Изолированный цифровой индикатор сетевого напряжения отличает 120 В от 220 В

Журнал РАДИОЛОЦМАН, март 2016

Edward K. Miguel

Electronic Design

В этой простой схеме оптоизолятор управляет стандартным транзистором 2N2222, низкий или высокий уровень на коллекторе которого индицирует напряжение сети – 120 В или 220 В.

Для таких приложений как драйверы двигателей или источники питания часто требуется знать, чему равно напряжение в сети. Показанная на Рисунке 1 схема контролирует напряжение сети переменного тока и обеспечивает простейшую индикацию, открывая выходной транзистор при входном напряжении 120 В и закрывая при напряжении 220 В.

Рисунок 1.	При входном напряжении 220 В AC светодиоды оптрона выключают транзистор Q1, а при напряжении 120 В AC – включают.

Идея схемы исключительно проста и заключается в том, чтобы при напряжении 220 В сделать ток входных светодиодов достаточным для открывания внутреннего транзистора оптрона и, соответственно, для выключения транзистора Q1. (Используется стандартный транзистор 2N2222). В то же время, при входном напряжении 120 В фототранзистор должен оставаться закрытым, чтобы уровень выходного напряжения схемы был низким. В качестве оптоизолятора U1 был выбран H11AA1 по той причине, что этот прибор сертифицирован для использования в приложениях, работающих под напряжением сети.

Входное переменное напряжение проходит через резисторы R1 и R2 и встречно-параллельные светодиоды оптрона U1. Для минимизации характерной для оптронов деградации коэффициента передачи ток светодиода установлен на минимальном уровне, равном примерно 1 мА для напряжения 120 В и 2 мА для напряжения 220 В [1…3]. «Пички» напряжения, возникающие на выходе U1, когда входное напряжение пересекает ноль, и оба светодиода оптрона закрыты, имеют наименьшую ширину при напряжении 220 В, поскольку фототранзистор входит в режим насыщения.

Пройдя через RC фильтр с постоянной времени 0.7 с, эти «пички» сглаживаются, усредненное напряжение не может включить Q1, и уровень выходного сигнала остается высоким. Поскольку для полного открывания фототранзистора напряжения 120 В недостаточно, на выходе оптрона, подтянутом к +5 В резистором R3, будет высокое напряжение, которое, пройдя через фильтрующую цепочку C1/R4, откроет Q1 до полного насыщения. Фактически, Q1 работает как компаратор с низким коэффициентом усиления, который медленно переключается между противоположными состояниями относительно «порогового» уровня 150 … 170 В сетевого напряжения 50/60 Гц.

При сетевом напряжении 120 В в течение примерно одной секунды после включения питания, пока происходит заряд конденсатора, выходное напряжение нарастает до максимального уровня, а затем падает вниз. Наличие такое временного состояния должно приниматься во внимание и, если требуется, игнорироваться внешней схемой управления. Если заранее известно, что частота напряжения 120 В всегда будет равна 60 Гц, а напряжения 220 В – 50 Гц, и если внешняя схема, принимающая сигналы индикатора, способна измерять временные интервалы, то конденсатор C1 можно удалить. В таком случае на выходе схемы будут наблюдаться прямоугольные импульсы, которые можно использовать для измерения длительности полупериода сетевого напряжения (8.33 мс для 120 В, и 10 мс для 220 В). Кроме того, если выход подключен к низкоимпедансной нагрузке, рекомендуется буферизовать его обычным эмиттерным повторителем.

Ссылки

Материалы по теме