聊聊 220V交流 过零检测

描述

聊聊过零检测,以及如何实现过零检测  ...... by 矜辰所致

前言

最近正好项目需求遇到需要做过零检测,上次用到过零检测还是数年前,所以还得来温习一遍,想着可以来做个总结记录。

本文我们就来简单聊聊 过零检测 。

需要说明的是,这里的过零检测指的是在交流回路的中的过零检测,对于我们最常接触的交流电就是我们使用的 220V 的市电了。

我是矜辰所致,全网同名,尽量用心写好每一系列文章,不浮夸,不将就,认真对待学知识的我们,矜辰所致,金石为开!

一、什么是过零检测

我们知道,在交流回路中,电压随时间的变化是正弦波,当波形由正半周向负半周转换或者由负半周向正半周转换时,经过 x 坐标的点就是 过零点。

所谓 过零检测,就是对 过零点 进行检测,判断交流电是否到达这个点,如下图所示:

交流电

1.1 为何需要过零检测

为什么需要过零检测,简单来说就是:

为了让使用交流电的系统 更加安全稳定,同时方便对系统进行控制。

我们知道交流电的电压是在一直变化的,如果我们的用电系统开关的时候都处于电压高点,那么这个时候的电流也会对应的比较大,忽然间打开关短对系统会造成一定的 “冲击”,有时候也会产生一些电弧火花,就是所谓的浪涌,这样存在安全隐患,在一些带大功率负载的交流回路中,风险会更大。

如果我们系统能够知道每次过零点的时间,在这个时候去进行开关控制,那么可以使得系统安全稳定。

另外,我们通过检测交流电信号的过零点,可以实现交流电电子设备的开关控制、电流采样和保护功能,在调光开关/调光器、电机调速产品中,可从零点开始控制交流电导通角的大小,实现调光灯具亮度、电机速度的调节。

二、如何做过零检测

首先我们要明白,我们做过零检测,最直观的是检测什么? 实际上就是电压。 电压变成 0 的时候,就是 零点。

如何检测,我这里直接先告诉大家,从结果来看,最常见的过零检测电路 末端输出 有如下两种方式:

第一种,过零点时候电路末端会输出脉冲,如下图:

交流电

第二种,过零点的时候,电路末端电平会发生变化,如下图:

交流电

当然 ,直接ADC 采样也是一种方式,但是相对前面这两种用得不多。

大家看了上面的两种结果,是不是若有所思,回顾一下我们所学过的电路知识,能够实现上面这种检测电压变化的很多器件,比如我们的三极管,MOS管,比较器/运放,光耦,是不是感觉都可以搭建方案。

2.1 光耦

本段落我们主要讲解一下测量思路,在下面一小节我会罗列汇总一些电路,提供给大家参考。

说到光耦至于 220V 交流的应用,在我很早的一篇文章《单片机检测信号通断通用电路(3.3V/5V直流信号,24V+直流信号,220V交流信号)》分享过一个电路:

交流电

当时的需求只是需要检测是否有 220V 交流电信号存在,使用了双向光耦,其中右边输出的地方特意加了一个 2.2uF 的电容防止过零点时候电压突变。

我们稍微变通一下,电路变成如下,是不是理论上就能够产生下图所示的输出:

交流电

当然,如果我们做一下整流,也可以使得输出脉冲信号,如下图:

交流电

2.2 比较器/运放

对于比较器以及后面的三极管而言,我们一般来说需要先降压,然后进行处理,是比较妥当的一种方式,比如下面图的示例:

交流电

上面的设计是脉冲,通过 R22, R21 控制小于 Vcc /101 电压的时候 ( 如果 VCC 为3.3V ,阀门大概在 0.03V ) , 输出 S2 会输出一个高电平信号,因为时间很短,所以结果为脉冲。

当然大家也可以把比较器的 负 输出端连接 GND ,也就是 0V ,然后 + 输入端连接降压后但是不整流的输入(220V的交流变成低压的交流),这样输出 S2 就能形成方波输出,但是不整流需要额外注意一些问题,这里就不详细说明。

2.3 三极管/MOS管

对于三极管和 MOS 管来说,与上面的比较器也是类似的,直接上个示意图:

交流电

需要说明的是,通过 三极管或者 MOS 管判断的输出脉冲,会比上面使用比较器的脉冲会宽一些。

三极管 0.7V 就导通了,MOS管可能会更大一些,比如有些 1.0V 左右就导通了。

2.4 过零检测芯片

和电平转换或者其他应用电路一样,过零检测也有专门的芯片,当然还是老问题,成本相对前面较高。

没用过,暂时没有啥好推荐的,大家可以自行搜索。

三、过零检测电路

通过上面小结我们说明了多种 220V 交流过零检测的方案,在实际使用中大家完全可以根据自己的情况搭建起电路使用。

博主这几天网上也是查看了很多的视频和文章,网上众多的电路中,我也挑选了几个比较实在的推荐给大家,此处的借鉴我都会注明出处,大家知道我的很多文章会随着我的测试使用进度保持着更新,如果有机会,所有电路图我都会做成实物进行测试的,落地才是王道!

参考电路一:

此电路来源,B站:龙顺宇老师

交流电

参考电路二:

此电路来源,B站:皆行电子

交流电

参考电路三:

此电路来源163博客 ,博主:ARM嵌入式研发 08年的一篇文章

交流电

上面这几个实际的电路,从原理上来说,都可以实际使用,感觉都可以直接照着做,但是大家得注意元器件的选型,强电安全第一。

结语

本文复习了一遍 过零检测 的相关知识,给大家介绍了不同的方法实现过零检测的方式。

最后还得再次提醒一下大家,实际使用中重点在于元器件的选型,这点大家务必注意!

好了,本文就到这里,谢谢大家!
  审核编辑:汤梓红

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