Изолированная схема контроля напряжения сети переменного тока

Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2015

David Williams

EDN

На Рисунке 1 изображена схема недорогого устройства, измеряющего уровень напряжения в сети переменного тока и, кроме того, имеющая еще ряд полезных применений. Анализ этой схемы весьма прост. Когда переменное напряжение на входе V_IN положительно относительно нейтрального провода, оно оказывается приложенным к цепочке элементов R₁, R₂, D₁ и к светодиоду оптоизолятора IC₁. Ток через эту цепь проходит тогда, когда напряжение достаточно высоко для того, чтобы включить стабилитрон D₁ и светодиод оптрона. Напряжение открывания этой пары диодов назовем напряжением разрешения и обозначим V_E. Напряжение пробоя стабилитрона и прямое падение напряжения на светодиоде оптрона равны, соответственно, 47 В и 1.2 В, что в сумме дает 48.2 В. При любом напряжении, не достигшем этого значения, уровень выходного напряжения оптрона будет высоким. Когда напряжение превысит напряжение разрешения, транзистор оптоизолятора откроется и переключит выход в низкое состояние. В таком состоянии выход будет оставаться до тех пор, пока входное напряжение вновь не опустится ниже порога разрешения.

Рисунок 1.	Ширина импульса на выходе этого простого монитора напряжения сети переменного тока пропорциональна уровню входного напряжения.

В результате на выходе схемы будут формироваться прямоугольные импульсы с постоянной длительностью t_TOTAL, определяемой временем, в течение которого V_IN превышает напряжение разрешения V_E (Рисунок 2). Если входное напряжение изменится от 120 до 144 В, прямоугольные импульсы станут шире, если напряжение упадет, ширина импульсов уменьшится. Чтобы вывести формулу для этой схемы, будем считать форму входного сигнала косинусоидальной.

Рисунок 2.	Временные диаграммы сигналов схемы.

Поскольку в нулевой момент времени входное напряжение максимально, оптоизолятор в это время открыт, и его выходное напряжение имеет низкий уровень, который сохраняется до тех пор, пока напряжение на входе не опустится ниже порога разрешения. Следующая формула позволяет определить момент t_ON наступления этого перехода:

В связи с тем, что функция косинуса симметрична относительно нуля, время t_ON составляет половину общего времени t_TOTAL, в течение которого выходное напряжение имеет высокий уровень. Входы таймеров подавляющего большинства современных микроконтроллеров способны работать в режиме захвата, поэтому простейшим способом определения входного напряжения будет измерение ширины импульса как функции от амплитуды входного сигнала и вычисление VIN по следующей формуле

Преобразовать на основании этой формулы длительность импульса во входное напряжение можно как программно, так и с помощью просмотровой таблицы. Не забывайте, что в формулах мы оперировали пиковыми значениями напряжений, так что при необходимости вам потребуется перевести их в среднеквадратичные значения. Эту схему, частота выходного сигнала которой не зависит от коэффициента заполнения и равна 60 Гц, вы можете использовать в качестве источника синхронизации или для измерения времени. Потенциально ее можно использовать и в драйверах для привязки переключения нагрузки к моментам пересечения нуля, если, основываясь на измеренном напряжении, экстраполировать сигналы схемы назад во времени, так как фронты импульсов смещены относительно реального пересечения нуля.

Следует обратить внимание также на следующее. D₂ защищает светодиод оптрона во время отрицательной полуволны входного напряжения. В большинстве случаев на светодиод оптоизолятора это влияния не оказывает, поскольку обратный ток схемы гарантирует, что допустимое обратное напряжение светодиода превышено не будет. Тем не менее, лучшим способом ограничения напряжения на входе оптоизолятора является включение параллельного диода. Добавление этого диода увеличивает ток потребления схемы более чем вдвое, и, ввиду того, что этот ток течет из сети, он может создавать проблемы в отношении мощности, рассеиваемой резисторами на входе схемы.

Если вам требуется более высокая точность оценки входного напряжения, с помощью некоторых усовершенствований характеристики схемы можно улучшить. Основным источником погрешности является стабилитрон, напряжение стабилизации которого имеет разброс 5%. Эти 5% могут порождать весьма значительную ошибку определения входной амплитуды. Улучшить точность схемы можно выбором более точного стабилитрона, или же калибровкой каждой платы путем подачи на ее вход известного напряжения и записи этих параметров в память в качестве постоянных коэффициентов.