Радиолоцман Электроника en
расширенный поиск +
  

06-01-2016

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 VIN 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 VE. 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.

Изолированная схема контроля напряжения сети переменного тока
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 tTOTAL, определяемой временем, в течение которого VIN превышает напряжение разрешения VE (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.

Изолированная схема контроля напряжения сети переменного тока
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 tON наступления этого перехода:

В связи с тем, что функция косинуса симметрична относительно нуля, время tON составляет половину общего времени tTOTAL, 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.

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Isolated circuit monitors ac line

Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • Первое что засомневало. Делал я детектор перехода напряжения через ноль, тоже на основе момента включения/выключения оптрона, и заметил что на ту мою схему значительно влияют помехи в электросети. Наверное и в этой схеме будет значительный джиттер из-за помех в сети. Нужна аппаратная фильтрация сигнала или программное усреднение результатов измерений, или и то и другое. Хотя, если схема нужна лишь как показометр, то пойдёт в изначальном виде. Ещё момент. Если применять схему для измерения напряжения в составе измерителя потребляемой мощности, или для расчёта амплитудного значения переменного напряжения, то можно получить неверные результаты. В современных электросетях форма напряжения может отличаться от синусоиды. Например, в частности, будут обрезаны вершины синусоиды. Данная схема лишь косвенно измеряет уровень "синусоиды", и этот факт нужно учитывать при построении общей схемы вашего измерительного устройства.
  • Слишком сложная зависимость ширины импульса от напряжения требует применения микропроцессора и индивудуальная калибровка каждого измерителя. Сие мне не под силу как и очень многим радиолюбителям. Делал синхронизацию сети так: понижающий транс, с его обмотки на активный полосовой фильтр на ОУ, далее формирователи плюсовой и минусовой полярности, формирователи по фронту и спаду нужной комбинации.
  • Вы абсолютно правы, dimmich. Схема фиксирует только действующее значение напряжения и пиковые значения можно получить лишь в результате вычислений, на что указывает и автор заметки. Причём, в условиях отсутствия "нуля" сделать это будет, мягко говоря, непросто. "Гладко было на бумаге, да забыл про овраги". В электронике, задача точного компарирования нуля является одной из основных и, на сегодняшний день, не имеет абсолютного решения. В схеме будут фиксироваться только "макушки" синусоиды положительной полярности со всеми возможными помехами, а всё остальное будет игнорироваться. :( И что здесь можно измерить?:confused: По этому, только контроль порога напряжения и не более того.
Рекомендуемые публикации по теме:
Схемы  »
Схема контроля напряжения сети переменного тока
Форум  »
Обсуждение: Мониторинг напряжения бортовой сети автомобиля. Часть 1 - Схема
Схемы  »
Мониторинг напряжения бортовой сети автомобиля. Часть 1 - Схема
Схемы  »
Простой драйвер для питания светодиодных светильников от сети переменного тока
Форум  »
Обсуждение: Простой драйвер для питания светодиодных светильников от сети переменного тока

При перепечатке материалов с сайта прямая ссылка на РадиоЛоцман обязательна.

Приглашаем авторов статей и переводов к публикации материалов на страницах сайта.

Литиевые ХИТы FANSO или что нужно знать инженеру о батарейках (материалы вебинара)
Пассивные компоненты для передовых разработок
Срезы ↓
Новая Инженерная Школа
Новая Инженерная Школа
Курсы и семинары для инженеров, технологов, разработчиков и конструкторов предприятий приборостроения.
Рейтинг@Mail.ru