При построении систем фазового контроля необходимо иметь информацию о моментах перехода сетевого напряжения через ноль. Представленный прибор делает это очень точно, дополнительно указывая направление прохода.
Самая простая схема детектора перехода через ноль состоит всего из нескольких элементов — двух резисторов и двух оптронов. К сожалению, в этом случае точность определения пересечения через ноль очень низкая.
Причина низкой точности кроется в принципе работы: свет светодиода оптопары насыщает фототранзистор только при мгновенном значении сетевого напряжения в районе десяти вольт. Этого достаточно для большинства приложений, но для более требовательных систем необходимо более точное определение перехода.
Представленная в данной статье схема детектора включает в себя активный тракт обнаружения нулевого напряжения.
Принципиальная схема
Описание работы
Операционный усилитель US1A (TL082) работает по схеме идеального однополупериодного выпрямителя. Когда напряжение сети (приложенное к контакту 2) больше нуля, выход усилителя переходит к отрицательному потенциалу источника питания.
В это время диод VD8 (1N4148) не проводит, а VD7 (1N4148) проводит. Ток через диод VD7 поступает из цепи резистора R8 и входных резисторов R6 и R7. В результате напряжение на выходе выпрямителя (после резистора R8) равно нулю.
При отрицательном полупериоде на входе этой схемы — напряжение на выходе US1A возрастает выше нуля. Диод VD7 не проводит, а VD8 проводит. Ток с выхода протекает через диод VD8 и резистор R8 и компенсирует снижение потенциала инвертирующего входа. Напряжение после выпрямителя положительное, и его амплитуда затухает в двадцать раз по отношению к сетевому напряжению. Это связано с соотношением резисторов R8/(R6+R7).
Пиковое напряжение после этого выпрямителя должно быть 16 В, но напряжение питания слишком низкое, поэтому выходное напряжение будет около 10 В. На входе выпрямителя также имеется ограничитель амплитуды (диоды VD5 (1N4148) и VD6 (1N4148)) для защиты схемы от повреждений. Амплитуда сетевого напряжения ограничена значением около 13,7 В.
За выпрямителем находится простой триггер Шмитта, который формирует сигнал прямоугольной формы из входящего полувыпрямленного синусоидального сигнала. Опорное напряжение для этого триггера поступает с делителя напряжения на резисторах R4, R5 и составляет около 180 мВ. Он должен быть немного больше нуля, чтобы:
- Смещение напряжения обоих операционных усилителей не вызвало сбоев в работе системы (отсутствие реакции на триггер).
- Можно было выключать триггер (рост входного напряжения выше опорного потенциала) и включать его (снижение ниже этого потенциала).
Гистерезис обеспечивается резистором R9. Благодаря такому решению отсутствуют колебания при переключении выхода триггера в противоположное состояние.
Напряжение, смещающее точку срабатывания триггера Шмитта, заставляет систему реагировать на сетевое напряжение, проходящее через значение примерно 3,6 В. Результирующий временной сдвиг составляет примерно 35 мкс, т. е. всего 0,2% всего периода.
По сравнению с простыми схемами обнаружения перехода через ноль, этот результат несравненно лучше и, что немаловажно, легко реализуем. Можно попробовать увеличить сопротивление резистора R4 и таким образом приблизить точку обнаружения непосредственно к нулю.
В качестве операционного усилителя выбран TL082 — не просто так. Во-первых, его вход построен на транзисторах JFET, что обеспечивает компенсацию токов, поляризующих входной каскад. Во-вторых, данный операционный усилитель характеризуется относительно высокой скоростью нарастания выходного напряжения, порядка 13 В/мкс, что имеет большое значение при работе в качестве триггера.
Выход усилителя US1B (TL082) выдает готовую информацию о моментах перехода через ноль, но выходной сигнал для безопасности должен быть гальванически развязан. Поскольку передаваемая информация это только ноль или единица, то для развязки использована оптопара.
В цепи оптопары есть место для резистора R11, благодаря которому достаточно подать на выводы разъема J2 напряжение примерно 5 В, и на среднем выводе появятся прямоугольные импульсы. Увеличение номинала R11 позволяет работать при более высоком напряжении, но это негативно скажется на параметрах системы.
Для правильной работы системы необходимо обеспечить двухполярное питания. Поскольку вся система подключена к сети, использование трансформатора было бы не логично. Поэтому в схеме использована бестрансформаторная схема питания с двумя стабилитронами.
В положительный полупериод сетевого напряжения диод VD1 (SM4007) открывается, тем самым перезаряжая конденсатор С2. Аналогично отрицательный полупериод открывает VD4 (SM4007) , заряжая конденсатор C3. Отключение системы от сети может произойти в любой момент, поэтому конденсатор С1 может быть заряжен до потенциально высокого напряжения. Резисторы R2 и R3 служат для его разрядки. Резистор R1 ограничивает зарядный ток С1 в ситуации, когда включение происходит в момент высокого значения сетевого напряжения.
Монтаж и наладка
Система прецизионного детектора собрана на односторонней печатной плате размерами 78×53 мм. На плате есть одна проволочная перемычка, о которой нельзя забывать. Резисторы выделяют некоторое количество тепла, особенно R6 и R7, поэтому их стоит припаять с удлиненными ножкам, на небольшом расстоянии от поверхности платы.
Правильно собранная схема готова к работе и не требует проведения пуско-наладочных работ. Схема приспособлен для работы с синусоидальным напряжением со среднеквадратичным значением 230 В и частотой 50 Гц. Потребление тока от сети составляет около 35 мА (действующее значение), но значительная часть рассеиваемой мощности приходится на реактивную емкость.
Осциллограмма выходного напряжения (желтый цвет) на фоне напряжения сети (синий цвет). На рисунке видно, что переход через нуль с положительной производной соответствует нарастающему фронту прямоугольного сигнала, а отрицательному — спадающему фронту.
Скачать рисунок печатной платы (10,4 KiB, скачано: 7)
