Zero-Crossing-detectoren - Bescherm gevoelige elektronische apparatuur effectief

Hoe zijn vermogensregelsystemen bestand tegen hoge inschakelstromen? Het lijkt een zware taak. Dit is echter waar nuldoorgangsdetectoren (ZCD) van pas komen.

Met nuldoorgangsdetectie zal de overgang van een signaalgolfvorm naadloos plaatsvinden. Daarom is een kruisingsdetectorcircuit belangrijk voor systemen die een tijdsinterval vereisen.

We zullen ingaan op de werking van nuldoorgangsdetectoren. We zullen ook eenvoudige methoden uitleggen voor het maken van een kruisingsdetectorcircuit. Lees daarom verder voor inzichten.

1. Zero-Crossing Detectors Principe

Een nuldoorgangsdetector werkt in een circuitnetwerk van elektrische stroombesturingssystemen. Het vergemakkelijkt de conversie van een uitgangsgolfvorm van een comparator. Het gebeurt wanneer een AC-signaal nul referentiespanning bereikt. Het apparaat loopt daardoor vertraging op. Het doel is om het circuit te beschermen tegen hoge ingangssignaalstromen.

2. Basis nuldoorgangsdetectoren Circuitbeschrijving

Ten eerste is hier een illustratie van een nuldoorgangsdetectorcircuit.

Figuur 1:Illustratie van een circuitdiagram van een nuldoorgangsdetector.

De bovenstaande serieschakelingsillustratie toont een eenvoudig kruisingsdetectorcircuit. Sluit tijdens de montage het ingangssignaal aan op de inverterende aansluiting van de operationele versterker. Voor de niet-inverterende terminal, aard deze via ingangsweerstanden.

Het apparaat identificeert wanneer het ingangssignaal afwijkt van de referentiespanning. U moet de referentiespanning op 0 instellen. Daarom zal elke keer dat dit gebeurt, het verzadigingsniveau van de uitgangssignalen verschuiven.

Afbeelding 2:Een printplaat

Breng een ingangssignaal aan op de niet-inverterende aansluiting van de operationele versterker. In dit geval is het spanningsreferentieniveau nul. Het systeem vergelijkt de sinusgolf aan de ingang van de op-amp met de spanningsreferentie.

Elke keer verschuift de fase van de sinusgolf van negatief naar positief en vice versa.

Laten we elk waarschijnlijk scenario van het ingangssignaal bekijken.

Neem bijvoorbeeld een geval waarin er een positief sinusvormig signaal aan de ingang is. De comparator vergelijkt het ingangssignaal met het referentiespanningsniveau. Daarom is de vergelijking van dit scenario:

V _Uitvoer =V_Referentie – V_{Ingangssignaal}

Aangezien u dus een referentiespanning van 0 V hebt, kunnen we V_Referentie . gelijkstellen naar nul. De vergelijking verandert dus in:

V _Uitvoer =0 – V_{Ingangssignaal}

Dientengevolge zal de spanning van het uitgangsgolfvormsignaal een negatieve verzadiging hebben. Controleer deze laatste vergelijking:

V _Uitvoer =– V_{Ingangssignaal}

Daarom levert een positieve puls een negatieve uitgangsgolfvorm op.

Aan de andere kant, overweeg een scenario wanneer er een negatief sinusvormig signaal is. Nogmaals, de comparator zal het ingangssignaal vergelijken met het referentiespanningsniveau.

De vergelijking is dus weer V _Uitvoer =V_Referentie –V_{Ingangssignaal.}

Wanneer we de =V_Referentie . vervangen in de vergelijking met nul krijgen we,

V _Uitvoer =0 – (V_{Ingangssignaal} )

Dus V _Uitvoer =+ V_{Ingangssignaal}

Het uitgangsgolfvormsignaal zal in dit geval een positieve verzadiging hebben.

Daarom converteert de nuldoorgangsdetector het ingangssignaal efficiënt naar de uitgangsgolfvorm van het tegenovergestelde teken. Als het ingangssignaal negatief is, zet het kruisende circuit het om in positief en vice versa.

3.Hoe maak je een nuldoorgangsdetectiecircuit?

Figuur 3:Sinusgolven

U kunt eenvoudig een nuldoorgangsdetector ontwerpen. Ook kunt u deze schakeling voor een breed scala aan toepassingen gebruiken.

Dit zijn de componenten die je nodig hebt voor dit circuit:

Een 6V zenerdiode

Twee 100K-weerstanden

IC 741-vergelijker

U moet ervoor zorgen dat u de ingang AC van een bruggelijkrichter aansluit. Ook in deze schakeling werkt de IC 741 als comparator. U dient een voedingsspanning van 12V te voorzien.

Zorg er ook voor dat u de niet-inverterende pin aansluit op een 1N4148-diode. Aan de andere kant moet u de inverterende pin aansluiten op het ingangssignaal van uw keuze.

Merk op dat de uitgangsgolfvorm van uw circuit het omgekeerde is van het ingangssignaal. Het circuit volgt dus de principes van de conventionele nuldoorgangsdetectoren.

Wanneer er een positieve stroom op de ingangspin staat, zal het apparaat dit detecteren. De verandering van de uitgangsgolfvorm vindt plaats wanneer de spanningsreferentie op nul staat. Het tegenovergestelde gebeurt wanneer je een tegenstroom aansluit. In dit geval zal de output positief zijn.

4. Toepassingen van nuldoorgangsdetector

Er is een breed scala aan toepassingen van nuldoorgangsdetectorcircuits. Je vindt ze in een elektronisch apparaat zoals een frequentieteller. Daarnaast vind je ze ook in vermogenselektronica.

Afbeelding 4:Een 3D-illustratie van elektronische componenten

Hier zijn enkele van de typische toepassingen van een kruisend circuit:

ZCD als fasemeter

Wanneer je twee spanningen hebt, kun je een ZCD gebruiken als fasemeter om de fasehoek te bepalen. De ZCD zal eerst opeenvolgende pulsen verkrijgen in de positieve en negatieve cycli. Vervolgens meet het de spanning van het tijdsinterval van de eerste sinusgolfspanningspuls. Het herhaalt het proces voor de spanningspuls van de andere sinusgolf.

Het tijdsinterval geeft dus het faseverschil tussen de ingangssignaalspanningen. U kunt de fasemeter gebruiken voor sinusgolven van nul graden tot 360 graden.

ZCD als tijdmarkeringsgenerator

Beschouw het comparatorschema van een nuldoorgangsdetector in figuur 1. Als de ingangspen een sinusgolf is, zal het uitgangssignaal een blokgolfgenerator zijn. Het zal dus een serieschakeling creëren.

Overweeg ook een scenario waarin de tijdconstante relatief klein is voor de periode. In een dergelijk geval kan de spanning op de weerstanden een positieve puls zijn. Het kan ook een negatieve puls zijn. Breng een spanning aan op een clippercircuit via een diode. Het levert alleen belastingsspanning op met positieve pulsen. U krijgt dus een conversie van de sinusgolf van een nuldoorgangsdetector naar positieve pulsen. De voorwaarde voor dit resultaat is een netwerkcircuit en een clippercircuit.

Zero-Crossing-detector met IC 311 en transistor

Figuur 5:Golfgrafieken

U kunt ook een nuldoorgangsdetector gebruiken bij het ontwerp van een Op-Amp-comparatorcircuit. We hebben deze directe toepassing geïllustreerd in figuur 1. Als je het op deze manier gebruikt, zal het een blokgolfomzetter zijn.

In dit circuit kunt u ook de inverterende of niet-inverterende comparator als nuldoorgangsdetector gebruiken. Desalniettemin moet u ervoor zorgen dat u de referentiespanning op nul zet.

Het werkingsprincipe van deze schakeling is ook vergelijkbaar met de andere nuldoorgangsdetectortoepassingen.

Dus wanneer de positieve ingangsspanning nul overschrijdt, zal de uitgangsgolfvorm een ​​negatieve verzadiging hebben. Aan de andere kant, wanneer de ingangsspanning negatief is, zal de uitgangsgolfvorm in positieve verzadiging zijn.

Daarom zullen negatieve cycli in de golfinvoer positieve golfvormen opleveren. Evenzo zullen positieve cycli in de golfinvoer negatieve golfvormen produceren.

Nuldoorgangsdetector met optocoupler

Een andere manier om een ​​nuldoorgangsdetector te gebruiken is in het ontwerpproces van een optocoupler. Hier is een illustratie van een optocoupler met een analoog ontwerp.

Figuur 6:Een Optocoupler Illustratie

Kijkend naar een uitgangsgolfvorm van het circuit, verandert deze afhankelijk van de ingang. Wanneer het ingangssignaal bijvoorbeeld 0 bereikt, zal de uitgangsgolfvorm stijgen. Het gebeurt elke keer dat het ingangssignaal dit punt bereikt, zoals geïllustreerd in de bovenstaande voorbeelden.

Conclusie

In een notendop, nuldoorgangsdetectoren zijn essentieel in vermogensregelsystemen. Zonder hen zou het mogelijk zijn om AC-cycluscircuits te gebruiken.

We hebben andere inzichten over andere soorten circuits. Kijk op onze site voor meer informatie over circuits. Aarzel ook niet om ons te contacteren bij eventuele vragen.