Датчик перехода через ноль

Luca Matteini, Италия

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

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

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

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

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

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

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

Рисунок 4.	Чтобы в деталях рассмотреть процессы в точке пересечения нуля, можно использовать растяжку и свойство послесвечения осциллографа.

Ссылки

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

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Luca Matteini, Италия

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

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

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

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

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

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

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

Рисунок 4.	Чтобы в деталях рассмотреть процессы в точке пересечения нуля, можно использовать растяжку и свойство послесвечения осциллографа.

Ссылки

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

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Детектор перехода через ноль

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

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

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

Рис. 2 детектор нуля, схема

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