RadioRadar - Радиоэлектроника, даташиты, схемы

https://www.radioradar.net/radiofan/radiofan_technology/mains_voltage_zero_detector_optocoupler.html

Детектор нуля сетевого напряжения на оптроне

Иногда в разрабатываемых радиолюбительских конструкциях необходимо чётко детектировать момент перехода переменного напряжения, мер сетевого 230 В, через ноль. Это требуется для целей коммутации с минимальными помехами, в цифровых фазоимпульсных регуляторах и т. п.

Известны различные способы и схемы таких детекторов, но наиболее часто применяют детекторы с оптопарой с целью обеспечения гальванической развязки от сети 230 В. В одной из конструкций подогревателя плат, которая была разработана авторами, был применён такой детектор, который работал совместно с микроконтроллером, но что-то пошло не так. Чтобы разобраться в ситуации, были проведены лабораторные исследования и моде-лирование этого способа детектирования на нескольких схемах для выяснения длительности и формы импульса, влияния входного напряжения на длительность и точность привязки выходного импульса к переходу через "0" сетевого напряжения.

Рис. 1. Схема детектора

На рис. 1 приведена простая и часто применяемая схема детектора. Напряжение U1 было подано на один канал осциллографа, а U2 - на второй канал. Питание детектора напряжением 180...250 В производилось от ЛАТРа через развязывающий трансформатор 230/230 В с целью обеспечения электробезопасности. При выборе сопротивления резистора R3 приходится идти на компромисс, с одной стороны, надо обеспечить достаточный ток через излучающий диод оптрона, а с другой - небольшое тепловыделение на нём. Для повышения электрической прочности резистор R3 следует составлять из двух или трёх последовательно соединённых. Для исследований были использованы оптроны PS2561-1 и 4N35, основные параметры которых приведены в табл. 1.

Таблица 1

Для предварительных расчётов параметров гасящего резистора R3 можно использовать выражения

R3 = Uд/I_F,(1)

P_R3 = (Uд)²/R3,(2)

где Uд - действующее напряжение сети; P_R3 - мощность, рассеиваемая на резисторе R3. При токе через излучающий диод 1 мА, 2 мА и 3 мА и различном напряжении сети расчётная мощность, рассеиваемая на резисторе R3, приведена в табл. 2.

Таблица 2

Видно, что при мощности рассеивания более 0,4 Вт R3 желательно составлять из двух или трёх резисторов с допустимой мощностью рассеяния не менее 0,5 Вт.

Рис. 2. Графические результаты моделирования

Рис. 3. Графические результаты моделирования

Рис. 4. Осциллограммы работы устройства с оптроном PS2561

Графические результаты моделирования представлены на рис. 2 (R3 = 100 кОм) и рис. 3 (R3 = 200 кОм). Экспериментальные осциллограммы работы реального устройства с оптроном PS2561 приведены на рис. 4 (Uд = 220 В; R3 = 66 кОм; R4 = 4,7 кОм. Длительность импульса по уровню 0,5 τ_0,5 = 0,88 мс. При R4 = 2,2 кОм т_0,5 = 1,4 мс). C оптроном 4N35 выходной импульс получился шире - 1,82 мс, видимо, по причине меньшего значения коэффициента передачи тока. Если для уменьшения влияния помех установить резистор сопротивлением 1 МОм между базой и эмиттером фототранзистора (между выводами 4 и 6), то длительность импульса увеличивается.

С резистором R3 = 220 кОм полного открытия фототранзисторов не происходило при R4 = 2,2 кОм, даже при сетевом напряжении 240 В. Увеличение сопротивления резистора R4 приводило к уменьшению U_нас = 0,16...0,24 В и длительности импульса до 1,24 мс (R4 = 9,6 кОм). А если ещё увеличить сопротивление резистора R4, насколько уменьшится длительность импульса? С R3 = 66 кОм, R4 = 51 кОм при сетевом напряжении 220 В т_0,5 = 0,565 мс, но при этом происходит сдвиг выходного импульса относительно нуля сетевого напряжения! Осциллограмма напряжений U₁ и U₂ для этого случая приведена на рис. 5.

Рис. 5. Осциллограмма напряжений

Полагаем, что при малых токах в выходном транзисторе начинает сказываться быстродействие оптрона. И этот момент надо учитывать при разработке конкретного детектора.

На длительность выходного импульса влияет и значение входного напряжения сети. Например, для R3 = 66 кОм, R4 = 2,2 кОм при изменении напряжения от 180 В до 250 В длительность выходного импульса изменяется от -11 % до +24 % относительно длительности при напряжении 220 В. При сопротивлении резистора R4 4,6 кОм или 9,6 кОм влияние изменения длительности импульса аналогично, но в пределах ошибки измерений. Делаем вывод, что наблюдается существенное влияние уровня входного напряжение на изменение длительности выходного импульса. Это надо учитывать при разработке и эксплуатации таких детекторов.

С уменьшением сопротивления гасящего резистора длительность выходного импульса уменьшается, но мощность рассеивания на нём растёт. В некоторых случаях такой, относительно широкий, импульс для синхронизации можно использовать с учётом вышеизложенных факторов влияния. Но было бы интересней получить импульс ещё короче.

Рис. 6. Схема детектора

Если взамен гасящего резистора применить стабилизатор тока, длительность выходного импульса можно существенно уменьшить. На рис. 6 показана схема детектора перехода сетевого напряжения через "0" со стабилизатором тока на транзисторах VT1, VT2. Для определения начала перехода стабилизатора тока в рабочий режим при приложении внешнего постоянного напряжения на "+" и "-" диодного моста с определённым шагом было подано постоянное напряжение от внешнего БП. Результаты измерений представлены на рис. 7. Ток - в микроамперах, напряжение - в вольтах, в подписях первое число - сопротивление резистора R3 в килоомах, второе - сопротивление резистора R4 в омах.

Рис. 7. Результаты измерений

С уменьшением сопротивления токоизмерительного резистора R4 переход в режим стабилизации тока происходит при большем напряжении, да и мощность рассеивания на высоковольтном транзисторе VT2 может оказаться слишком большой. С указанными транзисторами наиболее подходящим оказалось сопротивление резистора R4 = 240 Ом. Известна приблизительная формула расчёта тока стабилизации I_ст: R4 ≈ 0,6/I_ст, но для конкретных транзисторов надо бы проверить реальное значение R.

Рис. 8.

Предварительно было проведено моделирование с варьированием параметров с целью выяснить, что можно ожидать от такого детектора и каковы параметры импульсов на выходе оптрона. На рис. 8 показаны полученные расчётные формы напряжения при R3 = 100 кОм. Верхняя осциллограмма - U₁, средняя - напряжение на резисторе R4, нижняя - U₂. Осциллограммы напряжений в реальном детекторе, собранном по схеме на рис. 6, показаны на рис. 9 (Uд = 220 В, R3 = 66 кОм, R5 = 9,6 кОм).

Рис. 9.

Как видно, такое схемное решение позволяет сильно уменьшить длительность выходного импульса: при R3 = 66 кОм т_0,5 = 100 мкс (R5 = 2,2 кОм), т_0,5 = 73 мкс (R5 = 4,6 кОм), 56 мкс (R5 = 9,6 кОм). Если R3 = 100 кОм, что ожидаемо, длительность импульса немного увеличивается.

Отметим, как и в этом детекторе, на длительность выходного импульса влияет значение входного напряжения сети (рис. 10). При R3 = 100 кОм это влияние немного меньше. Но так как детектор генерирует достаточно короткий импульс, это влияние на работу конкретных конструкций будет, скорее всего, незначительным.

Рис. 10.

В схеме на рис. 6 сопротивление резистора R3 приходится выбирать достаточно большим, поэтому стабилизатор тока на транзисторах VT1, VT2 входит в режим стабилизации тока при относительно большом напряжении сети. При небольшом мгновенном напряжении сети (2...3 В) ток в светодиоде оптрона мог бы уже быть достаточным, но втекающий ток в базу транзистора VT2 очень мал, и выходной импульс получается относительно широкий. Если в момент перехода через ноль продолжать обеспечивать необходимый ток базы транзистора VT2, стабилизатор тока войдёт в рабочий режим уже при более низком мгновенном напряжении сети. На рис. 11 представлена доработанная схема детектора. Стабилизатор напряжения на элементах R3, VD2, С1, R6 поддерживает базовый ток транзистора VT2, что даёт возможность "стартовать" стабилизатору тока при меньшем мгновенном напряжении сети, и это позволяет укоротить импульс, формируемый оптроном.

Рис. 11. Доработанная схема детектора

Рис. 12.

Это предположение тоже проверили моделированием. На рис. 12 при R3 = 200 кОм, R4 = 300 Ом, R5 = 2,2 кОм, R6 = 5,1 кОм показаны теоретические осциллограммы, полученные при моделировании этого детектора. Видно, что устройство не сразу входит в режим после появления сетевого напряжения. Это обстоятельство нужно иметь в виду, если при подаче сетевого напряжения сразу нужен импульс перехода через "0".

Рис. 13. Осциллограммы детектора

Реальные осциллограммы детектора напряжений U₁ и U₂ при Uд = 220 В, R3 = 100 кОм, R5 = 4,6 кОм показаны на рис. 13. Ёмкость конденсатора С1 была 10 мкФ. Ожидаемо длительность импульса ещё уменьшилась, однако начинает сказываться частотная характеристика оптрона. Выяснилось, что сопротивление резистора R3 можно увеличить до 320 кОм, и длительность выходного импульса при этом не увеличивается. Ёмкость конденсатора С1 должна быть не менее 5 мкФ, поскольку пульсации напряжения на этом конденсаторе могут быть слишком большими.

Следует отметить, что интервал входных напряжений этого детектора достаточно большой, например, при U_BX = 50 В т_0,5 = 214 мкс, при U_BX = 250 В т_0,5 = 29 мкс.

В зависимости от требуемых параметров детектора можно использовать разные варианты схем, но в простом варианте требуется подбор резисторов, поскольку разброс параметров оптрона, имеющегося в распоряжении разработчика радиолюбительской конструкции, может быть достаточно большой.

Если нужен более короткий импульс, предлагаем использовать детекторы, собранные по схемам на рис. 6 и рис. 11. Высоковольтные транзисторы сейчас доступны. Для разовых конструкций такие транзисторы можно найти, например, на платах электронных балластов КЛЛ. Необходимо только подобрать резистор R4 для перехода стабилизатора тока в рабочий режим с током 2...3 мА при напряжении 2...3 В.

Авторы: Г. Басов, г. Томск/Ставрополь, С. Исаков, г. Барнаул