Nulldurchgangsdetektoren-Wie halten Leistungssteuerungssysteme hohen Einschaltströmen stand? Das scheint eine mühsame Aufgabe zu sein. Doch genau hier kommen die Nulldurchgangsdetektoren (ZCD) ins Spiel.
Mit der Nulldurchgangserkennung wird der Übergang einer Signalform nahtlos erfolgen. Daher ist eine Nulldurchgangsdetektorschaltung wichtig für Systeme, die ein Zeitintervall benötigen.
Wir werden die Funktionsweise von Nulldurchgangsdetektoren näher erläutern. Außerdem erläutern wir einfache Methoden zur Erstellung einer Kreuzungsdetektorschaltung. Lesen Sie also weiter, um mehr zu erfahren.
1. Nulldurchgangsdetektoren Prinzip
Ein Nulldurchgangsdetektor arbeitet in einem Schaltkreisnetz von elektrischen Leistungssteuerungen. Er erleichtert die Umwandlung der Ausgangswellenform eines Komparators. Dies geschieht, wenn ein Wechselstromsignal die Referenzspannung Null erreicht. Folglich verzögert das Gerät die Zeit. Ziel ist es, die Schaltung vor hohen Eingangssignalströmen zu schützen.
2. Grundlegende Beschreibung der Schaltung eines Nulldurchgangsdetektoren
Zunächst wird die Schaltung eines Nulldurchgangsdetektors dargestellt.
Abbildung 1: Schaltplan für einen Nulldurchgangsdetektor.
Die obige Serienschaltung zeigt eine einfache Nulldurchgangsdetektorschaltung. Beim Zusammenbau ist das Eingangssignal an den invertierenden Anschluss des Operationsverstärkers anzuschließen. Der nichtinvertierende Anschluss wird über Eingangswiderstände geerdet.
Das Gerät erkennt, wenn sich das Eingangssignal von der Referenzspannung unterscheidet. 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 liegt der Referenzspannungspegel bei Null. Das System vergleicht die Sinuswelle am Eingang des Operationsverstärkers mit der Referenzspannung.
In jedem Fall verschiebt sich die Phase der Sinuswelle von negativ nach positiv und umgekehrt.
Betrachten wir nun jedes wahrscheinliche Szenario des Eingangssignals.
Nehmen wir zum Beispiel den Fall an, dass ein positives Sinussignal am Eingang anliegt. Der Komparator vergleicht das Eingangssignal mit dem Referenzspannungspegel. Daher lautet die Gleichung für dieses Szenario:
V Ausgang = VReferenz – VEingangssignal
Da die Referenzspannung 0 V beträgt, können wir VReferenz mit Null gleichsetzen. Somit ändert sich die Gleichung in:
V Ausgang = 0 – VEingangssignal
Folglich wird die Spannung des Ausgangswellensignals eine negative Sättigung aufweisen. Prüfen Sie diese endgültige Gleichung:
V Ausgang = – VEingangssignal
Ein positiver Impuls führt also zu einer negativen Ausgangswellenform.
Betrachten wir andererseits ein Szenario, in dem ein negatives Sinussignal vorliegt. Auch hier vergleicht der Komparator das Eingangssignal mit dem Referenzspannungspegel.
Folglich lautet die Gleichung wieder V Ausgang = VReferenz -VEingangssignal.
Wenn wir = VReferenz in der Gleichung durch Null ersetzen, erhalten wir,
V Ausgang = 0 – (VEingangssignal)
Somit ist V Ausgang = + VEingangssignal
Das Ausgangswellensignal weist in diesem Fall eine positive Sättigung auf.
Daher wandelt der Nulldurchgangsdetektor das Eingangssignal effizient in eine Ausgangswellenform mit entgegengesetztem Vorzeichen um. Wenn das Eingangssignal negativ ist, wandelt der Nulldurchgangsdetektor es in ein positives Signal um und umgekehrt.
3. Wie baut man eine Nulldurchgangsdetektoren-Schaltung?
Abbildung 3: Sinusschwingungen
Sie können einen Nulldurchgangsdetektor leicht entwerfen. Außerdem können Sie diese Schaltung für eine breite Palette von Anwendungen verwenden.
Hier sind die Bauteile, die du für diese Schaltung brauchst:
Eine 6-V-Zener-Diode
Zwei 100K-Widerstände
IC 741 Komparator
Sie müssen sicherstellen, dass Sie den Eingangswechselstrom von einem Brückengleichrichter beziehen. Außerdem arbeitet der IC 741 in dieser Schaltung als Komparator. Sie sollten eine Versorgungsspannung von 12 V bereitstellen.
Schließen Sie außerdem den nicht invertierenden Pin an eine Diode 1N4148 an. Den invertierenden Pin sollten Sie dagegen mit dem Eingangssignal Ihrer Wahl verbinden.
Beachten Sie, dass die Ausgangswellenform Ihrer Schaltung die Umkehrung des Eingangssignals sein wird. Die Schaltung folgt also den herkömmlichen Prinzipien von Nulldurchgangsdetektoren.
Wenn am Eingangsstift ein positiver Strom anliegt, wird dies vom Gerät erkannt. Die Änderung der Ausgangswellenform erfolgt, wenn die Referenzspannung auf Null steht. Das Gegenteil ist der Fall, wenn Sie einen entgegengesetzten Strom anschließen. In diesem Fall wird der Ausgang positiv sein.
4. Anwendungen des Nulldurchgangsdetektoren
Es gibt eine breite Palette von Anwendungen für Nulldurchgangsdetektorschaltungen. Man findet sie in einem elektronischen Gerät wie einem Frequenzzähler. Außerdem 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
Bei zwei Spannungen können Sie einen ZCD als Phasenmesser verwenden, um den Phasenwinkel zu bestimmen. Der ZCD erhält zunächst sequentielle Impulse im positiven und negativen Zyklus. Dann misst es die Spannung im Zeitintervall des ersten Sinusspannungsimpulses. Dieser Vorgang wird für den Spannungsimpuls der anderen Sinuswelle wiederholt.
Das Zeitintervall ergibt also die Phasendifferenz zwischen den Eingangssignalspannungen. Sie können den Phasenmesser für Sinuswellen von null Grad bis 360 Grad verwenden.
ZCD als Zeitmarker-Generator
Betrachten Sie das Komparatorschaltbild eines Nulldurchgangsdetektors in Abbildung 1. Wenn der Eingangspin eine Sinuswelle ist, ist das Ausgangssignal ein Rechteckwellengenerator. Es wird also eine Reihenschaltung erzeugt.
Betrachten wir auch ein Szenario, in dem die Zeitkonstante relativ klein zur Periode ist. In einem solchen Fall kann die Spannung an den Widerständen ein positiver Impuls sein. Sie kann aber auch ein negativer Impuls sein. Legen Sie über eine Diode eine Spannung an eine Clipper-Schaltung an. Sie liefert eine Lastspannung nur mit positiven Impulsen. Man hat also eine Umwandlung der Sinuswelle eines Nulldurchgangsdetektors in positive Impulse. Die Voraussetzung für dieses Ergebnis ist eine Netzwerkschaltung und eine Clipper-Schaltung.
Nulldurchgangsdetektor mit IC 311 und Transistor
Abbildung 5: Wellengrafik
Sie können einen Nulldurchgangsdetektor auch beim Entwurf einer Op-Amp-Komparatorschaltung verwenden. Wir haben diese direkte Anwendung in Abbildung 1 dargestellt. Wenn Sie ihn auf diese Weise verwenden, handelt es sich um einen Rechteckwellenwandler.
Außerdem können Sie in dieser Schaltung entweder den invertierenden oder den nichtinvertierenden Komparator als Nulldurchgangsdetektor verwenden. Sie müssen jedoch sicherstellen, dass Sie die Referenzspannung auf Null setzen.
Das Funktionsprinzip dieser Schaltung ist ähnlich wie bei den anderen Anwendungen des Nulldurchgangsdetektors.
Wenn also die positive Eingangsspannung den Nullpunkt durchbricht, ist die Ausgangswellenform negativ gesättigt. Ist die Eingangsspannung hingegen negativ, so 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, einen Nulldurchgangsdetektor zu verwenden, ist der Entwurfsprozess eines Optokopplers. Hier ein Beispiel für einen Optokoppler mit analogem Design.
Abbildung 6: Illustration eines Optokopplers
Betrachtet man die Ausgangswellenform der Schaltung, so ändert sie sich je nach Eingangssignal. Wenn das Eingangssignal zum Beispiel den Wert 0 erreicht, steigt die Ausgangswellenform an. Dies geschieht jedes Mal, wenn das Eingangssignal diesen Punkt erreicht, wie in den obigen Beispielen dargestellt.
Fazit
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Nulldurchgangsdetektoren in Leistungssteuerungssystemen unerlässlich sind. Ohne sie wäre es möglich, Wechselstromkreisläufe zu betreiben.
Wir haben weitere Erkenntnisse über andere Arten von Schaltungen. Auf unserer Website finden Sie weitere Informationen über Schaltungen. Zögern Sie auch nicht, uns bei Fragen zu kontaktieren.
