Схема синхронизации от сети с отдельными выходами для каждого полупериода

Нередко измерения слабых сигналов приходится выполнять на фоне сильных сетевых помех. В тех случаях, когда с помощью фильтров избавиться от помех не удается, все равно остается возможность получать правильные результаты, производя два последовательных измерения через интервал времени, равный длительности нечетного количества полупериодов сетевого напряжения. Если затем усреднить результаты этих измерений, сигналы помехи, имеющие противоположную полярность, взаимоуничтожатся. При усреднении результатов не двух, а нескольких последовательных пар измерений, результаты станут еще точнее. Для этих целей может оказаться полезной схема, имеющая два выхода для синхронизации с четными или нечетными полупериодами напряжения сети.

Рисунок 1.	Моменты перехода сетевого напряжения через ноль эта схема отмечает оптически изолированными сигналами.

Показанная на Рисунке 1 схема вырабатывает два раздельных оптически изолированных выходных сигнала ISO₁ и ISO₂, которые можно использовать для синхронизации с требуемыми полупериодами напряжения сети. Рисунок 2 демонстрирует результаты моделирования схемы с использованием бесплатной версии TINA-TI. Схема рассчитана на входное напряжение переменного тока от 80 до 240 В и потребляет от сети ток менее одного миллиампера.

 

Рисунок 2.	Результаты моделирования иллюстрируют работу схемы.

На выходах ISO₁ и ISO₂ формируются импульсы длительностью менее миллисекунды, положение задних фронтов которых зависит от величины емкости конденсатора C₁, что позволяет добиться точной синхронизации заднего фронта с моментом пересечения нуля сетевым напряжением. В схеме использованы одинаковые маломощные диоды типа 1N4148 (D₁ … D₅). Допустима замена на любые аналогичные диоды.

Схема работает следующим образом. В течение положительного полупериода сетевого напряжения C₃ заряжается через цепи R_1A - R_1B - D₁ и D₅ - D₃ - R_2B - R_2A. При эффективной постоянной времени заряда равной примерно 43 мс, за время полупериода конденсатор едва успевает зарядиться до некоторого незначительного уровня. Когда сетевое напряжение падает ниже напряжения, до которого зарядился C₃ (что происходит чуть раньше окончания полупериода), заряд прекращается, и конденсатор начинает разряжаться через резистор R₃ и базу транзистора Q₅. Транзистор открывается и разряжает C₃ через светодиод оптрона OC₁, на выходе ISO₁ которого формируется импульс. Во время отрицательного полупериода все повторяется, только теперь заряжается конденсатор C₂ через диоды D₄ и D₂, а транзистор Q₅ в конце полупериода включается током, протекающим через резистор R₄.

Увеличив постоянную времени, длительность выходного импульса можно сократить примерно до 600 мкс. Для этого нужно увеличить сопротивления резисторов R₁ и R₂ и емкости конденсаторов C₂ и C₃. Правда, расплатой за это станет сужение диапазона допустимых входных напряжений.

Детальное моделирование показывает, что при входном напряжении 250 В AC напряжение на C₂ и C₃ всегда будет меньше 5 В, что позволяет использовать конденсаторы с номинальным напряжением 10 В. Максимальное напряжение на C₁ менее 10 В AC, а обратное напряжение на диодах не достигает 6 В. Протекающий через светодиод оптоизолятора пиковый ток не превышает 8 мА. Единственные компоненты, которые должны выдерживать сетевое напряжение – входные резисторы R_1A, R_1B, R_2A и R_2B. Их сопротивления одинаковы, поэтому каждый должен быть рассчитан на 25% входного напряжения.

Измерения в собранной схеме продемонстрировали хорошее совпадение с результатами моделирования. В этом несложно убедиться, взглянув на осциллограммы (Рисунки 3 и 4), снятые при трех значениях емкости C₁.

 

Рисунок 3.	Сигналы ISO1 и ISO2, измеренные на фоне напряжения сети, подтверждают работоспособность схемы.

 

Рисунок 4.	Центральная часть Рисунка 3 в увеличенном до 200 мкс/дел масштабе по горизонтали. Для удобства наблюдения выходные сигналы смещены по вертикали.

Ссылки

1. «DIY: Isolated high-quality mains voltage zero-crossing detector», www.dextrel.net/ diyzerocrosser.htm.
2. Matteini, Luca, «Mains-driven zero-crossing detector uses only a few high-voltage parts», EDN, Dec 1, 2011.