Простой малопотребляющий детектор пересечения нуля

Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2017

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 V_O формируется сигнал с нарастающими фронтами, синхронизированными с моментами пересечения нуля сетевым напряжением V_AC. Схему легко изменить так, чтобы этот сигнал синхронизировался со спадающими фронтами V_AC.

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 V_AC 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 V_I(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 V_LED – 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.

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 V_I(t), когда ток I_C(t) < 0 (Рисунок 1). Его максимальное значение ограничено емкостью конденсатора, пиковым значением напряжения питания V_AC-PEAK и максимально допустимым временем задержки t_DELAY 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 t_DELAY нарастающих фронтов тока светодиода и рассеиваемая мощность для трех различных сопротивлений резистора R₁. Обратите внимание, что время задержки передних фронтов V_O относительно моментов пересечения нуля сетевым напряжением V_AC 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 V_AC = 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, t_DELAY = 114 мкс (задержка между передним фронтом V_O и моментом пересечения нуля напряжением V_AC) и P ≈ 100 мВт (средняя мощность, потребляемая от сети).

Рисунок 3.	Практические результаты для VAC = 230 В с.к.з., C = 0.5 нФ и R1 = 560 кОм.

• Для V_AC = 115 В с.к.з. ±20% (Рисунок 3): C = 1 нФ/200 В, R₁ = 220 кОм/0.25 Вт, t_DELAY = 130 мкс (задержка между передним фронтом V_O и моментом пересечения нуля напряжением V_AC) и P ≈ 65 мВт (средняя мощность, потребляемая от сети).

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.

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 V_AC = 267 В с.к.з., C= 1 нФ и R₁ = 220 кОм. Дополнительные результаты представлены Рисунками 6 и 7.

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.

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