交流电过零点检测电路总结

交流电过零点检测电路总结 交流电的过零点检测方案较多，目前较常见的也是我之前所使用的方案如图 1 所示： 图 1 交流电光耦过零检测电路 图 1 的电路可以检测到交流电经过零点的时间，但是它存在诸多的弊端，现列 举如下： 1. 电阻消耗功率太大，发热较多。220V 交流电，按照有效值进行计算三个 47K 的电阻平均每个电阻的功率为 2202/(3*47k)/3=114.42mw。对于 0805 的贴片电阻按照 1/8w 的功率计算， 当前的消耗功率接近其额定功率，电阻 发热大较大。同时需要注意市电的有效 值为 220V，其峰值电压为 311V，以此 计算我们可以得到每个电阻的瞬时最大 功率为 228mw，严重超过了电阻的额 定功率，因此使用是存在危险的。 2. 光耦的过零点反应速度慢,TZA 上升沿时 间长。实际测试发现光耦过零点上升沿 和下降沿的跳变时间为 120us 左右( 高 低电平压差为 3.3V)。对于一般的应用 可以接受，但是对于通信中的同步应用 该反应时间将严重影响通信质量。因为 在 120us 内都可以认为是发生了过零事 件，也就是说我对过零的判断可能存在 最高达 120us 的偏差。 3. 根据光耦的导通特性，该电路的零点指 示滞后实际交流电发生的零点。滞后时 间可以根据光耦的导通电流计算， NEC2501 的典型值是 10ma，实际上， 当前向电流达到 1ma 的时候光耦一般 就已经导通了。现以 1ma 电流计算， 电阻 347k=141k,则电压为 141V，相 应的滞后零点时间约为 1.5ms。假设 0.5ma 导通则电压为 70V，则滞后时间 为 722us。 4. 光耦导通时间较长，即光耦电流由 0 变 为导通电流这个渐变过程较长，导致光 耦特性边缘时间差异明显，产品一致性 差。假设以 1ma 作为光耦的导通电流， 那么在 220v 交流电由 0V 变化到 141V 的过程需要 1.5ms。而因为期间的一致 性问题，部分光耦可能会在 0.5ma 的时 候就导通，部分可能在 0.7ma 的时候导 通。现假设一致性带来的最低导通电流 为 0.5ma，那么对应导通电压为 71V， 对应滞后零点时间为 736us，这表明， 不同光耦之间零点差异可能达到 764us！(实际测试中我检测了 10 个样 品，其中两个光耦导通性能差别最大的 时间差达到 50us，其他普遍在 10us 左 右) 。这为不同设备使用该电路进行同步 制造了很大的麻烦。 5. 受光耦导通电流限制，该电路能够检测 的交流信号幅度范围较窄。以 1ma 计 算，该光耦只能检测交流信号幅度大于 141V 的信号。如果该信号用于同步， 那么在设备进行低压测试时将不能获取 同步信号。 6. TZA 输出波形和标准方波相差较大，占 空比高于 50%。实际测试中占空比的时 间误差达到 1.2ms，在应用中该时差不 能被忽略。 基于以上列出的各个问题导致利用交流电过零点进行同步质量较差，需要改进。 首先我想到的方案是利用比较器的比较功能来产生标准的方波。在交流电的正 半周比较器输出高电平，在交流电的负半周比较器输出低电平。该方案的时间 误差仅取决于比较器电平跳变的响应速度和比较器的差分电平分辨率。以 lm319 为例，偏置电压最大为 10mv，比较灵敏度为 5mv，5V 输出电平跳变响 应时间在 300ns 以内，加上 asin(10e-3/311)/2/pi/50 = 100ns。二者总共相差 约 400ns，远低于图 1 所示的方案。在实际应用中我使用了 LM358 来代替比较 器，其偏置电流为 50na，串接 1M 的电阻，满足偏置电流的电压为 50na1M=50mv。按照 st-lm358 资料，其开环频率响应 1k 一下可以达到 100db，因此理论上输入 1mv 的电平依然可以识别，和前边假设相比取 50mv，asin(50mv/311)/2/pi/50 = 500ns，放大器的 SR 为 0.6V/us，假设转换 到 4V，需要 7us。因此使用 LM358 的绝对误差为 7.5us,而实际上由于每个器 件的共性，因此在同步上偏差应该小于 1.5us。 方案定下来以后就应该进行电路设计了，在实际电路调试的时候遇到很多问题， 现记录于此供以后参考。主要问题包括有： 对于差分运放电路缺乏基本的认识，最 初考虑用电阻分压电路，按照最大电压 311V，电阻分压 1：100，选用 2M 电 阻串接一个 20k，取 20k 两端的电压， 理论最大差为 3.11V 的样子，电路如图 2-1 所示。该电路最终以失败告终。经 过学习和查找原因，是因为没有可靠的 工作点，或者说没有统一的参考地，浮 地输入无法实现放大。同样因为这个原 因，在网上寻找的如图 2-2 所示的电路 也以失败告终。 为了能够对差分放大电路提供统一的参 考基准最终对图 2-2 进行修改，分别从 差分输入的+端和- 端引一个大电阻到测 试系统的“地” ，因为是单电源放大考虑 到 LM358 的共模输入信号范围 0-VCC- 1.5V，由于二极管限幅，二极管两端电 压最多 0.7V，又因为对于去其中间电平 连接到地，正负端对地输入的电压范围 为-0.35 到+0.35 。最终电路如图 3 所示， 该电路可以实现设计功能。 经验总结： 1. 理解运算放大器的共模输入范围，这对 运放电路设计很重要。如果输入信号超 过共模电压范围，放大器将不能正常工 作。 2. 任何信号耦合都是需要电流驱动的，放 大器限流以及不同设备间“地”的连接不 是电阻越大越好。当初设计图 3 的电路， 最初 R2 和 R3 取 500K 时，用示波器双 通道同时测试测试地到 R2,R3 两端差分 电压，显示其具有相同的波形，幅度 8V 左右。理论上其原 R2,R3 两端波形 幅度应该为 0.35V，相位相反。经过反 复试验，发现其原因就在于经过 R2,R3 电流太小已经没有达到共“地”的效果了， 降低 R2,R3 阻值测试波形和理论一致。 3. 当初为了安全测试 220V 端电压波形， 查阅了浮地测试技术的相关资料。同时 经过实验验证，浮地测试必须要将示波 器和被测试系统的公共地断开，具体来 说就是让测试仪器和被测试平台不具备 相同的参考地电位，这样短接示波器探 头的地到被测试平台才不会发生事故。 拿本实验举例，假设我们需要测量市电 实时波形，怎么测量呢。我们可以这样 测试，示波器供电时三芯插头只连接 L 和 N 端，接地不连接，这样就可以通过 接地夹夹在市电的一端，用探头去测量 另一端的波形了。当然最好还是在接