CN103698588A - 过零检测电路结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种过零检测电路结构，属于电路结构技术领域。该电路结构包括均连接电源的电流偏置电路模块和三级共射级放大电路模块，且过零检测输入端和过零检测输出端均连接所述的三级共射级放大电路模块。三级共射级放大电路模块的输入电压变化较现有技术中的单级共射放大器大幅减小，从而可提高过零点检测的准确度，有效缩短过零检测输出信号的上升和下降时间。同时该过零检测电路结构还包括连接于三级共射级放大电路模块与过零检测输入端之间的保护电路模块，从而有效降低过零点检测输入信号的电压。且本发明的过零检测电路结构的结构简单，成本低廉，所需采用的外围元件较少，安装调试简便，应用范围较为广泛。

Description

过零检测电路结构

技术领域

本发明涉及电路结构技术领域，特别涉及检测电路技术领域，具体是指一种过零检测电路结构。

背景技术

现有家用电器中，电控部分基本上都有继电器、可控硅等元器件。继电器在高压下反复吸合、断开或者可控硅在高压下的反复导通、截止，会产生大量的电磁干扰信号，同时会大大降低继电器、可控硅的使用寿命。为此需要一种检测电路来控制其吸合、断开的电位，使其切换过程在零点电压附近进行，以减少电磁干扰，并提高元器件的使用寿命。

中国专利201020625970.8公布了一种过零检测电路。其等效电路图如图1所示。通过二极管整流桥和分压电阻来采样电网的电位，三极管接成共射放大器形式，采样信号输入三极管的基极，三极管的集电极接上拉电阻，三极管集电极作为过零检测电路的输出。当采样信号低于0.7V时，三极管集电极输出高电平信号。

上述专利采用分立器件实现过零检测功能，具有如下缺点：

1、受分立器件的参数离散性影响，比如电阻值的误差、三极管BE结的正向导通电压的差异，过零点并不能做的很精确。

2、由于采用多个分立器件，该过零检测电路会占用一定的PCB板面积，也给电路的安装调试带来的不便。

3、采用一个三极管单级放大，开环增益较低，过零检测输出信号上升、下降时间会比较长，不适合高频应用。

4、没有保护电路，电网电压较高时，三极管基极电流会过大。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种能够有效解决现有技术中过零点不精确、上升时间较长以及没有保护电路等问题，且电路结构简单，成本低廉，所需采用的电路外围元件较少，安装调试简便，应用范围广泛的过零检测电路结构。

为了实现上述的目的，本发明的过零检测电路结构具有如下构成：

该电路结构包括电流偏置电路模块和三级共射级放大电路模块，所述的电流偏置电路模块和三级共射级放大电路模块均连接电源VCC，该过零检测电路结构的过零检测输入端和过零检测输出端均连接所述的三级共射级放大电路模块。

该过零检测电路结构中，所述的电流偏置电路模块包括第一NPN三极管N1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第一PNP三极管P1；所述的第一电阻R1和第二电阻R2串联于所述的电源VCC和地之间，第一电阻R1和第二电阻R2间的连接点与所述的第一NPN三极管N1的基极相连，所述的第三电阻R3的一端连接所述的第一NPN三极管N1的发射极，该第三电阻R3另一端接地，所述的第一PNP三极管P1的集电极与基极短接，并连接所述的第一NPN三极管N1的集电极；所述的第一PNP三极管P1的发射极连接电源VCC，该第一PNP三极管P1的基极还连接所述的三级共射级放大电路模块。

该过零检测电路结构中，所述的三级共射级放大电路模块包括第二NPN三极管N2、第三NPN三极管N3、第四NPN三极管N4、第四电阻R4、第二PNP三极管P2和第三PNP三极管P3；所述的第二PNP三极管P2和第三PNP三极管P3的发射极均连接所述的电源VCC，第二PNP三极管P2和第三PNP三极管P3的基极均连接所述的第一PNP三极管P1的基极；所述的第四电阻R4的一端也连接所述的连接电源VCC，其另一端连接所述的第二NPN三极管N2的集电极，所述的第二NPN三极管N2的集电极还连接所述的过零检测输出端；所述的第二NPN三极管N2的基极、所述的第三NPN三极管N3集电极以及所述的第二PNP三极管P2的集电极相互连接；所述的第四NPN三极管N4的集电极、所述的第三PNP三极管P3的集电极以及所述的第三NPN三极管N3的基极相互连接；所述的第二NPN三极管N2、第三NPN三极管N3和第四NPN三极管N4的发射极均接地；所述的第四NPN三极管N4的基极连接所述的过零检测输入端。

该过零检测电路结构中，所述的电路结构还包括保护电路模块，所述的保护电路模块连接于所述的三级共射级放大电路模块与所述的过零检测输入端之间。

该过零检测电路结构中，所述的保护电路模块包括第五NPN三极管N5、二极管D1和第五电阻R5；所述的第五NPN三极管N5的集电极与所述的二极管D1的阳极相连接，并连接所述的过零检测输入端；该第五NPN三极管N5的基极、所述的二极管D1的阴极、所述的第四NPN三极管N4的基极以及所述的第五电阻R5的一端相互连接；该第五电阻R5的另一端及所述的第五NPN三极管N5的发射极均接地。

该过零检测电路结构中，所述的电路结构还包括限流电阻R6和整流二极管D2，所述的过零检测输入端通过所述的限流电阻R6连接所述的整流二极管D2的阴极，所述的整流二极管D2的阳极连接外部电网电压。

采用了该发明的过零检测电路结构，其包括均连接电源的电流偏置电路模块和三级共射级放大电路模块，该过零检测电路结构的过零检测输入端和过零检测输出端均连接所述的三级共射级放大电路模块。三级共射级放大电路模块的输入电压变化较现有技术中的单级共射放大器大幅减小，从而可提高过零点检测的准确度，有效缩短过零检测输出信号的上升和下降时间。进一步的该发明的过零检测电路结构还包括连接于三级共射级放大电路模块与过零检测输入端之间的保护电路模块，从而有效降低过零点检测输入信号的电压，对过零检测电路提供保护。且本发明的过零检测电路结构，其结构简单，成本低廉，所需采用的电路外围元件较少，安装调试简便，应用范围也较为广泛。

附图说明

图1为现有技术中的一种过零检测电路的等效电路图。

图2为本发明的过零检测电路结构的电路示意图。

图3为本发明的过零检测电路结构中的三级共射放大部分的小信号交流等效图。

图4为本发明的过零检测电路结构的过零检测输入信号与输出信号波形图。

图5为本发明的过零检测电路结构连接外围应用示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术页面，特举以下实施例详细说明。

请参阅图2所示，为本发明的过零检测电路结构的电路示意图。

在一种实施方式中，该电路结构包括电流偏置电路模块和三级共射级放大电路模块，所述的电流偏置电路模块和三级共射级放大电路模块均连接电源VCC，该过零检测电路结构的过零检测输入端和过零检测输出端均连接所述的三级共射级放大电路模块。

在一种较优选的实施方式中，所述的电流偏置电路模块包括第一NPN三极管N1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第一PNP三极管P1；所述的第一电阻R1和第二电阻R2串联于所述的电源VCC和地之间，第一电阻R1和第二电阻R2间的连接点与所述的第一NPN三极管N1的基极相连，所述的第三电阻R3的一端连接所述的第一NPN三极管N1的发射极，该第三电阻R3另一端接地，所述的第一PNP三极管P1的集电极与基极短接，并连接所述的第一NPN三极管N1的集电极；所述的第一PNP三极管P1的发射极连接电源VCC，该第一PNP三极管P1的基极还连接所述的三级共射级放大电路模块。

在一种进一步优选的实施方式中，所述的三级共射级放大电路模块包括第二NPN三极管N2、第三NPN三极管N3、第四NPN三极管N4、第四电阻R4、第二PNP三极管P2和第三PNP三极管P3；所述的第二PNP三极管P2和第三PNP三极管P3的发射极均连接所述的电源VCC，第二PNP三极管P2和第三PNP三极管P3的基极均连接所述的第一PNP三极管P1的基极；所述的第四电阻R4的一端也连接所述的连接电源VCC，其另一端连接所述的第二NPN三极管N2的集电极，所述的第二NPN三极管N2的集电极还连接所述的过零检测输出端；所述的第二NPN三极管N2的基极、所述的第三NPN三极管N3集电极以及所述的第二PNP三极管P2的集电极相互连接；所述的第四NPN三极管N4的集电极、所述的第三PNP三极管P3的集电极以及所述的第三NPN三极管N3的基极相互连接；所述的第二NPN三极管N2、第三NPN三极管N3和第四NPN三极管N4的发射极均接地；所述的第四NPN三极管N4的基极连接所述的过零检测输入端。

在一种更进一步优选的实施方式中，所述的电路结构还包括保护电路模块，所述的保护电路模块连接于所述的三级共射级放大电路模块与所述的过零检测输入端之间。所述的保护电路模块包括第五NPN三极管N5、二极管D1和第五电阻R5；所述的第五NPN三极管N5的集电极与所述的二极管D1的阳极相连接，并连接所述的过零检测输入端；该第五NPN三极管N5的基极、所述的二极管D1的阴极、所述的第四NPN三极管N4的基极以及所述的第五电阻R5的一端相互连接；该第五电阻R5的另一端及所述的第五NPN三极管N5的发射极均接地。

在一种更优选的实施方式中，所述的电路结构还包括限流电阻R6和整流二极管D2，所述的过零检测输入端通过所述的限流电阻R6连接所述的整流二极管D2的阴极，所述的整流二极管D2的阳极连接外部电网电压。

在本发明的应用中，本发明的过零检测电路结构包括电流偏置部分、三级共射放大器的电压增益部分、保护部分、过零点确定部分，4个部分。

一、电流偏置的产生部分。

电流偏置部分用以产生PNP电流镜电流，PNP电流镜作为共射放大级的有源负载。电源电压VCC经电阻R1、R2分压后，作为NPN三极管N1的基极偏置电压。该电压减去N1管BE结正向压降（约0.7V）后即得到电阻R3上的压降。电阻R3上的电压降除以电阻R3的阻值即可求得N1管的发射极电流，记为I1。I1的计算公式为：

$I1=\frac{R2}{R3(R1+R2)}\mathrm{VCC}-\frac{0.7}{R3}$

由于N1的电流放大系数较大，N1的发射极电流与集电极电流可以认为近似相等。则P1的集电极电流就等于I1。由于P1、P2、P3组成镜像电流镜，则P2、P3的集电极电流I2、I3可以通过计算P1、P2、P3的发射区面积比求得。

$I2=\frac{A2}{A1}I1;$ $I3=\frac{A3}{A1}I1$

其中，A1是P1的发射区面积，A2是P2的发射区面积，A3是P3的发射区面积。I2、I3同时也是N3、N4的集电极电流。

二、三级共射放大器的电压增益部分。

三级共射放大部分的小信号交流等效图如图3所示。

N4组成的共射放大器增益为： $\frac{v1}{\mathrm{vin}}=-\mathrm{gm}4\×\frac{1}{\mathrm{gc}4+\mathrm{gce}4+\mathrm{gbe}3}.$

N3组成的共射放大器增益为： $\frac{v2}{v1}=-\mathrm{gm}3\×\frac{1}{\mathrm{gc}3+\mathrm{gce}3+\mathrm{gbe}2}.$

N2组成的共射放大器增益为： $\frac{\mathrm{vout}}{v2}=-{\mathrm{\β}}_2\frac{1}{\mathrm{rbe}2(g4+\mathrm{gce}2)}.$

上式中，gm4、gm3是N4、N3的跨导，

k是波尔兹曼常数，T是开尔文温度，q是基本电荷。V_T的值在常温时（300k）约25.9mV。

gc4是N4集电极串联电导，

V_P3是P3的厄立电压值。gce4是N4管集电极-发射极等效电导，

V_N4是N4的厄立电压值。gbe3是N3基极-发射极等效电导，

β₃是N3管的电流放大系数。

同样的，gc3是N3集电极串联电导，V_P2是P2的厄立电压值。gce3是N3管集电极-发射极等效电导，V_N3是N3的厄立电压值。gbe2是N2基极-发射极等效电导，

β₂是N2管的电流放大系数，I_C是N2管集电极电流。

g4是R4的电导。gce2是N2管的集电极-发射极等效电导。

V_N2是N2的厄立电压值。

三级共射放大部分的总增益是N2、N3、N4增益的乘积，如下式所示：

$\frac{\mathrm{vout}}{\mathrm{vin}}=-{\mathrm{\β}}_3{\mathrm{\β}}_4\frac{I_{C}R4V_{N2}}{V_T{V}_{N2}+I_C{V}_T}\·\frac{V_{P2}{V}_{N3}}{V_{N3}{\mathrm{\β}}_3{V}_T+V_{P2}{\mathrm{\β}}_3{V}_T+V_{P2}{V}_{N3}}\·\frac{V_{P3}{V}_{N4}}{V_{N4}{\mathrm{\β}}_4{V}_T+V_{P3}{\mathrm{\β}}_4{V}_T+V_{P3}{V}_{N4}}$

而采用单级共射放大器的过零保护电路电压增益是：

相当于N2管的增益，远小于三级共射放大的电压增益。

因此，增大电压增益的意义在于。当过零检测输出变化同样的电压值时。三级共射放大的输入电压变化会比单级共射放大器小很多，过零检测输出信号的上升、下降时间可以做的很小。本发明的过零检测电路结构的过零检测输入信号与输出信号波形图如图4为。

三、保护部分。

过零检测输入信号经过二极管D1后作用在N5的基极。N5接成负反馈方式。当过零检测输入信号增大时，N5基极输入信号增大，N5集电极电压降低，从而降低过零检测输入信号。过零检测输入端一般稳定在1.4V。

四、过零点确定部分。

如图5所示，本发明的过零检测电路只需外接一个限流电阻R6和整流二极管D2，即可直接接电网。当电网电压较高时，过零检测电路输出低电平。当电网电压降低到过零点时，过零检测输出高电平。选择不同的R6电阻值，可以改变过零点的大小。过零点电压的计算公式为：

V_ZERO＝V_D1+V_R5+V_D2+V_R6，

D1、R5、D2的电压约0.7V，R6上的电压V_R6为：

$V_{R6}=R6(I_{R5}+I5)=R6(\frac{0.7}{R5}+\frac{A5}{A4}I3).$

其中，I_R5即电阻R5上的电流，由于R5接在N5基极、发射极之间，其两端电压降约0.7V；I5是N5的集电极电流，由于N4和N5基极相连，N5的集电极电流I5与N4的集电极电流I3成比例，

A5、A4为N5、N4的发射区面积。

采用了该发明的过零检测电路结构，其包括均连接电源的电流偏置电路模块和三级共射级放大电路模块，该过零检测电路结构的过零检测输入端和过零检测输出端均连接所述的三级共射级放大电路模块。三级共射级放大电路模块的输入电压变化较现有技术中的单级共射放大器大幅减小，从而可提高过零点检测的准确度，有效缩短过零检测输出信号的上升和下降时间。进一步的该发明的过零检测电路结构还包括连接于三级共射级放大电路模块与过零检测输入端之间的保护电路模块，从而有效降低过零点检测输入信号的电压，对过零检测电路提供保护。且本发明的过零检测电路结构，其结构简单，成本低廉，所需采用的电路外围元件较少，安装调试简便，应用范围也较为广泛。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (6)

1.一种过零检测电路结构，其特征在于，所述的电路结构包括电流偏置电路模块和三级共射级放大电路模块，所述的电流偏置电路模块和三级共射级放大电路模块均连接电源（VCC），该过零检测电路结构的过零检测输入端和过零检测输出端均连接所述的三级共射级放大电路模块。

2.根据权利要求1所述的过零检测电路结构，其特征在于，所述的电流偏置电路模块包括第一NPN三极管（N1）、第一电阻（R1）、第二电阻（R2）、第三电阻（R3）和第一PNP三极管（P1）；所述的第一电阻（R1）和第二电阻（R2）串联于所述的电源（VCC）和地之间，第一电阻（R1）和第二电阻（R2）间的连接点与所述的第一NPN三极管（N1）的基极相连，所述的第三电阻（R3）的一端连接所述的第一NPN三极管（N1）的发射极，该第三电阻（R3）另一端接地，所述的第一PNP三极管（P1）的集电极与基极短接，并连接所述的第一NPN三极管（N1）的集电极；所述的第一PNP三极管（P1）的发射极连接电源（VCC），该第一PNP三极管（P1）的基极还连接所述的三级共射级放大电路模块。

3.根据权利要求2所述的过零检测电路结构，其特征在于，所述的三级共射级放大电路模块包括第二NPN三极管（N2）、第三NPN三极管（N3）、第四NPN三极管（N4）、第四电阻（R4）、第二PNP三极管（P2）和第三PNP三极管（P3）；所述的第二PNP三极管（P2）和第三PNP三极管（P3）的发射极均连接所述的电源（VCC），第二PNP三极管（P2）和第三PNP三极管（P3）的基极均连接所述的第一PNP三极管（P1）的基极；所述的第四电阻（R4）的一端也连接所述的连接电源（VCC），其另一端连接所述的第二NPN三极管（N2）的集电极，所述的第二NPN三极管（N2）的集电极还连接所述的过零检测输出端；所述的第二NPN三极管（N2）的基极、所述的第三NPN三极管（N3）集电极以及所述的第二PNP三极管（P2）的集电极相互连接；所述的第四NPN三极管（N4）的集电极、所述的第三PNP三极管（P3）的集电极以及所述的第三NPN三极管（N3）的基极相互连接；所述的第二NPN三极管（N2）、第三NPN三极管（N3）和第四NPN三极管（N4）的发射极均接地；所述的第四NPN三极管（N4）的基极连接所述的过零检测输入端。

4.根据权利要求3所述的过零检测电路结构，其特征在于，所述的电路结构还包括保护电路模块，所述的保护电路模块连接于所述的三级共射级放大电路模块与所述的过零检测输入端之间。

5.根据权利要求4所述的过零检测电路结构，其特征在于，所述的保护电路模块包括第五NPN三极管（N5）、二极管（D1）和第五电阻（R5）；所述的第五NPN三极管（N5）的集电极与所述的二极管（D1）的阳极相连接，并连接所述的过零检测输入端；该第五NPN三极管（N5）的基极、所述的二极管（D1）的阴极、所述的第四NPN三极管（N4）的基极以及所述的第五电阻（R5）的一端相互连接；该第五电阻（R5）的另一端及所述的第五NPN三极管（N5）的发射极均接地。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的过零检测电路结构，其特征在于，所述的电路结构还包括限流电阻（R6）和整流二极管（D2），所述的过零检测输入端通过所述的限流电阻（R6）连接所述的整流二极管（D2）的阴极，所述的整流二极管（D2）的阳极连接外部电网电压。

Images