Высокоточный детектор перехода сетевого напряжения через ноль на двух транзисторах

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,

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

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 (V_BE). 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