วิธีสร้างวงจรตรวจจับการข้ามศูนย์

การสร้างวงจรตรวจจับการข้ามศูนย์เป็นเรื่องง่ายมากและสามารถนำไปใช้อย่างมีประสิทธิภาพเพื่อป้องกันอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความละเอียดอ่อนจากการเปิดไฟกระชาก

วงจรตรวจจับการข้ามศูนย์ส่วนใหญ่จะใช้เพื่อป้องกันอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จากการเปิดสวิตช์ไฟกระชากโดยตรวจสอบให้แน่ใจว่าในระหว่างการเปิดสวิตช์เปิดเฟสหลักจะ 'เข้า' วงจรที่จุดตัดศูนย์แรกเสมอ
น่าแปลกยกเว้น 'วิกิพีเดีย' ยังไม่มีเว็บไซต์ออนไลน์ชั้นนำอื่น ๆ ที่กล่าวถึงการประยุกต์ใช้แนวคิดเครื่องตรวจจับการข้ามศูนย์ที่สำคัญนี้ฉันหวังว่าพวกเขาจะอัปเดตบทความของพวกเขาหลังจากอ่านโพสต์นี้

เครื่องตรวจจับการข้ามศูนย์คืออะไร?

เราทุกคนรู้ว่าเฟส AC หลักของเราประกอบด้วยเฟสแรงดันไฟฟ้าไซน์สลับกันดังที่แสดงด้านล่าง:

ในกระแสสลับกระแสสลับนี้สามารถมองเห็นกระแสไฟฟ้าสลับไปมาบนเส้นศูนย์กลางและในระดับสูงสุดเชิงลบด้านบนและด้านล่างผ่านมุมเฟสเฉพาะ

มุมเฟสนี้สามารถมองเห็นได้เพิ่มขึ้นและลดลงแบบทวีคูณซึ่งหมายความว่ากำลังทำเช่นนั้นในลักษณะค่อยๆขึ้นและลงทีละน้อย

วงจรไฟฟ้ากระแสสลับเกิดขึ้น 50 ครั้งต่อวินาทีสำหรับไฟ 220 โวลต์และ 60 ครั้งต่อวินาทีสำหรับอินพุตไฟหลัก 120V ตามที่กำหนดโดยกฎมาตรฐาน การตอบสนอง 50 รอบนี้เรียกว่าความถี่ 50 Hz และ 60 Hz เรียกว่าความถี่ 60 Hz สำหรับเต้าเสียบไฟในบ้านของเรา

เมื่อใดก็ตามที่เราเปิดเครื่องใช้ไฟฟ้าหรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เป็นไฟเมนจะต้องมีการเข้าสู่เฟส AC อย่างกะทันหันและหากจุดเริ่มต้นนี้อยู่ที่จุดสูงสุดของมุมเฟสอาจบ่งบอกถึงกระแสไฟฟ้าสูงสุดที่ถูกบังคับให้อุปกรณ์ ที่จุดสวิตช์เปิด

แม้ว่าอุปกรณ์ส่วนใหญ่จะพร้อมสำหรับสิ่งนี้และอาจติดตั้งขั้นตอนการป้องกันโดยใช้ตัวต้านทานหรือ NTC หรือ MOV แต่ก็ไม่แนะนำให้พวกเขาตกอยู่ในสถานการณ์ที่คาดเดาไม่ได้อย่างกะทันหันเช่นนี้

ในการแก้ไขปัญหาดังกล่าวจะใช้ขั้นตอนการตรวจจับการข้ามศูนย์ซึ่งช่วยให้มั่นใจได้ว่าเมื่อใดก็ตามที่อุปกรณ์เปิดอยู่ด้วยกำลังไฟหลักวงจรการข้ามศูนย์จะรอจนกว่าวงจรเฟส AC ถึงเส้นศูนย์และเมื่อถึงจุดนี้จะเปิดสวิตช์ไฟ จ่ายไฟให้กับอุปกรณ์

วิธีออกแบบ Zero Crossing Detector

การออกแบบเครื่องตรวจจับการข้ามศูนย์ไม่ใช่เรื่องยาก เราสามารถสร้างมันโดยใช้ opamp ดังที่แสดงด้านล่างอย่างไรก็ตามการใช้ opamp สำหรับแนวคิดง่ายๆเนื่องจากดูเหมือนว่าจะเกินความจำเป็นดังนั้นเราจะพูดถึงวิธีการใช้งานแบบเดียวกันโดยใช้การออกแบบตามทรานซิสเตอร์ธรรมดา:

วงจรตรวจจับข้ามศูนย์ Opamp

หมายเหตุ: อินพุต AC ควรมาจาก Bridge Rectifier

รูปด้านบนแสดงวงจรเครื่องตรวจจับการข้ามศูนย์ที่ใช้ opamp 741 แบบง่ายๆซึ่งสามารถใช้ได้กับทุกแอปพลิเคชันที่ต้องการการดำเนินการตามการข้ามศูนย์

ดังจะเห็นได้ว่า 741 กำหนดค่าเป็นตัวเปรียบเทียบ โดยที่พินที่ไม่กลับด้านของมันจะเชื่อมต่อกับกราวด์ผ่านไดโอด 1N4148 ซึ่งทำให้ศักย์ตก 0.6V ที่ขาอินพุตนี้

ขาอินพุตอื่น # 2 ซึ่งเป็นขากลับด้านของ ther iC ใช้สำหรับการตรวจจับการข้ามศูนย์และใช้กับสัญญาณ AC ที่ต้องการ

ดังที่เราทราบว่าตราบใดที่พิน # 3 ศักย์ต่ำกว่าพิน # 2 ศักย์เอาท์พุทที่พิน # 6 จะเป็น 0V และทันทีที่แรงดันพิน # 3 อยู่เหนือพิน # 2 แรงดันเอาท์พุตจะเปลี่ยนไปอย่างรวดเร็ว ไปที่ 12V (ระดับอุปทาน)

ดังนั้นภายในสัญญาณ AC อินพุตที่ป้อนในช่วงที่แรงดันเฟสอยู่เหนือเส้นศูนย์หรืออย่างน้อยเหนือ 0.6V เหนือเส้นศูนย์เอาต์พุต opamp จะแสดงศักย์เป็นศูนย์ .... แต่ในช่วงเวลาที่ เฟสกำลังจะเข้าหรือข้ามเส้นศูนย์พิน # 2 จะพบกับการอ้างอิงที่มีศักยภาพต่ำกว่า 0.6V ตามที่กำหนดไว้สำหรับพิน # 3 ทำให้เอาต์พุตกลับเป็น 12V ทันที

ดังนั้นเอาต์พุตระหว่างจุดเหล่านี้จะกลายเป็นระดับสูง 12v และลำดับนี้จะเริ่มทำงานทุกครั้งที่เฟสข้ามเส้นศูนย์ของวงจรเฟส

รูปคลื่นผลลัพธ์สามารถเห็นได้ที่เอาต์พุตของ IC ซึ่งแสดงออกอย่างชัดเจนและยืนยันการตรวจจับการข้ามศูนย์ของ IC

ใช้วงจร Opto-coupler BJT

แม้ว่าเครื่องตรวจจับการข้ามศูนย์ opamp ที่กล่าวถึงข้างต้นจะมีประสิทธิภาพมาก แต่ก็สามารถใช้งานได้โดยใช้ตัวเชื่อมต่อออปโปแบบธรรมดาที่มีความแม่นยำดีพอสมควร

หมายเหตุ: อินพุต AC ควรมาจาก Bridge Rectifier

อ้างถึงภาพด้านบน BJT ในรูปแบบของโฟโตทรานซิสเตอร์ที่เกี่ยวข้องภายในตัวเชื่อมออปโปสามารถกำหนดค่าได้อย่างมีประสิทธิภาพเป็น วงจรตรวจจับการข้ามศูนย์ที่ง่ายที่สุด .

ไฟ AC ถูกป้อนเข้ากับ LED ของ opamp ผ่านตัวต้านทานที่มีค่าสูง ในระหว่างรอบเฟสตราบใดที่แรงดันไฟหลักสูงกว่า 2V โฟโตทรานซิสเตอร์จะอยู่ในโหมดการนำไฟฟ้าและการตอบสนองของเอาต์พุตจะอยู่ที่ใกล้ศูนย์โวลต์อย่างไรก็ตามในช่วงเวลาที่เฟสถึงเส้นศูนย์ของการเดินทาง LED ภายใน ออปโปปิดทำให้ทรานซิสเตอร์ปิดด้วยเช่นกันการตอบสนองนี้ทำให้ตรรกะสูงปรากฏขึ้นที่จุดเอาต์พุตที่ระบุของการกำหนดค่าทันที

วงจรการใช้งานจริงโดยใช้การตรวจจับการข้ามศูนย์

ตัวอย่างวงจรที่ใช้งานได้จริงโดยใช้การตรวจจับการข้ามศูนย์สามารถดูได้ด้านล่างที่นี่จะไม่อนุญาตให้เปลี่ยน Triac ที่จุดเฟสอื่นยกเว้นจุดตัดศูนย์เมื่อใดก็ตามที่เปิดเครื่อง

เพื่อให้แน่ใจว่าวงจรจะอยู่ห่างจากสวิตช์เปิดไฟกระชากและจากอันตรายที่เกี่ยวข้องเสมอ

หมายเหตุ: อินพุต AC ควรมาจาก Bridge Rectifier

ในแนวคิดข้างต้น triac ถูกยิงผ่าน SCR สัญญาณขนาดเล็กที่ควบคุมโดย PNP BJT PNP BJT นี้ได้รับการกำหนดค่าให้ดำเนินการตรวจจับการข้ามศูนย์สำหรับการสลับไตรแอคและโหลดที่เกี่ยวข้อง

ทุกครั้งที่เปิดเครื่อง SCR จะรับแหล่งจ่ายแอโนดจากแหล่งจ่ายไฟ DC ที่มีอยู่อย่างไรก็ตามแรงดันเกตของมันจะเปิดเฉพาะในช่วงเวลาที่อินพุตส่งผ่านจุดข้ามศูนย์แรกเท่านั้น

เมื่อ SCR ถูกทริกเกอร์ที่จุดข้ามศูนย์ที่ปลอดภัยมันจะยิงไตรแอกและโหลดที่เชื่อมต่อและในทางกลับกันจะกลายเป็นสลักเพื่อให้แน่ใจว่ากระแสเกตต่อเนื่องสำหรับไตรแอค

การสลับแบบนี้ที่จุดตัดเป็นศูนย์ทุกครั้งที่เปิดเครื่องจะช่วยให้มั่นใจได้ว่าการเปิดสวิตช์ที่ปลอดภัยสม่ำเสมอสำหรับโหลดจะช่วยขจัดอันตรายที่อาจเกิดขึ้นทั้งหมดที่มักเกี่ยวข้องกับการเปิดสวิตช์ไฟหลักกะทันหัน

การขจัดเสียงรบกวน RF

อีกหนึ่งแอปพลิเคชั่นที่ยอดเยี่ยมของวงจรตรวจจับการข้ามศูนย์สำหรับ ขจัดเสียงรบกวนในวงจรสวิตชิ่ง Triac . ลองดูตัวอย่างของไฟล์ วงจรหรี่ไฟอิเล็กทรอนิกส์ โดยปกติเราจะพบว่าวงจรดังกล่าวปล่อยสัญญาณรบกวน RF จำนวนมากสู่ชั้นบรรยากาศและเข้าไปในกริดหลักทำให้เกิดการทิ้งฮาร์มอนิกโดยไม่จำเป็น

สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากการตัดกันอย่างรวดเร็วของการนำไตรแอคข้ามรอบบวก / ลบผ่านเส้นตัดศูนย์ ... โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงการเปลี่ยนผ่านศูนย์ที่ไตรแอคอยู่ภายใต้เขตแรงดันไฟฟ้าที่ไม่ได้กำหนดทำให้เกิดกระแสชั่วคราวอย่างรวดเร็วซึ่งใน การเลี้ยวจะส่งเสียงเป็นสัญญาณรบกวน RF

เครื่องตรวจจับการข้ามศูนย์หากเพิ่มในวงจรที่ใช้ไตรแอค กำจัดปรากฏการณ์นี้โดยปล่อยให้ Triac ยิงเฉพาะเมื่อวงจร AC ข้ามเส้นศูนย์อย่างสมบูรณ์แบบซึ่งจะช่วยให้การสลับไตรแอกสะอาดหมดจดซึ่งจะช่วยขจัด RF ชั่วขณะ

อ้างอิง:

วงจร Zero Crossing