高精度過零檢測(cè)電路原理和案例

1. 什么是過零檢測(cè)

在日常的電子電路設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，經(jīng)常要用到對(duì)交流電信號(hào)的零點(diǎn)電壓檢測(cè)技術(shù)，這種電子技術(shù)稱為零點(diǎn)電壓檢測(cè)技術(shù)，簡(jiǎn)稱過零檢測(cè)。

過零檢測(cè)指的是在交流系統(tǒng)中，在一個(gè)交流周期中，當(dāng)波形從正半周向負(fù)半周或者從負(fù)半周向正半周轉(zhuǎn)換時(shí)，經(jīng)過零位時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)出這個(gè)過零位，并產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出。

實(shí)際應(yīng)用中，在二端口電壓從正電壓變?yōu)?或者從負(fù)電壓變?yōu)?的時(shí)刻，輸出相應(yīng)的電平或者脈沖，電平和脈沖的上升沿或者下降沿可表征交變電壓過零點(diǎn)的位置和時(shí)刻，通常在過零點(diǎn)的位置具有較低的電源噪聲。

2. 過零檢測(cè)作用

用于檢測(cè)追蹤交流電的正半波和負(fù)半波交變過零點(diǎn)的位置和時(shí)刻。通過過零點(diǎn)檢測(cè)，可以獲得交變電壓的相位、頻率、抖動(dòng)等瞬時(shí)和長(zhǎng)期變化信息。

過零檢測(cè)，常用于控制、調(diào)制、保護(hù)等領(lǐng)域。比如大功率電源的接入避免打火，抑制電弧，防止瞬間高溫，也作為簡(jiǎn)單的同步時(shí)鐘源，同步控制信號(hào)的輸出。

交流過零點(diǎn)檢測(cè)電路在電力載波通訊、功率設(shè)備和家電接入切換等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。目前在智能開關(guān)、智能通斷器產(chǎn)品中，應(yīng)用過零檢測(cè)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)零電壓時(shí)刻通斷，從而抑制開機(jī)浪涌電流，抑制電弧和瞬間高溫，達(dá)到保護(hù)繼電器觸點(diǎn)等器件的目的；在一些智慧照明領(lǐng)域，調(diào)光設(shè)備應(yīng)用過零檢測(cè)技術(shù)，從零點(diǎn)開始控制交流電導(dǎo)通角的大小，實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)；在工業(yè)控制領(lǐng)域，進(jìn)行同步信號(hào)輸出判斷，實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度調(diào)節(jié)。

通常也用于電力載波通信和其他電力電子設(shè)備，實(shí)現(xiàn)過零點(diǎn)通信、相位識(shí)別、逆相序判別、零火線反接、臺(tái)區(qū)識(shí)別、掉電檢測(cè)等。

3. 過零檢測(cè)電路原理

過零檢測(cè)電路實(shí)際就是一個(gè)電壓比較器，它的輸入信號(hào)即為需要進(jìn)行過零檢測(cè)的來源信號(hào)。其原理是通過對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行整流和濾波，然后將其與一個(gè)基準(zhǔn)電平進(jìn)行比較。當(dāng)輸入信號(hào)通過零點(diǎn)時(shí)，輸出信號(hào)會(huì)發(fā)生跳變，這個(gè)跳變就是過零點(diǎn)。

通常利用二極管導(dǎo)通和光耦隔離特性進(jìn)行過零檢測(cè)來改變輸出狀態(tài)。

4. 常用過零檢測(cè)電路分析比較

以下是目前業(yè)內(nèi)常用的過零檢測(cè)電路的案例，對(duì)他們的電路和功能特性進(jìn)行檢測(cè)分析，方便進(jìn)行綜合對(duì)比。

方案1：過零脈沖輸出，分離器件

電路描述：

該類電路采用二極管和穩(wěn)壓二極管構(gòu)成整流濾波部分。輸出過零點(diǎn)脈沖信號(hào)。

主要特點(diǎn)：

■半周期儲(chǔ)能

■過零脈沖輸出

■功耗較低，大約30mW~50mW

■檢測(cè)精度中等，一般約30us左右

■抗擾度一般，容易被過零點(diǎn)附近噪聲干擾造成抖動(dòng)或重復(fù)輸出

■一致性一般，受溫度影響和外圍器件影響因素多

■外圍器件較多

方案2：電平輸出，分離器件

電路描述：

該類電路采用分離器件搭建，最終輸出電平信號(hào)，交流電過零時(shí)輸出低電平，交流電未過零時(shí)輸出高電平。

主要特點(diǎn)：

■過零電平輸出

■需要對(duì)輸出進(jìn)行整形

■功耗高，大約60mW~100mW

■檢測(cè)精度低，通常偏差大于200us以上

■抗擾能力差

■一致性差，光耦影響大

■所需外圍器件少，成本低

方案3：脈沖輸出，采用專門的過零檢測(cè)芯片，比如GS1102。

電路描述：

該類電路采用專門的過零檢測(cè)芯片GS1102搭建,電路一致性高，抗干擾性好，檢測(cè)進(jìn)度高，最終輸出過零脈沖信號(hào)。

主要特點(diǎn)：

■半周期儲(chǔ)能

■過零脈沖輸出

■功耗極低，大約10mW~20mW

■檢測(cè)精度高，偏差小于10us

■內(nèi)部遲滯，高抗擾度

■閾值溫度偏差小，基本有外圍器件無關(guān)，一致性高

■外圍器件極少

5. 特性對(duì)比總結(jié)

經(jīng)過分析，使用目前市場(chǎng)上已經(jīng)存在專業(yè)的過零檢測(cè)芯片方案，成本和設(shè)計(jì)方面都有比較大的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，大家在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)過程中，需要根據(jù)實(shí)際的情況酌情選擇適合自己的方案。

綜合對(duì)比結(jié)果如下：

審核編輯黃宇