Для чего нужен детектор нуля

Детекторы перехода сетевого напряжения через ноль на стабилизаторах тока и оптронах

Детекторы перехода сетевого напряжения через ноль очень часто применяют в устройствах управления различными электронными, электромеханическими устройствами или нагревателями, питающимися от сети.

Для построения такого детектора часто используют схему, показанную на рис. 1. Работает этот детектор так. Пульсирующее напряжение с выхода диодного моста VD1 через резистор R1 поступает на излучающий диод оптрона U1. Под действием этого излучения фототранзистор оптрона открывается и напряжение на нём уменьшается. Поскольку ток через излучающий диод оптрона носит пульсирующий характер, этот детектор формирует импульс высокого логического уровня при каждом переходе сетевого напряжения через ноль, т. е. в тот момент, когда ток через излучающий диод оптрона недотаточен для открывания фототранзистора оптрона. Точнее, когда фототранзистор закрывается, формируется фронт импульса, а когда открывается и переходит в режим насыщения, то формируется спад импульса.

Рис. 1. Схема для построения детектора

Длительность этого импульса и потребляемая детектором мощность зависят от сопротивлений резисторов R1, R2, напряжения сети и параметров применённого оптрона. Чем шире импульс, тем больше погрешность между моментом перехода сетевого напряжения через ноль и фронтом этого импульса.

Требования к резистору R1 противоречивы. С одной стороны, для повышения экономичности устройства сопротивление этого резистора необходимо увеличивать, но это приведёт к увеличению длительности выходного импульса детектора. С другой стороны, для уменьшения длительности импульса сопротивление резистора R1 следует уменьшать, но это приведёт к увеличению мощности, потребляемой детектором. С уменьшением напряжения сети длительность импульса уменьшается вплоть до его исчезновения. С увеличением сопротивления резистора R2 длительность импульса увеличивается, но при этом увеличивается и длительность фронта.

Один из основных параметров оп-трона, который оказывает влияние на параметры выходного импульса, — коэффициент передачи тока. Чем больше этот коэффициент, тем больше чувствительность детектора, т. е. при меньшем токе через излучающий диод оптрона можно получить нормальный импульс, т. е. уменьшить энергопотребление детектора. Если длительность импульса не имеет значения, все элементы следует выбирать исходя из повышения экономичности.

Однако в некоторых случаях требуется оптимизация параметров детектора, например, с целью повышения экономичности или уменьшения длительности импульса. Вопросам решения такой задачи посвящена статья [1], в которой для достижения этих целей авторы предлагают использовать в детекторе стабилизатор тока на двух биполярных транзисторах. Благодаря такому стабилизатору одновременно с повышением экономичности удалось уменьшить и длительность импульса. А для дальнейшего улучшения параметров предлагается такой стабилизатор снабдить параметрическим стабилизатором напряжения. Однако это существенно усложняет схему детектора, а значит, его массу и габаритные размеры.

Реализовать детектор со стабилизатором тока и при этом существенно упростить схему можно, если применить одну из специализированных микросхем стабилизатора тока [2-5]. Эти микросхемы предназначены для применения в качестве драйверов в светодиодных сетевых лампах. Они рассчитаны для работы в цепях постоянного тока с напряжением до 450 В и обеспечивают стабилизацию тока до нескольких десятков миллиампер, значение которого можно установить с помощью внешнего резистора. Эти микросхемы выходят на режим стабилизации тока уже при напряжении на них 4.6 В [6], поэтому их можно с успехом применить в детекторе перехода сетевого напряжения через ноль.

Рис. 2. Схема детектора

Схема такого детектора показана на рис. 2. Как видно, детектор содержит немного деталей. Ток стабилизации I_ст устанавливают резистором R1 = 0,6/I_ст. Если применить оптрон с большим коэффициентом передачи по току, через излучающий диод оптрона можно установить сравнительно небольшой ток, что обеспечит экономичность детектора. Для указанных на схеме элементов ток стабилизации — около 1 мА, а длительность выходного импульса — 50. 70 мкс.

Поскольку упомянутые микросхемы часто применяют в светодиодных сетевых лампах, а неисправных ламп, к сожалению, в распоряжении радиолюбителей становится всё больше и больше, то, скорее всего, найдутся такие, в которых и установлены именно такие микросхемы или их аналоги. Кроме того, в лампах найдётся и диодный мост. С учётом того что основная причина выхода ламп из строя — перегорание светодиодов, диодный мост и мик-росхема стабилизатора остаются исправными. К таким лампам относятся, например, лампы торговой марки "Онлайт". Именно элементы этой лампы и использованы в детекторе. Плата этой лампы мощностью 10 Вт показана на рис. 3. На ней, кроме светодиодов и резисторов, установлены необходимые для детектора диодный мост 1 и микросхема стабилизатора тока 2.

Рис. 3. Плата лампы мощностью 10 Вт

Но детектор может быть ещё проще, если применить микросхему BP5133 (корпус HSPO-7), в которой совмещены стабилизатор тока и мостовой выпрямитель. Эта микросхема, например, применена в некоторых лампах торговой марки "Эра". На рис. 4 показана плата такой лампы мощностью 15 Вт с установленной микросхемой. Здесь, между прочим, следует обратить внимание не только на микросхему 1, но и на качество изготовления самой лампы. Соединение между платой и цоколем сделано отрезками проводов, но не с помощью пайки, а за счёт использования разъёма DZ2. При сборке лампы провода просто вставляют в разъём, где они фиксируются. На рис. 4 видно, что один из этих проводов 2 загнут и находится в опасной близости к другому.

Рис. 4. П лата лампы мощностью 15 Вт с установленной микросхемой

Рис. 5. Схема детектора перехода сетевого напряжения через ноль на микросхеме BP5133

Схема детектора перехода сетевого напряжения через ноль на микросхеме BP5133 показана на рис. 5. Схема включения этой микросхемы составлена исходя из её включения в светодиодной лампе. Ток стабилизации (около 1 мА) задан резистором R1 = 0,6/I_ст, длительность выходного импульса при напряжении 230 В и указанных на схеме элементах — 60. 80 мкс.

Для построения детекторов перехода сетевого напряжения через ноль можно применить и другие микросхемы линейных стабилизаторов напряжения, используемых в драйверах сетевых светодиодных ламп.

1. Басов Г., Исаков С. Детектор нуля сетевого напряжения на оптроне. — Радио, 2022, № 6, с. 24-28.

2. PT4515. — URL: http://www. datasheet-pdf.com/PDF/PT451 5-Datasheet-Powtech-1227424 (20.05.22).

3. Нечаев И. Микросхема PT4515 и микро-мощные сетевые бестрансформаторные ИП на её основе. — Радио, 2019, № 5, с. 25-28.

4. SM2082D. — URL: https://datasheetspdf.com/pdf-file/934678/Linkage/ SM2082D/1 (20.05.22).

5. BP5131D. — URL: https://pdf1. alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/1132264/BPS/BP5131 D. html (20.05.22).

6. Нечаев И. Высоковольтные стабилизаторы тока в низковольтных цепях. — Радио, 2022, № 1, с. 57-59.

Автор: И. Ннчаев, г. Москва

Рекомендуем к данному материалу .

Мнения читателей

Нет комментариев. Ваш комментарий будет первый.

Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному выше материалу:

Высокоточный детектор перехода сетевого напряжения через ноль на двух транзисторах

Для многих приложений, использующих переменное напряжение 110/230 В, требуется детектирование перехода сетевого напряжения через ноль (zero-crossing-detection, ZCD), например, для синхронизации коммутации нагрузок. Один из методов ZCD основан на использовании высокоомного токоограничивающего резистора или резистивного делителя напряжения для измерения переменного напряжения на выводе контроллера. Однако такая схема ZCD имеет задержку, зависящую от порогового напряжения входа контроллера, наличия гистерезиса и скорости нарастания сетевого напряжения. Например, предположим, что напряжение в системе равно 230 В, 50 Гц, и резисторы делят напряжение на 100, то есть 230 В/100 = 2.3 В. Кроме того, предположим, что порог переключения входа микроконтроллера равен 1 В. Относительно напряжения сети 230 В этот пороговый уровень составляет 1 В×100 = 100 В. Таким образом,

дает задержку t = 1.43 мс, что составляет 14.3% от длительности полупериода – существенная ошибка.

Рисунок 1.

Эта простая двухтранзисторная схема точно определяет момент перехода входного сетевого напряжения через ноль.

На Рисунке 1 показана недорогая эффективная схема ZCD, использующая два стандартных транзистора. Цепь C₁, C₂, D₁, D₂ и R₁, подключенная непосредственно к сети переменного тока, образует простой однополупериодный выпрямитель, питающий схему ZCD. Q₁ служит выходным элементом схемы ZCD. Для компенсации напряжения база-эмиттер добавлен включенный диодом транзистор Q₂, ограничивающий положительную полуволну напряжения. Для повышения эффективности детектор должен распознавать периоды переменного тока при как можно более высоком напряжении. Этим требованием определяется выбор транзисторов. Q₂ и Q₁ – малошумящие малосигнальные транзисторы BC549B с максимальным напряжением коллектора, равным 30 В. При таком выборе напряжение 230 В необходимо ослабить до 30 В. (Для транзистора BC546 достаточно ослабления до 80 В). Таким образом, коэффициент деления делителя должен быть равен 30 В/230 В = 13.4%, и сопротивления резисторов должны соответствовать соотношениям

Сопротивления ограничивающих ток резисторов R₂ и R₃ должны быть достаточно большими. Выбор стандартного значения R₁ = 820 кОм означает, что

а ближайшее стандартное значение – 120 кОм. При таких сопротивлениях напряжение на транзисторе Q₂ ограничено значением

что меньше максимально допустимого для транзистора напряжения 30 В.

Во время положительного полупериода напряжение на базе Q₁, ток которой ограничивается резистором R₄, увеличивается примерно до 0.6 В. Q₂ работает как постой диод. Таким образом, когда напряжение превышает 0 В, Q₂ смещен в обратном направлении и блокирует протекание любого тока. При 0 В Q₂ смещен в прямом направлении, но поддерживает напряжение 0.6 В на переходе база-эмиттер (V_BE). Таким образом, напряжение на коллектор и базе Q₂, подключенным к базе Q₁, остается на уровне 0.6 В. В положительном полупериоде транзистор Q₁ насыщен, и выходное напряжение близко к нулю. В отрицательном полупериоде, когда напряжение меньше 0 В, ток течет через Q₂. Поэтому напряжение на базе Q₁, подключенной к коллектору Q₂, падает ниже 0.6 В, что приводит к закрыванию Q₁, и уровень выходного напряжения становится высоким. Обратите внимание, что напряжение на базе Q₁ может достигать примерно –30 В относительно Q₂; для защиты перехода Q₁ от напряжения выше –1 В можно добавить ограничивающий диод D₃.

Для чего нужен детектор нуля

Детектор нуля (Zero Cross Detector)

Автор: Рудаков Г. В.

Момент включения симистора, определяет величину проходящей синусоиды, которая, в свою очередь, определяет выходную мощность. Микроконтроллер может управлять моментом включения симистора, однако для этого ему нужно точно знать, когда синусоида пересекается с нулем. Рассмотрим найденную в просторе Интернета интересную реализацию такого детектора (рисунок 1).

Рисунок 1 – Схема детектора нуля (zero cross detector).

Преимуществом данной схемы для меня стало наличие гальванической развязки. На рисунке 2 представлено небольшое пояснение работы детектора..

Рисунок 2 – Принцип работы детектора нуля.

Каждому пересечению синусоиды с нулем соответствует импульс. Так как синусоида за период дважды пересекает нуль, то частота следования импульсов на выходе детектора нуля будет не 100Гц, если частота напряжения в сети 50Гц.

Печатная плата детектора представлена на рисунке 3, габариты которой 60×40мм. Собранный детектор, изображен на рисунке 4.

Рисунок 3 – Печатная плата детектора нуля.

Рисунок 4 – Детектор нуля. Общий вид.

Диодный мост любой, маломощный. Вместо импортных транзисторов BC547, можно применить отечественный аналог КТ3102.

Собранная схема не нуждается в настройке. Проверку работоспособности осуществляем измерением частоты следования импульсов между первой и второй ножкой оптопары мультиметром или осциллографом.

Для чего нужен детектор нуля

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 V_CC и ниже GND. Любое напряжение превышающее V_CC + 0,5 В, будет ограничено на уровне V_CC + 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.