на две части (рис.5,а см.прикрепленные данные), проводники от одной части платы к другой соединяются шлейфом один к одному. Концы шлейфа паяются в местах разрыва платы. Для МК на монтажной плате устанавливается панелька. Корпус рис.6 состоит из деталей, которые изготовляются отдельно. В основе корпуса 1 выбирают прямоугольный пластиковый корпус, продаваемый в розничной торговле габаритами ДхШхВ 140х140х110 мм. Заготовку корпуса разделяют на две части (рис.6): на ненужный сегмент 12 и на основу корпуса 1. Далее вместо вырезанного окна изготавливают переднюю панель из пластиковой пластины. В пластиковой пластине вырезают окно для дисплея и высверливают отверстия для регулятора и выключателя. В окно панели вклеивают прозрачный лист, изготовленный из твердой обложки. Пластиковую пластину красят под цвет корпуса и приклеивают эпоксидной смолой к краям корпуса. Регулятор мощности 2 и выключатель питания крепят к передней панели. Скобы 3, 9 удерживают плату управления.

Корпус устанавливают на ножках 4. В корпус вставляют понижающий трансформатор с платой питания 5 и, при возможности, вентилятор 16 (AIRFLO model D4510S12L) для охлаждения трансформатора и одновременно фильтрации воздуха. Трансформатор с платой питания крепят к корпусу уголками 6. Для уменьшения вибрации под трансформатор прокладывают резиновую подложку 7. Схема имеет предохранитель сети 8. Включается устройство с помощью тумблера 10. Данные с ЖКИ видны через окошко 11. На ЖКИ наклеивается по диагонали тонкая черная полоска (черная изолента) для получения символа %. Для соединения паяльника с платой, с боку корпуса устанавливают разъем 15, через который подается регулируемое питание. Питание вентилятора от стабилизатора 12 В. Стабилизатор подключают непосредственно к выпрямителю от силового трансформатора. Все провода необходимо закрепить стяжками. Сверху корпуса устанавливают держатель паяльника, так чтобы жало паяльника находилось напротив подсоса в корпус воздуха. Автор собрал схему навесным монтажом (фото 2), с максимальным повторением конструкции, показанной на рис.6.

 

Рис. 6

 

 

Фото 2

 

Детали

Симистор ВТ136, выпрямительный диодный мост КВU8K или любой другой на ток 2 А и обратное напряжение не менее 40 В, дисплей жидкокристаллический ИЖЦ5-4/8, диод КД202, стабилитрон КС147А, оптосимистор moc3063, трансформатор с одной первичной обмоткой 220 В и двумя вторичными по 8 В, суммарной мощностью 30 Вт, дроссель 47 нГн на ток не менее 10 мА, кварцевый резонатор 4 МГц, светодиоды LED1–LED5 любые на ток 5 мА, корпус прямоугольный, свечение голубое. Выключатель сети – тумблер двухсекционный на 220 В, Iн=0,5 А. MK ATmega8-16PU. Паяльник 12 В мощностью 25 Вт.

Настройка

Она начинается с записи в МК листинг 2 (листинг 1 программа на языке Ассемблер см.прикрепленные данные). Программатором устанавливают SEL 4 МГц. Настройку выполняют без МК при включенном питании. Р1 регулируют во всем диапазоне и проверяют плавность изменения напряжения (если характеристика регулятора нелинейная, корректируют значение в столбике 3–4 табл.1 см.прикрепленные данные). Р2 устанавливают амплитуду 2 В. Проверяют импульсное напряжение положительной полярности. Устанавливают запрограммированный МК в панельку платы управления. Включают устройство и, начиная с минимального значения регулятора мощности Р1, проверяют осциллограммы на выводах паяльника (необходимо использовать цифровой осциллограф с памятью). Если осциллограммы не соответствуют заданным, необходимо настроить схему детектора нуля резистором P2.

Эксплуатация устройства

До включения питания устройства необходимо регулятор мощности вывести на минимум, затем после включения плавно повышать до необходимой мощности (при модернизации программы эту функцию можно запрограммировать как автоматически выполняемую). По мере работы с устройством необходимо периодически следить за фильтром и заменять в случае видимой засоренности. Себестоимость устройства с корпусом и паяльником составляет около 27 евро, или 205 грн.

Литература

1. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейства Tiny и Mega фирмы ATMEL. 2-е издание. – М.: Додэка-XXI, 2005.

Многофункциональный электрический конвектор с климат-контролем

Область техники

Предлагаемое изобретение относится к электрическим обогревательным системам, а именно к мелкогабаритным электроотопительным приборам конвективного типа, использующимся, как правило, дополнительно к основному центральному отоплению для точечного обогрева небольших участков различных помещений, таких как квартиры жилых домов, загородные дома, рестораны, офисные и административные здания, санатории, гостиничные и туристические комплексы и т.п.

Уровень техники

Из уровня техники известно устройство конвективного нагрева (см. RU 134725, кл. Н05В 3/14, публ. 2013 г.).

Известное устройство конвективного нагрева выполнено в виде корпуса и размещенного в нем нагревательного элемента.

При этом нагревательный элемент выполнен в виде саморегулирующегося позисторного нагревателя, а внутренний объем корпуса, в который он помещен, заполнен кварцевым песком, что обеспечивает повышенную пожарную безопасность. Однако данный вариант исполнения устройства с дополнительно присоединенным к нему радиатором обладает сравнительно большим весом со смещенным центром тяжести, что может создавать неудобства и затруднения при перемещении и установке прибора в бытовых условиях.

Кроме того, по истечении времени у позистора может наблюдаться изменение исходных термоэлектрических характеристик, таких как номинальное электрическое сопротивление и температурный коэффициент сопротивления, что, в свою очередь, снижает надежность данного электрического прибора при его долгосрочной эксплуатации.

Из уровня техники известен электрический обогреватель плинтусного типа (см. RU 109272, кл. F24D 13/02, публ. 2011 г.).

Известный электрический обогреватель содержит корпус, внутри которого помещены нагревательный элемент и регулятор нагрева.

В качестве регулятора нагрева использован фазовый регулятор мощности.

Данный обогреватель может использоваться как основной источник тепла в помещениях и обладает рядом преимуществ, заключающихся в отсутствии скачков напряжения и в пониженном расходе электроэнергии.

Однако важно заметить, что в обогревателе такого типа эффекта конвекции как такового не происходит, а выделяется тепловое излучение от нагревательного элемента, мощности которого может быть недостаточно для основного эффективного обогрева помещения, что, в свою очередь, потребует установки дополнительных плинтусных обогревателей либо привлечения иных отопительных приборов.

Помимо этого у известного плинтусного обогревателя весьма узкая область применения, ограниченная возможностью его стационарного монтажа к нижним участкам стенок помещений с исключением возможности оперативной перестановки прибора и установки его в другом выбранном месте.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является электрический конвекторный обогреватель инверторного типа (см. RU 156192, кл. Н05В 1/02, публ. 2015 г.).

Известный обогреватель инверторного типа содержит корпус с воздухозаборными отверстиями, расположенными в нижней части, и воздухозаборными отверстиями, расположенными в верхней части, при этом внутри корпуса установлены нагревательный элемент и блок управления, содержащий электронную плату с соединенными друг с другом исполнительным элементом и элементом контроля.

Известным средством решается задача в создании возможности автоматической регулировки мощности, что исключает появление нагара на контактах и негативное влияние сильных скачков напряжения.

Недостатком данного обогревателя является присутствие прямой электрической связи между элементами, что приводит к возникновению помех в сети и снижению надежности электронной схемы управления.

Дополнительным недостатком данного обогревателя можно указать низкую функциональность устройства, не производящую ионизацию воздуха и не обеспечивающую возможность просмотра количества потребляемой энергии за время работы прибора.

Раскрытие изобретения

Предлагаемое изобретение решает задачу, заключающуюся в создании многофункциональной конвекционной системы, обладающей технической возможностью плавной регулировки ее мощности как в ручном, так и в автоматических режимах.

Техническим результатом предлагаемого изобретения, который объективно проявляется при его использовании, а именно при непосредственной плавной регулировке мощности как в ручном, так и в автоматическом режиме, является снижение количества потребляемой электроэнергии, предотвращение возникновения помех в электросети, а также повышение надежности эксплуатации блока управления.

Указанный технический результат достигается благодаря тому, что электрический конвектор с электронным управлением содержит корпус с расположенными внутри нагревательным элементом и блоком управления, имеющим исполнительный элемент и электронную плату с установленным на ней элементом контроля, электрически соединенным с температурным датчиком, при этом исполнительный элемент выполнен на основе симистора, обеспечивающего плавное регулирование мощности нагревательного элемента посредством изменения в зависимости от разницы установленной пользователем и текущей температуры окружающей среды количества полных периодов (синусоиды) сетевого напряжения, подаваемого на нагревательный элемент, причем связь симистора с элементом контроля выполнена с использованием оптоэлектронного соединения, исключающего прямую электрическую связь между элементом контроля и исполнительным элементом.

Электрический конвектор может быть выполнен с дисплеем электронного управления.

Электрический конвектор может быть выполнен с ионизатором воздуха.

Температурный датчик может быть размещен с внешней стороны корпуса.

Блок управления может быть выполнен с возможностью регистрации потребленной конвектором электрической энергии.

Блок управления может быть выполнен с возможностью регистрации и сигнализации о предельных отклонениях параметров электрической сети.

Элемент контроля может быть выполнен с возможностью перехода из автоматического режима регулирования мощностью в ручной режим.

Элемент контроля может быть оснащен программным электронным таймером включения/выключения.

В качестве элемента контроля может быть использован процессор.

В качестве элемента контроля может быть использован микропроцессор.

Таким образом, в результате того, что внутри электрического конвектора расположен нагревательный элемент и блок управления, имеющий исполнительный элемент и электронную плату с установленным на ней элементом контроля, электрически соединенным с температурным датчиком, а также в результате того, что исполнительный элемент выполнен на основе симистора, обеспечивающего плавное регулирование мощности нагревательного элемента посредством изменения в зависимости от разницы установленной пользователем и текущей температуры окружающей среды количества полных периодов (синусоиды) сетевого напряжения, подаваемого на нагревательный элемент, обеспечивается снижение количества потребляемой электроэнергии предлагаемого конвектора.

Поскольку включение и выключение симистора происходит в момент прохождения сетевого напряжения через “0”, при этом в схеме устройства контроля реализован детектор нуля, то переключение симистора происходит при нулевой силе тока, что, в свою очередь, предотвращает возможное возникновение помех в электросети.

В результате того, что связь симистора с элементом контроля выполнена с использованием оптоэлектронного соединения, исключающего прямую электрическую связь между элементом контроля и исполнительным элементом, предотвращается прохождение высоковольтных импульсов от симистора к элементу контроля, тем самым повышается надежность работы всего блока управления.

Указанные признаки предлагаемого электрического конвектора инверторного типа с электронным управлением образуют совокупность существенных признаков, необходимых и достаточных для достижения технического результата, заключающегося в снижении количества потребляемой электроэнергии, предотвращении возможного возникновения помех в электросети при непосредственной плавной регулировке мощности как в автоматическом, так и в ручном режиме, а также повышении надежности эксплуатации всего блока управления.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлена симисторная схема управления конвектора и плавной регулировки мощности нагревательного элемента;

На фиг. 2 продемонстрирован принцип регулирования мощности нагревательного элемента предлагаемого электрического конвектора.

Осуществление изобретения

Предлагаемое изобретение поясняется конкретным примером выполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядным образом демонстрирует достижение данной совокупностью существенных признаков заданного технического результата.

На фиг. 1 показаны:

1 – преобразователь переменного тока напряжением в 12 В в постоянный ток напряжением 5 В;

2 – детектор прохождения синусоиды сетевого напряжения через “0”;

3 – детектор напряжения. Линия замера напряжения электросети. Напряжение электросети пропорционально уменьшается до напряжения, достаточного для проведения вычислений, но не превышающего максимально допустимое напряжение микроконтроллера;

4 – детектор тока. Линия вычисления тока в силовой цепи. Напряжение на этой линии прямо пропорционально току в силовой цепи. Значение напряжения, необходимого для проведения вычислений, достигается операционным усилителем.

На фиг. 2 показаны:

а) продемонстрирован вариант функционирования электрического конвектора при 100% мощности, потребляемой нагревательным элементом, без пропусков периодов сетевого напряжения;

б) продемонстрирован вариант функционирования электрического конвектора при 80% мощности, потребляемой нагревательным элементом, с пропуском двух из десяти периодов сетевого напряжения;

в) продемонстрирован вариант функционирования электрического конвектора при 50% мощности, потребляемой нагревательным элементом, с пропуском пяти из десяти периодов сетевого напряжения.

Предлагаемый электрический конвектор с электронным управлением работает следующим образом.

Прибор подключается к электросети, на LED-дисплее выбирается желаемая температура, например 25°C, начинает происходить эффект конвекции.

Плавная регулировка мощности нагревательного элемента электрического конвектора в автоматическом режиме работы (режим AUTO) производится путем изменения в зависимости от разницы установленной пользователем и текущей температуры окружающей среды количества полных периодов (синусоиды) сетевого напряжения, подаваемого на нагревательный элемент (см. фиг. 1 и 2).

Основной исполнительный элемент схемы – симистор, пропускает синусоиду электрического тока только при наличии сигнала на его управляющем электроде.

Управляющий сигнал поступает через оптоэлектронную развязку с микроконтроллера, который выдает управляющий сигнал только в необходимые периоды колебаний сетевого напряжения.

Включение и выключение симистора происходит в момент прохождения сетевого напряжения в электросети через “0”, поскольку в схеме устройства контроля реализован детектор нуля.

При этом переключения симистора происходят при нулевой силе тока и не приводят к возможному возникновению помех в электросети.

Программа микропроцессора рассчитывает количество периодов, необходимое для достижения и поддержания указанной пользователем температуры и выдает управляющие сигналы только на требуемое количество периодов колебаний сетевого напряжения, переключая симистор в открытое состояние и тем самым замыкая цепь нагревательного элемента.

В зависимости от температуры, указанной пользователем, и от постоянно меняющихся окружающих температурных условий, блок управления определяет необходимую для достижения требуемой температуры мощность нагрева (потребляемой электроэнергии).

Примеры

При мощности 100% управляющий сигнал на симистор с микропроцессора включен непрерывно и симистор постоянно находится открытом состоянии.

При мощности 90% микропроцессор прерывает подачу на симистор управляющего сигнала каждый 10-ный период колебания сетевого напряжения, тем самым снижая время работы нагревательного элемента и соответственно его потребляемую мощность на 10%.

При мощности 80% микропроцессор переключает симистор в закрытое состояние каждые два периода из десяти колебаний сетевого напряжения.

Аналогичный алгоритм работы применяется при любом уровне необходимой мощности прибора от 0 до 100%.

Силовые цепи и цепи управления имеют оптическую и гальваническую развязки, тем самым осуществляя передачу энергии или сигнала между электрическими цепями без электрического контакта между ними, что повышает точность измерений и повышает надежность всего блока управления.

Определение перехода синусоиды напряжения через “0” необходимо для правильного “обрезания” периодов синусоиды при регулировании мощности нагревательного элемента предлагаемого электрического конвектора.

При функционировании прибора автоматически вычисляются текущие значения напряжения сети и потребляемого тока для последующей сигнализации в случае некорректного значения напряжения электросети и расчета потребляемой мощности конвектором как мгновенного значения, так и за определенный промежуток времени.

Таким образом, заданный технический результат, достигается благодаря сформулированной совокупности существенных признаков, наглядным образом представленной ниже:

– электрический конвектор содержит корпус с расположенными внутри нагревательным элементом и блоком управления, имеющим исполнительный элемент и электронную плату с установленным на ней элементом контроля, электрически соединенным с температурным датчиком;

– исполнительный элемент выполнен на основе симистора, обеспечивающего плавное регулирование мощности нагревательного элемента посредством изменения в зависимости от разницы установленной пользователем и текущей температуры окружающей среды количества полных периодов сетевого напряжения, подаваемого на нагревательный элемент;

– связь симистора с элементом контроля выполнена с использованием оптоэлектронного соединения, исключающего прямую электрическую связь между элементом контроля и исполнительным элементом.

Предлагаемым электрическим конвектором обеспечивается снижение количества потребляемой электроэнергии, предотвращение возникновения помех в электросети, а также повышение надежности эксплуатации блока управления, что собственно решает задачу создания многофункционального электрического конвектора с электронным управлением, обладающим технической возможностью плавной регулировки мощности в автоматическом и ручном режимах, что собственно позволяет создать более точное и комфортное поддержание температуры в обогреваемом помещении.

Предлагаемое изобретение сможет найти широкое применение в сфере обогрева различных помещений, в частности квартир в многоэтажных домах, загородных домов, офисов, складских помещений, ангаров, гаражей и т.п.




Делаем сами – своими руками.: Устройство управления мощностью переменного тока

Универсальный модуль управления мощностью переменного тока

Принципиальная схема модуля управления мощностью переменного тока показана на рисунке 1.

Рис. 1

Напряжение питания 220 В переменного тока для контролируемой нагрузки подключено к клеммам разъема J1. На входе имеется плавкий предохранитель и фильтр CLC, задача которого состоит в ограничении излучения кондуктивных импульсных помех, которые могут возникнуть при включении нагрузки. Модуль включает в себя: детектор перехода напряжения сети через ноль и исполнительную схему с управляемым триаком через оптотриак.

Задача схемы управления состоит в том, чтобы включить оптотриаки с соответствующей задержкой относительно импульсов, поступающих от детектора пересечения нуля. Если фазовое регулирование не требуется, но нужна групповая, его задача еще проще: просто включив оптотриак на период времени, определяемый количеством импульсов от детектора. Резистор R1 ограничивает ток противоположных диодов в оптопарах OK1 и OK2 до пикового значения приблизительно 3,2 мА. В течение одной половины периода напряжения питания один из них светится, а во второй половине — другой. Обратное напряжение диода, которое в настоящее время выключено, равно прямому напряжению на диоде, то есть около 1,5 В.

Принимающие транзисторы были подключены параллельно, благодаря чему они контролируют транзистор Т1 в той же степени, «добавляя» потенциал на  его базу. Это, в свою очередь, транзистор T1 насыщает, и выходное напряжение от детектора принимает низкий логический уровень. Моменты, в которых ни один из диодов не горит, потому что напряжение сети близко к нулю, равносильно закрытию обоих транзисторов. Потенциал базы T1 достигает 0 В (благодаря резистору R2), что означает его закрытие. Ток перестает течь через коллектор, поэтому выходной потенциал детектора равен его напряжению питания, что можно интерпретировать как логическая «1». Оптотриаковый диод OK3 включается простым ключом с транзистором T2. Таким образом, можно избежать проблемы согласования логических уровней выхода управления и его эффективности: это может быть 1,8 В, а также 3,3 В или 5 В логики.

На стороне высокого напряжения находится триак TR1, который защищен компонентами C3 и R4. Их значения могут быть выбраны в зависимости от нагрузки. Симисторный затвор запускается оптотриаком типа MOC3023, который не имеет схемы детектора пересечения нуля, что желательно для управления фазой. Если пользователь планирует использовать только групповое управление, можно использовать другой элемент, например MOC3063, который включает в себя детектор перехода через ноль. Последняя цифра обозначения, в данном случае 3, обозначает номинальный ток передающего диода, равный 5 мА. При использовании компонента из другой группы следует обращать внимание на более высокое энергопотребление.

Схема запуска симистора была разработана таким образом, чтобы можно было использовать одну и ту же плату для управления резистивными нагрузками (только R5 … R7), а также индуктивными (C4 все еще идет, вводя сдвиг во времени). Авторский прототип был настроен для первого варианта, поэтому R5 + R6 ограничивают ток оптотриака, а R7 выгружает затвор симистора, предотвращая самопроизвольное отключение. Если использовался C4, то вместе с R5 он вводит задержку, R6 ограничивает ток. Значения этих элементов следует выбирать для конкретного применения в соответствии с примечаниями каталога используемого симистора и оптопары.

Печатная плата для сборки устройства показана на рисунке 2.

Рис. 2

У автора размеры печатной платы составляют 76 мм × 68 мм. На расстоянии 3 мм от края были добавлены монтажные отверстия. Силовые резисторы, особенно R1 и R4, должны быть припаяны, чтобы между ними и поверхностью платы было свободное пространство, чтобы обеспечить лучшее охлаждение этих элементов. При необходимости, триак должен иметь дополнительный радиатор. Со стороны высокого напряжения схема рассчитана на питание от сети переменного тока 220 В, но нет никаких противопоказаний для ее работы при более низком напряжении. TR1 и F1 может быть выбран для конкретного применения, помня также о максимальном токе дросселя D1. При подаче сигнала от детектора пересечения нуля на управляющий вход помните, что в высоком состоянии его значение равно напряжению питания модуля. Коэффициент полезного действия тока мал, потому что он ограничен резистором R3, но следует учитывать возможное добавление подходящего защитного диода.

Рис. 3

Рис. 4

Из графиков (рис. 3, рис. 4) видно, что простота этого детектора дает  небольшую ошибку в ​​обнаружении нуля. Осциллограммы показывают измеренные значения времени начала импульса до прохождения через ноль и его окончания, после прохождения проверенного напряжения через ноль. Различия в длине импульса являются результатом различий между оптопарами. Они показывают, что при синхронизации с нарастающим фронтом импульса от детектора необходимо добавить временную границу минимального значения 0,35 мс. Тогда можно будет избежать отключения симистора в течение предыдущего полупериода напряжения.

Автор: Михал Курцела.

Zero Cross – Обнаружение пересечения нуля для сетевого напряжения переменного тока – Экраны, совместимые с Arduino

ВНИМАНИЕ : этот модуль предназначен для прямого подключения к электросети переменного тока, и его неправильное использование может вызвать ПОРАЖЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ и ПОЖАР. Используйте этот модуль только в том случае, если у вас уже есть опыт работы с сетевыми цепями переменного тока, и внимательно следуйте рекомендациям по безопасности, приведенным в нижней части этой страницы.


Нанощиток Zero Cross Nanoshield позволяет определить момент, когда напряжение переменного тока от электросети пересекает нулевую линию.Его можно использовать в следующих приложениях:

  • Регулировка яркости ламп накаливания, галогенных или других регулируемых ламп.
  • Плавное управление нагрузками большой мощности, минимизация шума в основной линии питания (также проверьте Triac Nanoshield).
  • Обнаружение наличия или отсутствия электроэнергии.

Основные характеристики:

  • Централизованный выходной импульс при переходе через ноль с постоянной длительностью 1 миллисекунда, для 127 В или 220 В.
  • Оптически связанный выход для изоляции переменного напряжения от других цепей и компонентов постоянного тока.
  • Эффективная схема обнаружения, вырабатывающая намного меньше тепла, чем решения на основе оптопар, подключенных непосредственно к силовым резисторам.
  • Выбор выхода между выходом 5 В или 3,3 В с помощью паяной перемычки (по умолчанию: 5 В).
  • 17 вариантов выходного контакта, выбираемых с помощью перемычки под пайку (по умолчанию: D2).
  • Светодиодный индикатор состояния выхода.

Диаграмма Нулевой крест Диаграмма

Переход через ноль при входе 127 В

Переход через ноль при входе 220 В

! Образец кода

Код Arduino ниже показывает, как выполнить простое измерение частоты сети переменного тока с помощью Zero Cross Nanoshield и отобразить его на последовательном мониторе:

#define СЕКУНДЫ 2.0

int count = 0;

установка void ()
{
  Серийный . Начало (9600);
  Серийный номер  .println («Нулевой кросс-тест»);

 attachInterrupt (0, крест, Восход);
}

пустой цикл ()
{
 задержка (СЕКУНД * 1000);

 noInterrupts ();
 float hz = count / SECONDS / 2;
 count = 0;
 прерывания ();

  Серийный  .print (Гц);
  Серийный номер  .println ("Гц");
}

void cross () {
 count ++;
}
 

Чтобы узнать, как использовать Zero Cross Nanoshield вместе с Triac Nanoshield, например, для приглушения света, ознакомьтесь с нашей библиотекой Dimmer.

Электрические характеристики

  • Источник питания: осуществляется через вывод VCC в диапазоне от 4,5 В до 5,5 В (обычно 5 В). В качестве альтернативы это можно сделать через контакт 3V3 – в этом случае необходимо изменить конфигурацию перемычки VLOGIC (см. Инструкции на схемах).

  • Потребление тока: максимальное потребление тока составляет 3 мА.

  • Логические уровни: выходной сигнал настроен на заводе для работы с логическим уровнем 5 В.Изменяя перемычку VLOGIC, можно настроить его на работу с напряжением 3,3 В (см. Инструкции на схемах).

Рекомендации по безопасности

Пожалуйста, следуйте приведенным ниже рекомендациям перед использованием этого Nanoshield или любого другого устройства, которое напрямую подключено к электросети переменного тока.

  • Имейте в виду, что сетевой ток переменного тока может быть очень опасным. Несчастные случаи могут привести к травмам и даже смерти. Следовательно, используйте это оборудование только в том случае, если у вас есть предварительные знания об электрических цепях сети и если вы абсолютно уверены в том, что делаете.Если вы новичок и только начинаете играть с электроникой, не используйте этот Nanoshield или любое другое оборудование, которое имеет прямое соединение с сетью переменного тока.
  • Удостоверьтесь, что электромонтаж на месте, на котором вы работаете, соответствует местным правилам безопасности и имеет установленный выключатель дифференциального тока (RCCB).
  • Никогда не дотрагивайтесь до устройства и не прикасайтесь к нему, когда оно подключено к сети переменного тока – всегда выключайте автоматический выключатель перед подключением проводов или выполнением любой ручной настройки системы.
  • Этот Nanoshield не имеет предохранительных устройств, таких как предохранители или автоматические выключатели – вы должны установить их снаружи в соответствии с конкретными потребностями вашего проекта.
  • Если вы хотите включить этот модуль в коммерческий продукт, проверьте требования, применимые к процессам сертификации безопасности в вашем регионе.

(PDF) Недорогой детектор перехода через ноль напряжения для сетей переменного тока

Электротехника, управление и связь

________________________________________________________________________________________________ 2014/6

37

VI.ВЫВОДЫ И РЕЗЮМЕ

Система очень быстрая и имеет внутри высокоточные устройства

при использовании микроконтроллера TMS320F28335. Он имеет высокую точность

и простую схему и программное обеспечение. Его можно использовать

для высокоточных решений, таких как системы с двунаправленными переключателями

и системы управления резонансными преобразователями. Использование

цифрового контроллера сигналов TMS320F28335 делает систему

довольно дорогой.Также можно использовать более дешевый микроконтроллер MSP430F2254

. Однако большую часть времени он может работать

только для обнаружения пересечения нуля. Основная причина этой проблемы

– отсутствие аппаратного умножителя, с которым вычисление среднего значения

было бы быстрее.

Стоимость этой системы может быть снижена за счет использования более дешевых элементов

, таких как недорогие датчики измерения напряжения и тока

и так далее.

В настоящее время производительность микроконтроллеров растет очень быстро,

и цена снижается с той же скоростью. В будущем те же цели

можно будет легко достичь, используя оптимальные программные решения

на мощных микросхемах и оптимальное программное обеспечение для программирования.

Цифровые фильтры, адаптивная система и т. Д. Могут использоваться для

с этой целью. Необходимы дополнительные исследования, чтобы найти оптимальное решение

для устойчивости к искажениям входного сигнала.

VII. ПОДТВЕРЖДЕНИЕ

Разработка данной статьи софинансируется Европейским фондом регионального развития

в рамках проекта «Интеллектуальные

Гибридные системы бесперебойного питания и компонент

Разработка и исследования для повышения энергоэффективности»,

соглашение №

2010/0225 / 2DP / 2.1.1.1.0 / 10 / APIA / VIAA / 160

.

СПРАВОЧНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

[1] Х. Фарханги, «Путь интеллектуальной сети», журнал Power and Energy,

IEEE, vol.8, № 1, стр. 18, 28, январь-февраль 2010 г.

[2] M.H. Nehrir, Caisheng Wang, S.R. Гуда, «Альтернативная распределенная энергия

Поколение

: потребность в работе с несколькими источниками», Труды 38-го Северного

Американского энергетического симпозиума, (NAPS 2006), стр. 547–551, 17–19 сентября 2006 г.

[ 3] И. Галкин, А. Степанов, П. Сускис, «Выбор корректора коэффициента мощности

для модульной системы бесперебойного питания», Труды конференции по силовой электронике и управлению движением

(EPE / PEMC2010),

с. .T13–17, T13–21, 6–8 сентября 2010 г.

[4] J.M. Correa, F.A. Farret, M.G. Симоэс, Д. Рамос, Ф.З. Ferrigolo,

«Аспекты интеграции альтернативных источников энергии для приложений

в системах распределенной генерации», Труды Power

Electronics Conference (COBEP2011), стр. 819–824, 11–15 сентября 2011 г.

[5] PW Уиллер, Дж. Родригес, Дж. К. Клэр, Л. Эмпрингем, А. Вайнштейн,

«Матричные преобразователи: обзор технологии», IEEE Transactions on

Industrial Electronics, vol.49, нет. 2, pp. 276–288, Apr 2002.

http://dx.doi.org/10.1109/41.993260

[6] B.P. МакГрат, Д. Холмс, Дж. Дж. Х. Гэллоуэй, “Синхронизация линии

преобразователя мощности с использованием дискретного преобразования Фурье (ДПФ) на основе переменной частоты дискретизации

“, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 20,

нет. 4, pp. 877–884, июль 2005 г. http://dx.doi.org/10.1109/TPEL.2005.850944

[7] Sanghoey Lee; Чон-Хун Ли; Хандзю Ча, «ФАПЧ

, устойчивая к изменению частоты, несбалансированному и искаженному напряжению»,

Труды Конгресса и выставки по преобразованию энергии

(ECCE2011), стр.1150–1155, 17–22 сентября 2011 г.

[8] Б.П. МакГрат, Д. Холмс, Дж. Гэллоуэй, «Улучшенная синхронизация линии

преобразователя мощности с использованием адаптивного дискретного преобразования Фурье

(DFT)», Труды 33-й ежегодной конференции специалистов по силовой электронике

(PESC2002), вып. 2. С. 821–826 т. 2, 2002.

[9] И. Каругати, П. Донато, С. Маэстри, Д. Каррика, М. Бенедетти, «Частота

Adaptive PLL для загрязненных однофазных сетей», IEEE Transactions on

Power Electronics , т.27, нет. 5, pp. 2396–2404, May 2012.

http://dx.doi.org/10.1109/TPEL.2011.2172000

[10] J. Matas, M. Castilla, L.G. de Vicuna, J. Miret, E. Alarcon-Gallo,

A. Camacho, «Техника быстрой сетевой синхронизации, основанная на схеме многократного каскадного общего интегратора

для инверторов распределенного поколения»,

Труды Международного симпозиума по промышленной электронике

(ISIE2012), стр. 1003–1010, 28–31 мая 2012 г.

[11] П. Уиллер и Д. Грант, «Оптимизированная конструкция входного фильтра и методы переключения с малыми потерями

для практического матричного преобразователя», IEE Proceedings

on Electric Power Applications, vol. 144, нет. 1, pp. 53–60, 1997.

http://dx.doi.org/10.1049/ip-epa:19970863

[12] Т. Свенссон и М. Алакула, «Модуляция и управление матрицей.

преобразователь синхронного привода машины », Труды европейской конференции по силовой электронике

(EPE1991), стр.469–476, 1991.

[13] М. Циглер и В. Хофманн, «Полунатуральная двухступенчатая стратегия коммутации

для матричных преобразователей», Proceedings of the Annual Power

Electronics Specialists Conference (PESC1998), pp. 727 –731, 1998.

[14] BH Квон, Б. Мин и Дж. Ким, “Новая технология коммутации преобразователей переменного тока в переменный ток

“, Труды IEE по применению электроэнергии,

тома. 145, нет. 4. С. 295–300, 1998. http: // dx.doi.org/10.1049/ip-epa:19981869

[15] Д. Касадей, Г. Серра, А. Тани и Л. Зарри, «Модуляция матричного преобразователя

стратегии: новый общий подход, основанный на пространственно-векторном представление состояния переключателя

», IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 49,

pp. 370–381, 2002. http://dx.doi.org/10.1109/41.993270

[16] Л. Эмпрингем, П. Уиллер и Дж. Клэр, «Интеллектуальная коммутация матрицы

. преобразователь двунаправленных переключающих ячеек с использованием новой технологии управления затвором

», Труды Ежегодной конференции специалистов по силовой электронике

(PESC1998), стр.707–713, 1998.

[17] Р. В. Уолл, «Простые методы обнаружения перехода через нуль», Труды

29-й Ежегодной конференции Общества промышленной электроники IEEE

(IECON2003), том. 3, стр. 2477–2481, 2–6 ноября 2003 г.

[18] Р. Эллиотт, «Детекторы и компараторы пересечения нуля»,

http://sound.westhost.com/appnotes/an005.htm, 2013.

[19] Дж. Роулан, «Дифференциальные линейные приемники, функционирующие как аналоговые детекторы перехода через ноль

», Electronic Design, стр.142, October 2000.

[20] Э. Ирмак, И. Колак, О. Каплан, Н. Гюлер, «Разработка и применение новой схемы детектора перехода через нуль

», Труды 3-й Международной конференции

по энергетике, энергетике и электричеству

Drives (POWERENG2011), стр. 1–4, 11–13 мая 2011 г.

[21] O. Vainio, SJ Оваска, “Адаптивные фильтры нижних частот для детекторов перехода через нуль

“, Труды 28-й Ежегодной конференции Общества электроники IEEE Industrial

(IECON2002), т.2, pp. 1483–1486, 5–8 ноября 2002 г.

[22] O. Vainio, S.J. Оваска, “Цифровая фильтрация для надежных детекторов пересечения нуля 50/60 Гц –

“, IEEE Transactions on Instrumentation и

Measurement, т. 45, нет. 2, pp. 426–430, Apr. 1996.

http://dx.doi.org/10.1109/19.492760

[23] С. Валивиита, «Нейронная сеть для обнаружения пересечения нуля искаженной линии

напряжений. в слабых системах переменного тока », Труды конференции по измерительной технике и измерительной технике

(IMTC1998), т.1, pp. 280–285,

18–21 мая 1998 года.

Кристапс Витолс получил степень бакалавра и магистра в области электротехники

в Рижском техническом университете

(RTU), Рига, Латвия в 2008 году и

2010 соответственно. С 2008 года работает

в Институте промышленной электроники и

электротехником Рижского Технического Университета.

Текущая должность – исследователь. Область научных интересов

– конструирование противобуксовочной системы и силового электронного преобразователя

.С 2009 года он является членом

Общества силовой электроники IEEE.

Почтовый адрес: РТУ, Факультет энергетики и

Электротехника, ул. Азенеса 12 / 1–501,

Рига LV-1048, Латвия. Электронная почта: [email protected]

Максим Воробьев получил степень бакалавра наук. степень в области электротехники

и M.S. степень от

РТУ, в 2009, 2011. В настоящее время аспирант

РТУ. Член IEEE с 2011 года. В 2012 году присоединился к

институту промышленной электроники и

электротехнике, где в настоящее время является научным сотрудником

.Его исследовательские интересы включают одиночные

и многофазные преобразователи, матричные преобразователи и устройства хранения энергии

.

Почтовый адрес: РТУ, Факультет энергетики и

Электротехника, ул. Азенеса 12 / 1–501,

Рига LV-1048, Латвия.

Эл. Почта: [email protected]

– 10.2478 / ecce-2014-0015

Загружено с PubFactory 26.08.2016, 18:53:55

через свободный доступ на самом деле очень просто и может эффективно применяться для защиты чувствительного электронного оборудования от скачков напряжения при включении сети.

Схема детектора перехода через нуль в основном используется для защиты электронных устройств от скачков включения, гарантируя, что во время включения питания фаза сети всегда «входит» в схему в своей первой точке перехода через нуль.
Как ни странно, кроме “википедии” нет другой популярный онлайн-сайт до сих пор рассматривал это важное применение концепции детектора пересечения нуля, я надеюсь, что они обновят свои статьи после прочтения этого сообщения.

Что такое детектор пересечения нуля?

Мы все знаем, что фаза переменного тока нашей сети состоит из чередующихся фаз синусоидального напряжения, как показано ниже:

В этом переменном переменном токе можно увидеть переменный ток через центральную нулевую линию и через верхний положительный и нижний отрицательный пиковые уровни через определенный фазовый угол.

Этот фазовый угол можно увидеть экспоненциально увеличивающимся и уменьшающимся, что означает, что он постепенно увеличивается и постепенно уменьшается.

Переменный цикл в сети переменного тока происходит 50 раз в секунду для сети 220 В и 60 раз в секунду для входов сети 120 В, как установлено стандартными правилами. Эта характеристика в 50 циклов называется частотой 50 Гц, а частота 60 Гц называется частотой 60 Гц для этих сетевых розеток в наших домах.

Всякий раз, когда мы включаем прибор или электронное устройство в сеть, он подвергается внезапному переходу фазы переменного тока, и если эта точка входа находится на пике фазового угла, это может означать, что максимальный ток будет принудительно пропущен. устройство в точке включения.

Хотя большинство устройств будут готовы к этому и могут быть оснащены ступенями защиты с использованием резисторов, NTC или MOV, никогда не рекомендуется подвергать их таким внезапным непредсказуемым ситуациям.

Для решения такой проблемы используется каскад детектора пересечения нуля, который гарантирует, что всякий раз, когда гаджет включается от сети, схема пересечения нуля ждет, пока цикл фазы переменного тока не достигнет нулевой линии, и в этот момент она включается сетевое питание гаджета.

Как разработать детектор пересечения нуля

Спроектировать детектор пересечения нуля несложно. Мы можем сделать это, используя операционный усилитель, как показано ниже, однако, используя операционный усилитель для простой концепции, поскольку это выглядит излишним, поэтому мы также обсудим, как реализовать то же самое, используя обычную конструкцию на основе транзистора:

Операционный усилитель Схема детектора перехода через ноль

Примечание: входной переменный ток должен быть от мостового выпрямителя

На рисунке выше показана простая схема детектора перехода через ноль на основе операционного усилителя 741, которую можно использовать для всех приложений, требующих выполнения на основе перехода через нуль.

Как можно видеть, 741 сконфигурирован как компаратор, в котором его неинвертирующий вывод соединен с землей через диод 1N4148, что вызывает падение потенциала 0,6 В на этом входном выводе.

Другой входной контакт №2, который является инвертирующим контактом устройства iC, используется для обнаружения пересечения нуля и подается с предпочтительным сигналом переменного тока.

Как мы знаем, до тех пор, пока потенциал на контакте №3 ниже, чем на контакте №2, выходной потенциал на контакте №6 будет 0 В, и как только напряжение на контакте №3 поднимется выше контакта №2, выходное напряжение будет быстро переключитесь на 12В (уровень питания).

Следовательно, в пределах подаваемого входного сигнала переменного тока в периоды, когда фазное напряжение значительно выше нулевой линии или, по крайней мере, выше 0,6 В над нулевой линией, выход операционного усилителя показывает нулевой потенциал …. но в течение периодов когда фаза собирается войти или пересечь нулевую линию, на контакте № 2 будет опорный потенциал ниже 0,6 В, установленный для контакта № 3, что приведет к немедленному переключению выходного напряжения на 12 В.

Таким образом, выходной сигнал во время этих точек становится высоким уровнем 12 В, и эта последовательность запускается каждый раз, когда фаза пересекает нулевую линию своего фазового цикла.

Результирующий сигнал можно увидеть на выходе ИС, который четко выражает и подтверждает обнаружение пересечения нуля ИС.

Использование схемы BJT оптопары

Хотя описанный выше детектор пересечения нуля операционного усилителя очень эффективен, то же самое можно реализовать с помощью обычного BJT оптопары с достаточно хорошей точностью.

Примечание: входной переменный ток должен быть от мостового выпрямителя

Ссылаясь на изображение выше, BJT в форме фототранзистора, связанного внутри оптопары, может быть эффективно сконфигурирован как простейшая схема детектора перехода через ноль.

Сеть переменного тока подается на светодиод операционного усилителя через резистор высокого номинала. Во время фазовых циклов, пока сетевое напряжение выше 2 В, фототранзистор остается в проводящем режиме, а выходной отклик поддерживается на уровне около нуля вольт, однако в периоды, когда фаза достигает нулевой линии своего хода, светодиод внутри opto отключается, вызывая отключение транзистора, этот ответ мгновенно вызывает появление высокого логического уровня в указанной выходной точке конфигурации.

Практическая прикладная схема, использующая обнаружение пересечения нуля

Практический пример схемы, использующей обнаружение пересечения нуля, может быть засвидетельствован ниже, здесь симистор никогда не разрешается переключать в любой другой фазовой точке, кроме точки пересечения нуля, всякий раз, когда включается питание .

Это гарантирует, что цепь всегда защищена от скачков тока при включении и от связанных с этим опасностей.

Примечание. Входной переменный ток должен подаваться от мостового выпрямителя

В концепции, приведенной выше, симистор запускается через малосигнальный тиристор, управляемый PNP BJT.Этот PNP BJT сконфигурирован для выполнения определения перехода через нуль для предполагаемого безопасного переключения симистора и связанной нагрузки.

В любое время, когда питание включено, SCR получает анодное питание от существующего источника триггера постоянного тока, однако его напряжение затвора включается только в момент, когда вход проходит через свою первую точку пересечения нуля.

Как только SCR срабатывает в точке безопасного перехода через нуль, он запускает симистор и подключенную нагрузку и, в свою очередь, фиксируется, обеспечивая постоянный ток затвора для симистора.

Этот вид переключения в точках пересечения нуля каждый раз при включении питания обеспечивает стабильное безопасное включение нагрузки, устраняя все возможные опасности, которые обычно связаны с внезапным включением питания.

Устранение ВЧ-шума

Еще одно замечательное применение схемы детектора перехода через ноль – устранение шума в схемах переключения симистора. Давайте возьмем в качестве примера схему электронного регулятора освещенности, мы обычно находим такие схемы, излучающие много радиочастотных шумов в атмосферу, а также в электрическую сеть, вызывая ненужный сброс гармоник.

Это происходит из-за быстрого пересечения проводимости симистора через положительный / отрицательный циклы через линию пересечения нуля … особенно вокруг перехода пересечения нуля, когда симистор подвергается воздействию неопределенной зоны напряжения, вызывая быстрые переходные процессы тока. которые, в свою очередь, излучаются как радиочастотный шум.

Детектор пересечения нуля, если он добавлен к схемам на основе симистора, устраняет это явление, позволяя симистору срабатывать только тогда, когда цикл переменного тока полностью пересекает нулевую линию, что обеспечивает чистое переключение симистора, тем самым устраняя переходные процессы РЧ.

Ссылка:

Схема пересечения нуля

Первые в отрасли интегрированные ИС обнаружения пересечения нуля

Киото, Япония и Санта-Клара, Калифорния, 24 сентября 2020 г. (GLOBE NEWSWIRE) – ROHM объявляет о выпуске BM1ZxxxFJ, серии интегральных микросхем с интегрированным нулевым перекрестным обнаружением, оптимизированной для бытовой техники, такой как пылесосы, стиральные машины и кондиционеры .

Растущий спрос на интеллектуальные устройства и приложения IoT добавил функциональные возможности связи (т.е. Wi-Fi) к бытовой технике. Поскольку для поддержания связи необходимо, чтобы такие устройства всегда были ВКЛЮЧЕНЫ, производители должны снизить энергопотребление в режиме ожидания еще больше, примерно до 0,5 Вт. Это требует снижения энергопотребления в режиме ожидания двигателем и блоками питания, а также новых инновационных технологий.

Для многих устройств требуется схема обнаружения пересечения нуля для определения точки 0 В (точка пересечения нуля) сигнала переменного тока, чтобы обеспечить эффективное управление как двигателями, так и микроконтроллерами.Однако с точки зрения потребляемой мощности в обычных схемах обнаружения перехода через нуль используется оптопара, на которую приходится почти половина резервной мощности всей системы.

В ответ на это компания ROHM разработала первое интегрированное решение для обнаружения пересечения нуля для источников питания в секторе бытовой техники. Интегрированная ИС обнаружения пересечения нуля предоставляет разработчикам детектор пересечения нуля «под ключ» без необходимости сложной конструкции с использованием дискретных компонентов. Кроме того, в этом интегрированном решении не используется фотоэлемент, обычно используемый в других решениях, и, следовательно, он дополнительно снижает потребление тока в режиме ожидания и повышает долговременную надежность.Неудивительно, что эта функция была хорошо идентифицирована производителями бытовой техники и уже учтена на этапе квалификации.

Серия BM1ZxxxFJ снижает энергопотребление в режиме ожидания схемы пересечения нуля до 0,01 Вт при непрерывном питании системы. Более того, ошибка времени задержки (которая зависит от напряжения переменного тока), которая существует в обычных схемах обнаружения перехода через нуль, оборудованных оптопарой, ограничена до ± 50 мкс или меньше. Это позволяет эффективно управлять двигателями – даже с разными напряжениями питания переменного тока, используемыми в разных странах и регионах – а также микроконтроллерами (чего трудно достичь с помощью обычных схем обнаружения перехода через ноль).В то же время устранение необходимости в оптроне способствует повышению надежности приложений за счет снижения рисков, связанных с деградацией по возрасту.

Основные характеристики

Разработка схемы обнаружения пересечения нуля без оптопары способствует повышению надежности и снижению энергопотребления в различных приложениях, включая бытовые приборы.

1. Прорывная конструкция схемы обнаружения перехода через нуль без оптопары сводит к минимуму энергопотребление приложения в режиме ожидания

В обычных схемах обнаружения перехода через нуль обычно используются оптопара и транзистор, на которые приходится почти половина потребляемой мощности в режиме ожидания всего приложения.На этот раз, проанализировав сотни схем питания в различных средах, ROHM удалось создать ИС, способную обнаруживать переход через нуль без оптопары.

Наряду с уменьшением количества деталей новая конструкция обеспечивает энергопотребление в режиме ожидания, близкое к нулю (0,01 Вт). А в приложениях с двигателями можно дополнительно уменьшить количество компонентов наряду с потребляемой мощностью в режиме ожидания, исключив схему определения входного напряжения двигателя.

2.Способствует повышению надежности и эффективности бытовой техники в различных странах и регионах.

Использование оптопары сопряжено с рисками, которые включают снижение производительности из-за ухудшения силы света с течением времени. Устранение оптопары не только снижает риск отказа, но также ограничивает ошибку времени задержки, которая может варьироваться в зависимости от напряжения переменного тока, до ± 50 мкс или менее. Это позволяет эффективно управлять двигателями даже с различным напряжением питания (100–230 В), используемым в разных странах, а также микроконтроллерами, чего трудно или невозможно достичь с помощью обычных схем обнаружения перехода через нуль.

3. Простая замена обычных схем обнаружения перехода через нуль

Новая серия ROHM поддерживает формы сигналов (импульс / фронт) и топологии схем (стандартное выпрямление / двойное выпрямление), используемые в обычных схемах обнаружения перехода через нуль, что позволяет пользователям легко заменять стандартные схемы обнаружения перехода через ноль, оснащенные оптопарой, не требующие изменения программного обеспечения.

4. Встроенная функция фиксации напряжения защищает микроконтроллер ниже по потоку.

Серия BM1ZxxxFJ совместима с входным напряжением до 600 В и выполняет деление напряжения на выход ниже максимального номинального напряжения микроконтроллера и управляет стандартными микроконтроллерами до 5 В.Также предусмотрена функция фиксации напряжения, которая гарантирует, что входное напряжение не превышает 4,8 В, защищая MCU даже при возникновении аномальных напряжений в высоковольтных приводах, таких как кондиционеры.

Наличие: В массовом производстве

Цена: От 0,98 долларов США / образец (без налогов)

Примеры применения

Бытовая техника, оснащенная двигателями, такими как кондиционеры, стиральные машины и т. Д. пылесосы

Новые интегральные микросхемы обнаружения пересечения нуля минимизируют потребление энергии в режиме ожидания в бытовой технике

Серия BM1ZxxxFJ поддерживает как импульсные, так и краевые формы волны, используемые в спецификациях бытовой техники, устраняя необходимость в изменении программного обеспечения при замене обычных схем обнаружения пересечения нуля.Предлагается 6 моделей, обеспечивающих совместимость с широким спектром бытовой техники.

Оценочная плата

Доступна интегрированная отладочная плата ИС обнаружения пересечения нуля, которая объединяет источник питания для управления интегрированной ИС обнаружения пересечения нуля ROHM, что упрощает оценку устройства. Эта оценочная плата предназначена для упрощения процесса принятия решений разработчиками при рассмотрении вопроса о замене существующих схем с использованием оптопары.

Дата начала продаж: Уже доступно

Онлайн-дистрибьюторы: Digi-Key, Mouser

Страница поддержки : https: // www.rohm.com/products/power-management/ac-voltage-zero-cross-detection-ics
(Также доступно руководство пользователя для оценочной платы)

Терминология

Zero Cross Point

A ноль Схема перекрестного обнаружения необходима в бытовых приборах, которые питаются от розетки переменного тока для обнаружения точки пересечения нуля (которая является точкой 0 В сигнала переменного тока) для эффективного управления как двигателями, так и микроконтроллерами. В результате повышение точности обнаружения пересечения нуля позволяет еще более эффективно управлять двигателем и микроконтроллером.А когда двигатель остановлен, импульсное управление обеспечивает большую безопасность цепи, надежно останавливая напряжение на уровне 0 В.

  • PressPicture_BD71850MWV_BM1Z
  • 055_ Нулевое перекрестное обнаружение IC-BM1Z001FJ_EN_2
 

Цепи детектора перехода через ноль |

Диммеры – это устройства, используемые для уменьшения яркости света. Диммеры обычно используются для управления светоотдачей резистивных ламп накаливания, галогенных ламп, а иногда также компактных люминесцентных ламп (КЛЛ) и светодиодов.У затемненных светодиодов есть свои проблемы и дилеммы. Современные диммеры построены из полупроводников, которыми часто управляют с помощью микроконтроллеров и других цифровых схем. Для правильной работы этих цифровых схем диммирования обычно требуется информация о временных параметрах питания от сети. Вот где нужны схемы обнаружения перехода через нуль. Они бывают разных форм. Я описал некоторые идеи в документах по моей четырехканальной диммерной стойке и схемам светового диммера.

В этой статье рассматриваются потенциально опасные темы, поэтому небольшое предупреждение: Напряжение сети может быть смертельным.Это касается как 110 В переменного тока, так и 230 В переменного тока, а также других популярных напряжений. Прямое подключение к электросети может быть сложным и опасным. Точно знайте, что вы делаете, и будьте очень осторожны! Эта статья дает некоторые идеи, и нет гарантии, что все они верны или безопасны.

В приложениях, где нет необходимости в защитной изоляции от сети, обнаружение пересечения нулей в простейшем случае может быть реализовано путем подачи сетевого напряжения через подходящий резистор с высоким сопротивлением на подходящий входной вывод микроконтроллера.Например, этот микрочип предлагает следующую блок-схему идеи:

Elprojects article Обнаружение пересечения нуля 220 В с помощью микроконтроллера AVR с минимальным количеством компонентов. Это изображение взято из заметки по применению Atmel AVR182:

.

Эта схема может показаться немного странной, потому что эта идея заключается в подаче питания высокого напряжения на входной контакт микроконтроллера через один резистор. Но это должно быть безопасно, потому что 230 переменного тока через резистор 1 МОм, подаваемые непосредственно на микроконтроллер AVR, не причинят ему никакого вреда.Это связано с тем, что этот микроконтроллер имеет внутренние ограничивающие диоды, которые ограничивают высокое входное напряжение до рабочего напряжения микроконтроллера, пока ток поддерживается в разумном диапазоне (и здесь это делает резистор 1 МОм).

Но что, если вам нужна безопасная изоляция от сети? Все становится несколько сложнее. В моей схеме четырехканальной диммерной стойки я использовал метод, в котором я обнаружил пересечение нуля на сигнале низкого напряжения от сетевого силового трансформатора (здесь вы получаете короткие импульсы 10 В от коллектора Q1 при каждом пересечении основного нуля).

Но что, если вы не хотите использовать трансформатор для этой задачи изоляции? Тогда следующая идея состоит в том, чтобы использовать оптоизолятор, в котором вы управляете входным светодиодом с питанием от сети через подходящий резистор… Как, например, в этой схеме из AVRFREAKS, обнаруживающей пересечение нуля, обсуждение:

Основная идея хороша. Вы выпрямляете сетевое питание, а затем через резисторы подаете питание на оптопару. У этой простой схемы есть большой недостаток – потеря мощности: на схеме с двумя резисторами 22 кОм у вас будет 1.Рассеяние 1 Вт только на этих двух резисторах.

Я искал схему более низкой мощности или в других отношениях улучшенную схему. После некоторого поиска я нашел две интересные схемы для обнаружения перехода через ноль в изолированной сети с низким энергопотреблением: детектор перехода через нуль с питанием от сети использует только несколько высоковольтных частей, опубликованных в журнале EDN, и DIY – Изолированный высококачественный детектор перехода через нуль сетевого напряжения схема от Dexrel. Обе эти схемы используют очень похожие идеи для маломощного обнаружения перехода через нуль.На основе этих схем я решил протестировать самодельный изолированный высококачественный детектор перехода через нуль напряжения сети, потому что он выглядел немного проще и потреблял меньше энергии.

Эта схема обещает сверхнизкое энергопотребление; рассеиваемая мощность в худшем случае <120 мВт. Схема обещала производить постоянные и четко определенные импульсы перехода через нуль, симметрично центрированные вокруг переходов через нуль, при этом длительность импульса практически не зависит от сетевого напряжения. В дополнение к этому схема обещает использовать очень мало энергии и всего несколько простых компонентов: конструкция схемы хороша, так что только резисторы R1 и R2 и оптоизолятор должны быть спроектированы так, чтобы выдерживать напряжение сети, все остальные части могут быть низкими. -напряжение нормальных компонентов.

Я построил прототип схемы на беспаечной макетной плате:

Сначала я попробовал схему на более безопасном более низком напряжении (12 В переменного тока с пониженными значениями R1 и R2). Затем я попробовал схему с полным питанием от сети 230 В от предохранительного изолирующего трансформатора. Схема работала как положено. Типичная ширина импульса составляет 1 мс при 50 Гц.

Работа схемы: Схема перехода через нуль состоит из резисторов преобразования напряжения в ток R1-R2, двухполупериодных выпрямительных диодов D1-D4, конденсатора для усреднения и накопления напряжения C1, оптрона U1 и транзистора Q1, который функционирует как компаратор напряжения.Транзистор Q1 остается выключенным в течение большей части цикла электросети, в течение которого заряжается C1. Q1 включается и подает ток от C1 к оптоэлектронной схеме через R4 всякий раз, когда напряжение сети (деленное на (R1 + R2) / R3) ниже, чем напряжение на C1.

Amazon.com: HT106B Socket Testers Voltage Test Socket Detector Ground Zero Line Plug Проверка полярности фазы: Инструменты и товары для дома


В настоящее время недоступен.
Мы не знаем, когда и появится ли этот товар в наличии.
  • Убедитесь, что это подходит введя номер вашей модели.
  • Особенности: 1. Мини-портативный дизайн, удобный для переноски и простой в использовании. Тест RCD (или GFCI) 3. Проверка напряжения (с ЖК-дисплеем) 4. Может быстро и точно определить состояние проводки розетки. Широко используется в школе, лаборатории, на заводе и в других социальных сферах. Описание: 1. Он проверяет вашу систему защиты для обеспечения электробезопасности дома. 2. Широко используется в школе, лаборатории, на заводе и в других социальных сферах. Технические характеристики: Торговая марка: HABOTEST Модель: HT106B Рабочее напряжение:
  • 48 – 250 В / 45 – 65 Гц Измеряемое напряжение: 48 – 250 В / 45 – 65 Гц Точность: (2.0% + 2) Высота: 2000 м УЗО
  • Тест: 30 мА Рабочее напряжение ARCD: 220 В 20 В GFCI тест:> 5 мА Рабочее напряжение AGFCI: 110 В 20 В
  • Вес: 59 г Размер элемента: 58x64x60 мм

Детекторы перехода через ноль – эффективная защита чувствительного электронного оборудования

Как системы управления мощностью выдерживают высокие пусковые токи? Это похоже на трудную задачу.Тем не менее, здесь пригодятся детекторы перехода через нуль (ZCD).

При обнаружении перехода через ноль переход формы сигнала будет происходить плавно. Следовательно, схема детектора пересечения важна для систем, требующих определенного временного интервала.

Мы подробно расскажем, как работают детекторы перехода через нуль. Также мы объясним простые методы создания схемы детектора пересечения. Итак, читайте дальше.

1. Принцип детекторов нулевого пересечения

Извещатель перехода через нуль работает в схемной сети систем управления электроэнергией.Это облегчает преобразование формы выходного сигнала компаратора. Это происходит, когда сигнал переменного тока достигает нулевого опорного напряжения. Следовательно, устройство задерживается по времени. Цель состоит в том, чтобы защитить схему от высоких входных сигнальных токов.

2. Базовые датчики перехода через ноль Описание схемы

Во-первых, вот иллюстрация схемы детектора перехода через ноль.

Рисунок 1: Иллюстрация принципиальной схемы детектора перехода через нуль.

На приведенной выше иллюстрации последовательной цепи показана простая схема детектора пересечения. Во время сборки подключите входной сигнал к инвертирующей клемме операционного усилителя. Для неинвертирующего терминала заземлите его через входные резисторы.

Устройство определяет, когда входной сигнал отличается от опорного напряжения. Вы должны установить опорное напряжение на 0. Следовательно, каждый раз, когда это происходит, уровень насыщения выходных сигналов будет смещаться.

Рисунок 2: Печатная плата

Подайте входной сигнал на неинвертирующий вывод операционного усилителя.В этом случае опорный уровень напряжения равен нулю. Система сравнивает синусоидальную волну на входе операционного усилителя с опорным напряжением.

Каждый раз фаза синусоидальной волны будет сдвигаться с отрицательной на положительную и наоборот.

Рассмотрим каждый вероятный сценарий входного сигнала.

Возьмем, к примеру, случай, когда на входе присутствует положительный синусоидальный сигнал. Компаратор сравнивает входной сигнал с уровнем опорного напряжения.Следовательно, уравнение этого сценария:

V Выход = V Ссылка – V Входной сигнал

Следовательно, учитывая, что у вас есть опорное напряжение 0 В, мы можем приравнять V опорное напряжение к нулю. Таким образом, уравнение изменится на:

В Выход = 0 – В Входной сигнал

Следовательно, напряжение выходного сигнала формы волны будет иметь отрицательное насыщение. Проверьте это последнее уравнение:

В Выход = – В Входной сигнал

Следовательно, положительный импульс дает отрицательную форму выходного сигнала.

С другой стороны, рассмотрим сценарий, когда имеется отрицательный синусоидальный сигнал. Опять же, компаратор сравнит входной сигнал с уровнем опорного напряжения.

Следовательно, уравнение снова будет иметь вид V Output = V Reference –V Input Signal.

Когда мы заменим = V Ссылку в уравнении на ноль, мы получим

V Выход = 0 – (V Входной сигнал )

Таким образом, V Выход = + V Входной сигнал

В этом случае выходной сигнал будет иметь положительное насыщение.

Таким образом, детектор перехода через нуль эффективно преобразует входной сигнал в выходной сигнал противоположного знака. Если входной сигнал отрицательный, перекрестная схема преобразует его в положительный и наоборот.

3.Как сделать схему детектора перехода через нуль?

Рисунок 3: Синусоидальные волны

Вы можете легко сконструировать детектор перехода через нуль. Кроме того, вы можете использовать эту схему для широкого круга приложений.

Вот компоненты, которые вам понадобятся для этой схемы:

Стабилитрон 6 В

Два резистора 100 кОм

IC 741 Компаратор

Убедитесь, что вы подключаете входной переменный ток от мостового выпрямителя.Также в этой схеме IC 741 работает как компаратор. Следует обеспечить напряжение питания 12 В.

Также убедитесь, что вы подключили неинвертирующий контакт к диоду 1N4148. С другой стороны, вы должны подключить инвертирующий контакт к выбранному входному сигналу.

Обратите внимание, что форма выходного сигнала вашей схемы будет обратной входному сигналу. Таким образом, схема следует принципам обычных детекторов перехода через нуль.

Когда на входном контакте есть положительный ток, устройство обнаружит это.Изменение формы выходного сигнала произойдет, когда опорное напряжение будет равно нулю. Обратное произойдет, когда вы подключите встречный ток. В этом случае выход будет положительным.

4. Применение детектора перехода через нуль

Существует широкий спектр применений схем детекторов перехода через ноль. Вы найдете их в электронном устройстве, например, в частотомере. Кроме того, вы также найдете их в силовых электронных схемах.

Рисунок 4: Трехмерное изображение электронных компонентов

Вот некоторые из типичных применений перекрестной цепи:

ZCD как фазометр

Когда у вас есть два напряжения, вы можете использовать ZCD в качестве фазометра для определения фазового угла.ZCD сначала будет получать последовательные импульсы в положительном и отрицательном циклах. Затем он будет измерять напряжение во временном интервале первого синусоидального импульса напряжения. Он повторит процесс для другого импульса напряжения синусоидальной волны.

Таким образом, интервал времени даст разность фаз между напряжениями входного сигнала. Вы можете использовать фазомер для синусоидальных волн от нуля до 360 градусов.

ZCD как генератор временных меток

Рассмотрим принципиальную схему компаратора детектора перехода через ноль на рисунке 1.Если входной вывод представляет собой синусоидальную волну, выходной сигнал будет генератором прямоугольной волны. Таким образом, будет создана последовательная цепь.

Также рассмотрите сценарий, когда постоянная времени относительно мала по сравнению с периодом. В таком случае напряжение на резисторах может быть положительным импульсом. Также это может быть отрицательный импульс. Подайте напряжение на цепь ограничителя через диод. Он выдает напряжение нагрузки только с положительными импульсами. Следовательно, у вас будет преобразование синусоидальной волны детектора перехода через ноль в положительные импульсы.Предпосылкой для этого результата является сетевая схема и схема ограничителя.

Детектор перехода через ноль с использованием микросхемы IC 311 и транзистора

Рисунок 5: Волновая графика

Вы также можете использовать детектор перехода через нуль в схему компаратора операционного усилителя. Мы проиллюстрировали это прямое применение на рисунке 1. Когда вы используете его таким образом, это будет преобразователь прямоугольных сигналов.

Кроме того, в этой схеме вы можете использовать инвертирующий или неинвертирующий компаратор в качестве детектора перехода через ноль.Тем не менее, вы должны убедиться, что вы установили опорное напряжение на ноль.

Принцип работы этой схемы также аналогичен принципу работы других детекторов перехода через нуль.

Таким образом, когда положительное входное напряжение пересекает ноль, выходной сигнал будет иметь отрицательное насыщение. С другой стороны, когда входное напряжение отрицательное, выходной сигнал будет иметь положительное насыщение.

Следовательно, отрицательные циклы на входе волны будут давать положительные формы волны.Точно так же положительные циклы на входе волны будут давать отрицательные формы волны.

Детектор перехода через ноль с оптопарой

Другой способ использования детектора перехода через нуль – это разработка оптопары. Вот иллюстрация оптрона аналоговой конструкции.

Рисунок 6: Иллюстрация оптопары

Если посмотреть на форму выходного сигнала схемы, она меняется в зависимости от входа. Например, когда входной сигнал достигает 0, форма выходного сигнала будет расти.Это происходит каждый раз, когда входной сигнал достигает этой точки, как показано в приведенных выше примерах.

Заключение

В двух словах, детекторы перехода через ноль необходимы в системах управления питанием. Без них можно было бы работать в цепях переменного тока.

У нас есть другие идеи о других типах цепей. Посетите наш сайт для получения дополнительной информации о схемах. Кроме того, не стесняйтесь обращаться к нам в случае возникновения каких-либо вопросов.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *