Простой малопотребляющий детектор пересечения нуля

Avago Technologies HCPL-4701

Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2017

C Castro-Miguens, M Pérez Suárez, JB Castro-Miguens

EDN

Существует немало описаний схем детекторов пересечения нуля, используемых в сетях 50 и 60 Гц. Несмотря на многочисленность предлагаемых вариантов, многие из них не лишены серьезных недостатков. В этой статье показана схема, содержащая всего несколько общедоступных компонентов и обеспечивающая хорошие характеристики при низком потреблении мощности.

В изображенной на Рисунке 1 схеме на выходе VO формируется сигнал с нарастающими фронтами, синхронизированными с моментами пересечения нуля сетевым напряжением VAC. Схему легко изменить так, чтобы этот сигнал синхронизировался со спадающими фронтами VAC.

Простой малопотребляющий детектор пересечения нуля
Рисунок 1. Детектор пересечения нуля сделан на нескольких компонентах и потребляет очень
небольшую мощность. Нарастающие фронты сигнала VO совпадают с моментами
пересечения нуля сетевым напряжением VAC.

Схема работает следующим образом. При пересечении нуля напряжением VAC ток через конденсатор и светодиод оптрона HCPL-4701 описывается приведенным ниже Выражением 1. Выражение 2 отражает стандартную взаимосвязь между радианами в секунду и герцами, а также вводит определение переменной VI(t). Выражения 3 и 4 представляют собой упрощенную форму Выражения 1. В связи с тем, что падение напряжение на светодиоде практически постоянно, производная этого напряжения по времени равно нулю.

  (1)

где

и

  (2)
  (3)

поскольку

  (4)

(так как VLED – приблизительно константа).

Пиковое значение протекающего через светодиод тока зависит от емкости конденсатора C, поэтому выбирать величину этой емкости вы должны такой, чтобы в начальный момент времени для данного минимального значения напряжения питания интенсивность излучения светодиода превышала пороговый уровень переключения оптрона. В случае использования оптрона HCPL-4701 этот ток равен 40 мкА.

Диод D1 не только создает цепь разряда конденсатора, но и защищает светодиод от обратного напряжения. Максимально допустимое обратное напряжение на входе HCPL-4701 равно 2.5 В.

Простой малопотребляющий детектор пересечения нуля
Рисунок 2. Зависимость тока светодиода от входного сетевого напряжения при
различных сопротивлениях резистора R1. Показано время задержки между
моментом пересечения нуля и током светодиода.

Резистор R1 включен для того, чтобы разряжать накапливаемую конденсатором энергию в последней фазе каждого цикла VI(t), когда ток IC(t) < 0 (Рисунок 1). Его максимальное значение ограничено емкостью конденсатора, пиковым значением напряжения питания VAC-PEAK и максимально допустимым временем задержки tDELAY между нарастающим фронтом тока светодиода и соответствующим моментом пересечения нуля сетевым напряжением (Рисунок 2). Минимальное значение ограничено максимально допустимой мощностью рассеяния резистора R1

Посмотрим, как достичь практического компромисса.

В Таблице 1 показаны времена задержки tDELAY нарастающих фронтов тока светодиода и рассеиваемая мощность для трех различных сопротивлений резистора R1. Обратите внимание, что время задержки передних фронтов VO относительно моментов пересечения нуля сетевым напряжением VAC должно включать дополнительную задержку, вносимую оптроном. Типовое время задержки распространения в оптроне HCPL-4701 равно 70 мкс.

Таблица 1. Задержка переднего фронта импульса тока
светодиода при разных значениях R1
R1 tDELAY (мкс) V2AC с.к.з./R1 (мВт)
470 кОм 60 112.5
820 кОм 100 64.5
4.7 МОм 450 11.2

На основе приведенной выше информации были получены следующие практические значения C и R1:

  • Для VAC = 230 В с.к.з. ±20% (Рисунок 3): C = 0.5 нФ/400 В (металлопленочный лавсановый MKT-HQ 370), R1 = 560 кОм/0.25 Вт, tDELAY = 114 мкс (задержка между передним фронтом VO и моментом пересечения нуля напряжением VAC) и P ≈ 100 мВт (средняя мощность, потребляемая от сети).
Простой малопотребляющий детектор пересечения нуля
Рисунок 3. Практические результаты для VAC = 230 В с.к.з.,
C = 0.5 нФ и R1 = 560 кОм.
  • Для VAC = 115 В с.к.з. ±20% (Рисунок 3): C = 1 нФ/200 В, R1 = 220 кОм/0.25 Вт, tDELAY = 130 мкс (задержка между передним фронтом VO и моментом пересечения нуля напряжением VAC) и P ≈ 65 мВт (средняя мощность, потребляемая от сети).
Простой малопотребляющий детектор пересечения нуля
Рисунок 4. Практические результаты для VAC = 115 В с.к.з., C = 1 нФ и R1 = 220 кОм.
  • Для работы в диапазоне от 80 до 280 В с.к.з.: C = 1 нФ/400 В и R1 = 330 кОм/0.25 Вт.
Простой малопотребляющий детектор пересечения нуля
Рисунок 5. Практические результаты для VAC = 267 В с.к.з.,
C = 1 нФ и R1 = 220 кОм.

На Рисунке 5 показаны осциллограммы напряжений в схеме при VAC = 267 В с.к.з., C= 1 нФ и R1 = 220 кОм. Дополнительные результаты представлены Рисунками 6 и 7.

Простой малопотребляющий детектор пересечения нуля
Рисунок 6. Практические результаты для VAC = 114 В с.к.з.,
C = 1 нФ и R1 = 560 кОм.

Обратите внимание, что при настройке ограничителя, как и при работе с любым другим устройством, подключаемым непосредственно к сети, необходимо проявлять особую осторожность. Учитывайте эту специфику схемы и при конструировании печатной платы.

Простой малопотребляющий детектор пересечения нуля
Рисунок 7. Практические результаты для VAC = 228 В с.к.з.,
C = 1 нФ и R1 = 560 кОм.

Материалы по теме

  1. Datasheet Avago Technologies HCPL-4701

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Low-component-count zero-crossing detector is low power

HCPL-4701 Купить ЦенаКупить HCPL-4701 на РадиоЛоцман.Цены — от 25,32 до 202
27 предложений от 18 поставщиков
Быстродействующие оптопары 100kBd 3500%CTR
AliExpress
Весь мир
Новые оригинальные HCPL-4701 SOP-8 A4701 в наличии
25 ₽
Стандарт СИЗ
Россия
HCPL-4701-000E
Avago Technologies
65 ₽
ЗУМ-СМД
Россия
HCPL-4701-360E
Broadcom
по запросу
ЭлектроПласт
Россия
HCPL4701-020
по запросу
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • Не понятен сам смысл регистрации момента пересечения нуля. Какое практическое применение можно найти данной схеме? Ведь на глаз мы этого всё равно не заметим ,т.к. частота обновления информации гораздо больше 24-х Герц. Может для чего то другого это надо? А для чего? и так понятно, что переменное напряжение пересекает линю нуля неоднократно.
  • [b]Vakhtang[/b], при пересечении нуля происходят все коммутации высоковольтных цепей
  • [b]Bobr_[/b] абсолютно прав. На схеме ошибочно указан номинал сопротивления R1=0,25 Ом, нужно указать Мегаом, 0,25 Мом.
  • спасибо, об этом не подумал.
  • может для поделок - сампансклепав это и прокатит, он для серьезных устройств врядли... емкость с оптроном создают нелинейную RC цепь сдвигающую фазу сигнала на хреновых осках это вполне можно увидеть. управляемые выпрямители и регуляторы мощности тоже? :)
  • вот не знаю, если честно :) Я имел ввиду разъединители на силовых цепях, включение-отключение защит, подключение высоковольтных линий, мощного оборудования, фидеров и далее прочее...
  • Исправлена опечатка. Мощность резистора R1 = 0.25 Вт, а номиналы сопротивления указаны в Таблице 1
  • Красиво, на оптроне одновременно развязка и выделение нуля. Единственное, четвертушка резистор имхо на сетевое напряжение как бы не предназначен. Надобно полуватник. По причине ограничения максимального допустимого приложенного напряжения по нормативной документации.
Полный вариант обсуждения »