Высокоточный детектор перехода сетевого напряжения через ноль на двух транзисторах

Fairchild BC549B

Для многих приложений, использующих переменное напряжение 110/230 В, требуется детектирование перехода сетевого напряжения через ноль (zero-crossing-detection, ZCD), например, для синхронизации коммутации нагрузок. Один из методов ZCD основан на использовании высокоомного токоограничивающего резистора или резистивного делителя напряжения для измерения переменного напряжения на выводе контроллера. Однако такая схема ZCD имеет задержку, зависящую от порогового напряжения входа контроллера, наличия гистерезиса и скорости нарастания сетевого напряжения. Например, предположим, что напряжение в системе равно 230 В, 50 Гц, и резисторы делят напряжение на 100, то есть 230 В/100 = 2.3 В. Кроме того, предположим, что порог переключения входа микроконтроллера равен 1 В. Относительно напряжения сети 230 В этот пороговый уровень составляет 1 В×100 = 100 В. Таким образом,

Держим старые цены на MEAN WELL весь июль!

дает задержку t = 1.43 мс, что составляет 14.3% от длительности полупериода – существенная ошибка.

Эта простая двухтранзисторная схема точно определяет момент перехода входного сетевого напряжения через ноль.
Рисунок 1. Эта простая двухтранзисторная схема точно определяет момент перехода
входного сетевого напряжения через ноль.

На Рисунке 1 показана недорогая эффективная схема ZCD, использующая два стандартных транзистора. Цепь C1, C2, D1, D2 и R1, подключенная непосредственно к сети переменного тока, образует простой однополупериодный выпрямитель, питающий схему ZCD. Q1 служит выходным элементом схемы ZCD. Для компенсации напряжения база-эмиттер добавлен включенный диодом транзистор Q2, ограничивающий положительную полуволну напряжения. Для повышения эффективности детектор должен распознавать периоды переменного тока при как можно более высоком напряжении. Этим требованием определяется выбор транзисторов. Q2 и Q1 – малошумящие малосигнальные транзисторы BC549B с максимальным напряжением коллектора, равным 30 В. При таком выборе напряжение 230 В необходимо ослабить до 30 В. (Для транзистора BC546 достаточно ослабления до 80 В). Таким образом, коэффициент деления делителя должен быть равен 30 В/230 В = 13.4%, и сопротивления резисторов должны соответствовать соотношениям

Сопротивления ограничивающих ток резисторов R2 и R3 должны быть достаточно большими. Выбор стандартного значения R1 = 820 кОм означает, что

а ближайшее стандартное значение – 120 кОм. При таких сопротивлениях напряжение на транзисторе Q2 ограничено значением

что меньше максимально допустимого для транзистора напряжения 30 В.

Во время положительного полупериода напряжение на базе Q1, ток которой ограничивается резистором R4, увеличивается примерно до 0.6 В. Q2 работает как постой диод. Таким образом, когда напряжение превышает 0 В, Q2 смещен в обратном направлении и блокирует протекание любого тока. При 0 В Q2 смещен в прямом направлении, но поддерживает напряжение 0.6 В на переходе база-эмиттер (VBE). Таким образом, напряжение на коллектор и базе Q2, подключенным к базе Q1, остается на уровне 0.6 В. В положительном полупериоде транзистор Q1 насыщен, и выходное напряжение близко к нулю. В отрицательном полупериоде, когда напряжение меньше 0 В, ток течет через Q2. Поэтому напряжение на базе Q1, подключенной к коллектору Q2, падает ниже 0.6 В, что приводит к закрыванию Q1, и уровень выходного напряжения становится высоким. Обратите внимание, что напряжение на базе Q1 может достигать примерно –30 В относительно Q2; для защиты перехода Q1 от напряжения выше –1 В можно добавить ограничивающий диод D3.

Материалы по теме

  1. Datasheet Vishay 1N5231
  2. Datasheet Fairchild BC549B

EDN

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Two transistors form high-precision, ac-mains ZCD

Изготовление 1-4 слойных печатных плат за $2

22 предложений от 16 поставщиков
транз: NPN 45V 0,1A hоэ 200-450, 0,5W, 100Мгц TO92 упаковка-1000
Элитан
Россия
BC549B
Diotec
0,02 ₽
BC549B (Philips-BC547B,112)
Philips
0,60 ₽
Зенер
Россия и страны ТС
BC549B
ON Semiconductor
по запросу
Кремний
Россия и страны СНГ
BC549B
Fairchild
по запросу
ADAR3000/3001 16-канальный формирователь диаграммы направленности для К/Ка диапазона частот от Analog Devices
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • Приветствую всех! Лично меня эта статья зацепила и сейчас объясню, почему. Начнём по порядку: 1)первая формула не верна, речь идет о сети 230 В, но это - эффективное значение напряжения, а в гармоническую функцию нужно подставлять амплитудное 2)на схеме указан неполярный конденсатор 100 мкФ, хм... Наверное, речь, всё-таки о нано или пикофарадах 3)не понятна необходимость применения Q2. Q1 и Q2 работают в неравных условиях, при неравных токах эмиттеров, и их напряжения БЭ не равны. Плохонькая компенсация получается, и без ущерба здесь можно применить обычный диод 4)дальше увязывается коэффициент передачи делителя с максимально допустимым напряжением колектора примененных транзисторов, очень странно... 5)"При таких сопротивлениях напряжение на транзисторе Q2 ограничено значением" - напряжение на транзисторе, просто ужас... Это, кстати, в контексте пункта 4 6)когда потенциал в точке Vac станет достаточно высоким, наступит электрический пробой перехода БЭ транзистора Q2. Это напряжение находится в пределах 6 - 8 В, независимо от типа транзистора. Поэтому вот эта фраза: "Таким образом, когда напряжение превышает 0 В, Q2 смещен в обратном направлении и блокирует протекание любого тока" - тоже неверна. А вот если применить обычный диод или , хотя-бы, переход КБ того же Q2 - всё будет хорошо 7)"Обратите внимание, что напряжение на базе Q1 может достигать примерно –30 В относительно Q2; для защиты перехода Q1 от напряжения выше –1 В можно добавить ограничивающий диод D3." - безграмотность, не будет на базе таких напряжений никогда, уже говорилось в пункте 6 Целесообразность диода D3 тоже не ясна, ведь сам по себе электрический пробой БЭ перехода не страшен, если не ведет к тепловому. Да и сам автор, похоже не знает, нужен он здесь, или не нужен. И вот я так впечатлился всем этим, что не смог не написать комментарий. Хочу теперь знать, прав я, или нет?
  • Схема действительно весьма мутная. Автору бы проверить её на практике. Плюс с гальванической развязкой не очень. И чем хуже схемы, которая тут же выкладывалась? [url]https://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=125698[/url]
  • Смоделировал в Ltspice. Переход через ноль в плюс отслеживается с точностью около 0,1мс (опережает). А в обратную сторону - до 0,7 мс (запаздывает), т.е хреново.
  • Долго писал первый комментарий и опубликовалось без ника. То была критика, а теперь предложение: нагрузить Q1 простым генератором тока на pnp транзисторе, Q2 заменить простым диодом. Установить ток эмиттера Q1 побольше, чтобы крутизна была выше. Повыситься чувствительность и те же 2 транзистора останутся. Что скажете?
  • Исправлено
  • На этом форуме сравнительно недавно была опубликована популярная схема ZCD с высокой симметричностью. Получая сигнал от такой схемы, МК без проблем вычислит момент истинного ноля, т.к. частота сети МК известна, мало того она может быть и вычислена. Вот только я ни разу не видел, чтобы такое делалось. Наверное потому, что высокая точность ZCD никому нафиг не нужна.
  • Мне когда то надо было определять переход через 0 с приемлемой точностью - так я использовал два оптрона РС817 со встречно-параллельным включением диодов через резистор. Так как данная схема не имела никаких гистерезисов, то переход через 0 легко рассчитывался МК по середине этого импульса. Точность была пара мкс.
  • [b]orinoko[/b], наверняка временная пауза около перехода через ноль была существенной. А если взять наиболее чувствительные оптроны с мин. вх. током (до 40...1 мкА), то временная пауза нуля уменьшится до каких-либо мкс? Защита от вх. перегрузки - 2 полярным стабилитроном.
  • А зачем Вам понадобилась такая точность, позвольте полюбопытствовать?
  • IMHO очередная отсылка к книге "Искусство схемотехники". Хоровиц и Хилл. Там есть реплика про ненужную точность в расчетах, которую преследуют начинающие и про пагубную полезность доступных калькуляторов при этом. :-D Х.з. что нужно ТС, но с доступной теорией по zero cross detection можно ознакомиться по документу AN236 X-10 Home Automation от Microchip. [url]http://ww1.microchip.com/downloads/en/Appnotes/00236B.pdf[/url]
  • Для данного метода расчёта перехода через 0 это было несущественно, от слова "совсем" Разрабатывалось испытательное оборудование. Для его работы необходимо было иметь два временные точки - "переход через 0" и "середина полупериода". Высокая точность не предусматривалась (это видно по схемотехнике), но простая математика на МК позволило с запасом получить необходимые метрологические характеристики.
  • Коррекцию по нестабильности частоты и величины нелинейных искажений забыли. :)
  • Товарищ [B]shindax[/B] назвал меня дофига умным, не имея никаких исходных данных к этой предпосылке, поэтому не вижу смысла дальнейшего разговора.
  • Большое спасибо! Не забывайте, что люди, перейдя по ссылке на РЛ и начав читать про эту схему, возможно, захотят её повторить. Потом, пролистав вниз, увидят это обсуждение и начнут его читать. Пока итог такой: схема так себе и по схемотехнике и по характеристикам, и никто с этим не спорит. Мы предостерегли от непредусмотрительного копирования посредственную схему, пусть и опубликованную в авторитетном журнале (EDN). Полезное дело сделали! Но, как всегда бывает на российских форумах, участников куда-то понесло... Да, пожалуй, это можно добавить к остальным недостаткам
  • Согласен, когда в схеме МК, что уж здесь схематику городить. Но мне приходится работать с чистой аналоговой частью без МК и здесь выгодно использовать вашу схему с двумя встречно-параллельно включённых оптронами при минимально возможных входных токах. На выходе идеальный микроимпульс перехода нуля.
Полный вариант обсуждения »