Nulldurchgangsdetektoren – effektiver Schutz empfindlicher elektronischer Geräte

Wie halten Leistungssteuerungssysteme hohen Einschaltströmen stand? Es scheint eine mühsame Aufgabe zu sein. Nichtsdestotrotz sind hier Zero-Crossing-Detektoren (ZCD) hilfreich.

Mit der Nulldurchgangserkennung erfolgt der Übergang einer Signalwellenform nahtlos. Daher ist eine Kreuzungsdetektorschaltung wichtig für Systeme, die ein Zeitintervall erfordern.

Wir werden näher darauf eingehen, wie Nulldurchgangsdetektoren funktionieren. Außerdem erklären wir einfache Methoden zum Erstellen einer Kreuzungsdetektorschaltung. Lesen Sie also weiter, um Einblicke zu erhalten.

1. Prinzip der Nulldurchgangsdetektoren

Ein Nulldurchgangsdetektor arbeitet in einem Schaltungsnetzwerk von elektrischen Leistungssteuersystemen. Es erleichtert die Umwandlung einer Komparator-Ausgangswellenform. Dies geschieht, wenn ein AC-Signal die Referenzspannung Null erreicht. Folglich verzögert sich das Gerät zeitlich. Ziel ist es, die Schaltung vor hohen Eingangssignalströmen zu schützen.

2. Grundlegende Schaltungsbeschreibung für Nulldurchgangsdetektoren

Zunächst ist hier eine Darstellung einer Nulldurchgangs-Detektorschaltung.

Abbildung 1:Eine Schaltplandarstellung eines Nulldurchgangsdetektors.

Die obige Darstellung der Reihenschaltung zeigt eine einfache Kreuzungsdetektorschaltung. Verbinden Sie während der Montage das Eingangssignal mit dem invertierenden Anschluss des Operationsverstärkers. Erden Sie den nicht invertierenden Anschluss über Eingangswiderstände.

Das Gerät erkennt, wenn das Eingangssignal von der Referenzspannung abweicht. Sie sollten die Referenzspannung auf 0 setzen. Daher verschiebt sich jedes Mal, wenn dies geschieht, der Sättigungspegel des Ausgangssignals.

Abbildung 2:Eine Leiterplatte

Legen Sie ein Eingangssignal an den nicht-invertierenden Anschluss des Operationsverstärkers an. In diesem Fall ist der Spannungsbezugspegel auf Null. Das System vergleicht die Sinuswelle am Eingang des Operationsverstärkers mit der Spannungsreferenz.

In jedem Fall verschiebt sich die Phase der Sinuswelle von negativ nach positiv und umgekehrt.

Betrachten wir jedes mögliche Szenario des Eingangssignals.

Nehmen wir zum Beispiel einen Fall, wenn am Eingang ein positives Sinussignal anliegt. Der Komparator vergleicht das Eingangssignal mit dem Referenzspannungspegel. Daher lautet die Gleichung dieses Szenarios:

V _Ausgang =V_Referenz – V_{Eingangssignal}

Da Sie also eine Referenzspannung von 0 V haben, können wir V_Referenz gleichsetzen bis Null. Somit ändert sich die Gleichung zu:

V _Ausgang =0 – V_{Eingangssignal}

Folglich hat die Spannung des Ausgangswellenformsignals eine negative Sättigung. Überprüfen Sie diese letzte Gleichung:

V _Ausgang =– V_{Eingangssignal}

Daher ergibt ein positiver Impuls eine negative Ausgangswellenform.

Betrachten Sie andererseits ein Szenario, in dem ein negatives Sinussignal vorhanden ist. Auch hier vergleicht der Komparator das Eingangssignal mit dem Referenzspannungspegel.

Daher lautet die Gleichung wieder V _Output =V_Referenz –V_{Eingangssignal.}

Wenn wir die =V_Referenz ersetzen in der Gleichung mit Null erhalten wir,

V _Ausgang =0 – (V_{Eingangssignal} )

Also V _Ausgabe =+ V_{Eingangssignal}

Das Ausgangswellenformsignal hat in diesem Fall eine positive Sättigung.

Daher wandelt der Nulldurchgangsdetektor das Eingangssignal effizient in die Ausgangswellenform mit dem entgegengesetzten Vorzeichen um. Wenn das Eingangssignal negativ ist, wandelt die Kreuzungsschaltung es in positiv um und umgekehrt.

3.Wie erstelle ich eine Nulldurchgangsdetektorschaltung?

Abbildung 3:Sinuswellen

Sie können leicht einen Nulldurchgangsdetektor entwerfen. Außerdem können Sie diese Schaltung für eine Vielzahl von Anwendungen verwenden.

Hier sind die Komponenten, die Sie für diese Schaltung benötigen:

Eine 6-V-Zenerdiode

Zwei 100K-Widerstände

IC 741 Komparator

Sie müssen sicherstellen, dass Sie den Eingangswechselstrom von einem Brückengleichrichter anschließen. Auch in dieser Schaltung arbeitet der IC 741 als Komparator. Sie sollten eine Versorgungsspannung von 12 V bereitstellen.

Stellen Sie außerdem sicher, dass Sie den nicht invertierenden Pin an eine 1N4148-Diode anschließen. Andererseits sollten Sie den invertierenden Pin mit dem Eingangssignal Ihrer Wahl verbinden.

Beachten Sie, dass die Ausgangswellenform Ihrer Schaltung die Umkehrung des Eingangssignals ist. Somit folgt die Schaltung den Prinzipien herkömmlicher Nulldurchgangsdetektoren.

Wenn am Eingangspin ein positiver Strom anliegt, erkennt das Gerät dies. Die Änderung der Ausgangswellenform erfolgt, wenn die Spannungsreferenz auf Null ist. Das Gegenteil passiert, wenn Sie einen Gegenstrom anschließen. In diesem Fall ist die Ausgabe positiv.

4. Anwendungen des Nulldurchgangsdetektors

Es gibt einen breiten Anwendungsbereich von Nulldurchgangsdetektorschaltungen. Sie finden sie in einem elektronischen Gerät wie einem Frequenzzähler. Darüber hinaus findet man sie auch in leistungselektronischen Schaltungen.

Abbildung 4:Eine 3D-Darstellung elektronischer Komponenten

Hier sind einige der typischen Anwendungen einer Kreuzungsschaltung:

ZCD als Phasenmesser

Wenn Sie zwei Spannungen haben, können Sie einen ZCD als Phasenmesser verwenden, um den Phasenwinkel zu bestimmen. Der ZCD erhält zuerst sequentielle Impulse in den positiven und negativen Zyklen. Dann misst er die Spannung des Zeitintervalls des ersten Sinuswellen-Spannungsimpulses. Der Vorgang wird für den Spannungsimpuls der anderen Sinuswelle wiederholt.

Somit ergibt das Zeitintervall die Phasendifferenz zwischen den Eingangssignalspannungen. Sie können den Phasenmesser für Sinuswellen von null Grad bis 360 Grad verwenden.

ZCD als Zeitmarkengenerator

Betrachten Sie das Komparatorschaltbild eines Nulldurchgangsdetektors in Abbildung 1. Wenn der Eingangspin eine Sinuswelle ist, ist das Ausgangssignal ein Rechteckwellengenerator. Es entsteht also eine Reihenschaltung.

Stellen Sie sich außerdem ein Szenario vor, in dem die Zeitkonstante relativ klein zur Periode ist. In einem solchen Fall kann die Spannung an den Widerständen ein positiver Impuls sein. Es kann auch ein negativer Puls sein. Legen Sie über eine Diode eine Spannung an eine Clipper-Schaltung an. Lastspannung liefert er nur bei positiven Impulsen. Daher haben Sie eine Umwandlung der Sinuswelle eines Nulldurchgangsdetektors in positive Impulse. Voraussetzung für dieses Ergebnis ist eine Netzwerkschaltung und eine Clipper-Schaltung.

Nulldurchgangsdetektor mit IC 311 und Transistor

Abbildung 5:Wellengrafik

Sie können auch einen Nulldurchgangsdetektor beim Design einer Operationsverstärker-Komparatorschaltung verwenden. Wir haben diese direkte Anwendung in Abbildung 1 dargestellt. Wenn Sie sie auf diese Weise verwenden, handelt es sich um einen Rechteckwellenwandler.

Außerdem können Sie in dieser Schaltung entweder den invertierenden oder den nicht invertierenden Komparator als Nulldurchgangsdetektor verwenden. Trotzdem müssen Sie darauf achten, dass Sie die Referenzspannung auf Null setzen.

Das Arbeitsprinzip dieser Schaltung ähnelt auch den anderen Nulldurchgangsdetektoranwendungen.

Wenn also die positive Eingangsspannung Null kreuzt, befindet sich die Ausgangswellenform in negativer Sättigung. Wenn andererseits die Eingangsspannung negativ ist, befindet sich die Ausgangswellenform in positiver Sättigung.

Daher ergeben negative Zyklen im Welleneingang positive Wellenformen. In ähnlicher Weise erzeugen positive Zyklen im Welleneingang negative Wellenformen.

Nulldurchgangsdetektor mit Optokoppler

Eine weitere Möglichkeit zur Verwendung eines Nulldurchgangsdetektors besteht im Entwurfsprozess eines Optokopplers. Hier ist eine Illustration eines Optokopplers mit analogem Design.

Abbildung 6:Eine Optokoppler-Darstellung

Betrachtet man eine Ausgangswellenform der Schaltung, ändert sie sich abhängig vom Eingang. Wenn beispielsweise das Eingangssignal 0 erreicht, steigt die Ausgangswellenform an. Es tritt jedes Mal auf, wenn das Eingangssignal diesen Punkt erreicht, wie in den obigen Beispielen dargestellt.

Schlussfolgerung

Kurz gesagt, Nulldurchgangsdetektoren sind in Leistungssteuerungssystemen unerlässlich. Ohne sie wäre es möglich, Wechselstromkreise zu betreiben.

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