一个交流过零检测电路的元件参数设计

qzlbwang

设计脉冲宽度：0.2ms
对于50Hz的交流电来说，所对应的电角度为：360°÷（1000ms÷50Hz）×0.2ms=3.6°
起控电压对应于Sin(3.6°÷2)×220V×1.4=9.7V
   考虑C2充电时D1的压降、C2放电时电压下降和Q1的Vbe影响等，取Dz1的稳定电压为12V。
C2的最高电压：12V-0.7V=11.3V
希望C2放电时的电压降在1V左右。光耦的最小驱动电流设定为3mA，假定Q1的最小直流放大倍数为100，则，其基极最小电流为：3mA÷100=0.03mA,  R3=9.7V÷0.03mA=323k,取300k 。
基极的最大驱动电流为：(11.3V-0.6V)÷R3=0.036mA,假定Q1的最大电流放大倍数为200，则光耦的最大驱动电流为：0.036mA×200=7.2mA  
光耦的平均驱动电流为：（3mA+7.2mA）÷2=5.1mA  每个脉冲C2的放电电荷是：5.1mA×0.2ms=1.02 uC     C2的容量需要：1.02uC÷1V=1.02uF  ,从可靠性考虑，取C2的容量为2uF。
C2放电的平均电流：5.1mA÷10ms×0.2ms=0.102mA,取C2的充电电流（略大于放电电流）为0.11mA。R3的最大电流：12V÷300k=0.04mA   整流桥的输出电流平均值为：0.11mA+0.04mA=0.15mA,考虑到Dz1的漏电因素的影响，取0.25mA。对应与交流侧的电流有效值为：0.25mA÷0.9=0.28mA,再考虑C1分流以及PCB板漏电等因素影响，取流过R1和R2的电流为0.3mA。故，R1+R2=220V÷0.3mA=733k ,取R1=R2=360k
考虑光耦的最小电流传输系数为0.3,则R4＞5V÷（3mA×0.3）=5.6k   为可靠取10k。
C1的作用是相位修正——略进行滞后移相，使得过零脉冲的上升沿正好对应于过零时刻。并且有对高频毛刺的滤波作用。

hotdll

利用类似buck的方法实现电压和电流的转换，很巧妙。。。赞一个，矿坛为数不多的好帖子。

园丁

很好的电路分析文章，值得初学者学习、试制。

qzlbwang

该电路的特点：
1、微功耗——发热量微弱，有利于提高可靠性。
2、光耦隔离——后续电路与市电隔离，提高了安全性与抗干扰能力。
3、光耦前的电路无需辅助供电电源——使用方便。
4、过零点检测精准——能满足比较高的需求。

sxswxd

收藏以后用

qzlbwang

luosifu 发表于 2016-7-19 15:51
有一个问题不明白，本应仿真一下自己研究，但在软件下载完成前，还是先请教qzlbwang老师

经过DZ1后，R3两 ...

1、三极管导通的条件：发射极电位高于基极电位（大约0.6V），否则三极管是截止的。
2、当三极管导通时，C2的电压是高于整流后的瞬时电压的，整流桥处于截止状态。
3、三极管导通时的基极电流受限于R3,光耦的驱动电流虽然会有所变化（受C2电压变化的影响），但变化幅度不大。且况光耦工作在过驱动状态（R4取得比较大），所以输出脉冲的顶部接近于平顶。

qzlbwang

该电路的工作原理：
      当整流后的整流电压高于C2两端的电压时，D1导通，对C2进行充电，C2存储能量为后续输出过零脉冲时提供能源。这时候，三极管的基极电位高于发射极电位，对应PNP型三极管来说，三极管是截止的。C2的充电电压受限于稳压管的电压，也就是最终C2充电完成的电压为12V-0.6V（二极管的正向压降）=11.4V。当交流电接近过零点时，整流后的电压瞬时值必将小于C2的电压。当其差值大于三极管的Vbe时，必然会使整流桥处于反偏而截止。这时候就有基极电流流过R3，且其大小受限于R3。其集电极也就有相对应的电流驱动光耦，光耦的输出端就输出高电平。过零点后，整流输出端的电压便要上升，当其瞬时值接近或高于C2电压时，三极管便又截止，光耦输出端便恢复低电平。同时整流电压又对C2充电进行补充存储能量。

qzlbwang

该电路可以做到不用辅助电源的情况下的微功耗的原因就是：
1、输出脉冲是窄脉冲，所需能量小。
2、巧妙地利用微小电流对C2长时间（近10ms）充电储能，输出脉冲时从C2取电（短时间大电流）。这样既保证了输出脉冲时对驱动电流的需求，又使得交流输入电流比较小。

qzlbwang

luosifu 发表于 2016-7-19 15:51
有一个问题不明白，本应仿真一下自己研究，但在软件下载完成前，还是先请教qzlbwang老师

经过DZ1后，R3两 ...

1、对与交流220V来说，其过零点附近的波形本身就比较陡。这个附近变化0.6V（三极管Vbe）所需要的时间大概只有6us左右。所以其前后沿是比较陡的。
2、这个电路的巧妙就在于用C2储能作辅助电源。
3、大大降低频率的话，带来的问题是：输出脉冲的陡度会大大下降。脉宽时间也同步增宽（假如C2储能足够的话）。C2不加大的话，其储存的能量会不足于供给输出脉冲。所以这样的试验是肯定要失败的。
4、仔细体会顶楼的计算，有利于深刻理解电路原理和元件参数相互间的制约关系。

qzlbwang

luosifu 发表于 2016-7-19 19:21
1.起控电压对应于Sin(3.6°÷2)×220V×1.4=9.7V
2.希望C2放电时的电压降在1V左右。光耦的最小驱动电流设定 ...

1、计算9.7V这个电压时，R1R2R3尚未确定，所以暂按开路电压计算起控电压。实际上严格来说，就象你所说的那样，R3有分流作用(当然还存在其他分流)，过零点附近R3的瞬时电压并非一定等于电源瞬时电压电压，但是，再三极管接近导通时，R3的电流主要是由C2提供的，整流桥几乎截止，所以这时候这个起控电压与电源瞬时值比较接近。（要追究的话，还有整流桥的压降等没考虑，但这里这个电压计算允许有一定的误差，因为其只是影响最后输出的过零脉冲的脉宽而已，但一般对其要求不严）。
2、C2上的电压在放电过程中是会变化的，计算R3时为保证驱动电流就用了9.7V这个相对比较小的电压。因为C2的电压可以保证在：11.3V-1V(C2电压的最大变化量)-0.6V（Vbe）=9.7V。
      不知这样解释是否可说得通？

qzlbwang

不过你能提出这样的问题，说明你很认真地去理解了，赞一个。

603599910

个人觉得本电路在Q1的B极和C极各加1K的限流电阻更为稳妥,2U电容虽然不大,但12V电量，而当交流过零后虽然波形不陡峭，可是8550的B极导通到饱和区0.15V左右,难免12V还在下降时会直接大电流峰值加载在LED上.我不会计算这个导通角和峰值电流,这个想法是个人做模电多了产生的直觉.

qzlbwang

603599910 发表于 2016-7-20 22:51
个人觉得本电路在Q1的B极和C极各加1K的限流电阻更为稳妥,2U电容虽然不大,但12V电量，而当交流过零后虽然波形 ...

Q1工作在线性放大区，而不会是饱和区。基极电流受限于R3(基极电流的能源来自于C2)。

有所思

赞,好帖子好帖子！

603599910

qzlbwang 发表于 2016-7-21 07:48
Q1工作在线性放大区，而不会是饱和区。基极电流受限于R3(基极电流的能源来自于C2)。

是的,我没有考虑到全桥在负压是截止区,所以这个放电完全以300K产生基极电流放大,就算理想β=200,电流只有约7ma,安全状态.当时心急没有把全桥放进去,楼主模电基础雄厚.