CN114859108A - 双向过零检测电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双向过零检测电路和方法，检测电路包括：正到负过零检测模块，负到正过零检测模块，光耦模块；当所述交流电信号处于非过零点时，向储能电容进行充电，开关管断开，光耦模块无输出；当所述交流电信号处于过零点时，储能电容进行放电，开关管导通，储能电容的能量传递给光耦模块，光耦模块开启，触发过零检测信号；正到负过零点和负到正过零点的储能电容放电时间不同。该电路只有少量分立器件和一个光耦组成，节约PCB空间，降低成本；过零检测信号输出只有一根信号，节约MCU的IO资源；功耗低；通过脉冲宽度的差异可以判断过零的方向；检测范围宽；检测精度高。

Description

双向过零检测电路和方法

技术领域

本发明涉及电路设计领域，特别是涉及一种双向过零检测电路和方法。

背景技术

许多技术领域常会检测交流电的过零点，如台区识别、相位判断、通讯信号的过零同步等。目前大部分都是单向过零检测电路，双向过零电路相对较少，如图1是目前常用的一种双向过零电路，采用两个光耦隔离方案叠加在一起，U1提供正向过零，U2提供反向过零，通过门电路将两个过零合并在一起，该方案功耗偏大，成本偏高，并且过零点不精确，需要通过软件补偿；图2是整流加光耦隔离方案，桥堆对交流信号整流，输出正半周和负半周两个脉冲，经过光耦隔离和三极管整形输出；该方案功耗偏高，过零点不精确，与真实过零点相距甚远；另外常见的还有变压器加整流方案，通过变压器将AC220变成低压，在通过二极管整流，三极管整形输出过零；该方案采用变压器，成本偏高，并且过零点存在很大偏差；

可以看出，以上几种现有技术方案的缺点为：成本过高、器件偏多需要消耗更多PCB空间，功耗偏高，而且无法区分过零的方向；因此如何提出一种电路结构简单，成本低，功耗低，能够区分过零方向，检测精度高的过零检测电路和方法已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种双向过零检测电路和方法，用于解决现有技术中电路复杂，功耗高，而且无法区分过零方向的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种双向过零检测电路包括：正到负过零检测模块，负到正过零检测模块及光耦模块；

所述正到负过零检测模块包括：第一二极管，第一稳压二极管，第一电容，第一开关管及第二电阻；其中，所述第一稳压二极管的阴极连接交流电源的电流输出端，阳极连接所述第一电容的一端；所述第一电容的另一端连接所述第一二极管的阴极；所述第一二极管的阳极连接所述第一稳压二极管的阴极；所述第一开关管的控制端通过所述第二电阻连接所述第一二极管的阳极，输入端连接所述第一二极管的阴极。

所述负到正过零检测模块包括：第二二极管，第二稳压二极管，第二电容，第二开关管及第四电阻；其中，所述第二稳压二极管的阳极连接所述第一稳压二极管的阳极，第二稳压二极管阴极连接交流电源的电流输入端；所述第二电容一端连接所述第二稳压二极管的阳极，另一端连接所述第二二极管的阴极；所述第二二极管的阳极连接所述第二稳压二极管的阴极；所述第二开关管的控制端通过所述第四电阻连接第二二极管的阳极，输入端连接所述第二二极管的阴极。

所述光耦模块的第一输入端连接所述第一开关管及所述第二开关管的输出端，第二输入端连接所述第二稳压二极管的阳极，第一输出端输出过零检测信号。

可选地，所述双向过零检测电路还包括第一限流模块和第二限流模块，所述第一限流模块连接于所述交流电源的电流输出端和所述正到负过零检测模块的输入端之间；所述第二限流模块连接于所述交流电源的电流输入端和所述正到负过零检测模块的输入端之间。

可选地，所述第一限流模块为第一电阻，所述第二限流模块为第三电阻。

可选地，所述第一开关管和所述第二开关管为三极管。

可选地，所述光耦模块包括光耦隔离器和滤波单元。

可选地，所述第一电容和所述第二电容的容值不同。

本发明还提供一种双向过零检测方法:当交流电信号处于正半周时，第二稳压二极管和第一二极管正向导通，第一稳压二极管两端电压稳定在第一电压，通过交流电源-第一二极管-第一电容-第二稳压二极管-交流电源构成的回路对第一电容进行充电；第一开关管处于关断状态；当交流电信号处于正半周到负半周的过零点时，第一开关管开启，第一电容通过第一电容-第一开关管-光耦模块-第一电容构成的回路进行放电，从而将光耦模块开启，触发过零检测信号输出；当交流电信号处于负半周时，第一稳压二极管和第二二极管正向导通，第二稳压二极管两端电压稳定在第二电压，通过交流电源-第二二极管-第二电容-第一稳压二极管-交流电源构成的回路对第二电容进行充电；第二开关管处于关断状态；当交流电信号处于负半周到正半周的过零点时，第二开关管开启，第二电容通过第二电容-第二开关管-光耦模块-第二电容构成的回路进行放电，从而将光耦模块开启，触发过零检测信号输出。

可选地，当交流信号处于正半周和负半周时，所述第一电容和所述第二电容的充电回路还包括第一限流模块和第二限流模块，用来对充电回路的电流进行限制。

可选地，当交流电信号处于正半周到负半周的过零点和负半周到正半周的过零点时，所述第一电容和所述第二电容的放电时间不同。

如上所述，本发明的双向过零检测电路和方法，具有以下有益效果：

1电路结构简单，只有少量分立器件和一个光耦组成，从而节约PCB空间，降低成本；

2过零检测信号输出只有一根信号，可以节约MCU的IO资源；

3消耗功耗低，相比现有的几种双向过零方案，消耗功耗低很多；

4可以检测过零方向，两个过零的脉冲宽度不一致，可以通过脉冲宽度的差异判断过零的方向；

5检测范围宽，在AC176V–AC420V输入范围都可以正常工作；

6检测精度高，几乎与过零点完全吻合，目前测试误差在几十uS量级。

附图说明

图1显示为现有技术中的双向过零检测电路示意图；

图2显示为现有技术中的另一种双向过零检测电路示意图；

图3显示为本发明的双向过零检测电路框图；

图4显示为本发明的双向过零检测电路图；

图5显示为本发明的双向过零检测电路仿真输出示意图。

元件标号说明

1 第一限流模块

2 正到负过零检测模块

3 负到正过零检测模块

4 光耦模块

41 滤波单元

5 第二限流模块

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图3～图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

如图3和图4所示，本实施例提供一种双向过零检测电路，所述双向过零检测电路包括：正到负过零检测模块2，负到正过零检测模块3，光耦模块4。

如图3所示，所述正到负过零检测模块2包括：第一二极管D1，第一稳压二极管VD1，第一电容C1，第一开关管Q1及第二电阻R2；所述第一稳压二极管VD1的阴极连接交流电源的电流输出端，阳极连接所述第一电容C1的一端；所述第一电容C1的另一端连接所述第一二极管D1的阴极；所述第一二极管D1的阳极连接所述第一稳压二极管VD1的阴极；所述第一开关管Q1的控制端通过第二电阻R2连接第一二极管D1的阳极，输入端连接所述第一二极管D1的阴极。

如图3所示，所述负到正过零检测模块3包括：第二二极管D2，第二稳压二极管VD2，第二电容C2，第二开关管Q2及第四电阻R4；所述第二稳压二极管VD2的阳极连接所述第一稳压二极管VD1的阳极，第二稳压二极管VD2阴极连接交流电源的电流输入端；所述第二电容C2一端连接所述第二稳压二极管VD2的阳极，另一端连接所述第二二极管D2的阴极；所述第二二极管D2的阳极连接所述第二稳压二极管VD2的阴极；所述第二开关管Q2的控制端通过第四电阻R4连接第二二极管D2的阳极，输入端连接所述第二二极管D2的阴极。

具体地，所述第一开关管Q1和所述第二开关管Q2为三极管，分别对应第一三极管和第二三极管。

更具体地，作为示例，所述第一开关管Q1和所述第二开关管Q2为PNP三极管，PNP三极管的基极为所述开关管的控制端，发射极为所述开关管的输入端，集电极为所述开关管的输出端。

需要说明的是，所述第一开关管Q1和所述第二开关管Q2的类型和型号包括但不限于本实施例，在此就不一一列举，任意能够在过零点附近构成所述第一电容C1和第二电容C2放电回路的第一开关管Q1和第二开关管Q2的类型和型号均满足该发明。

需要说明的是，所述第一稳压二极管VD1和所述第二稳压二极管VD2的作用是提供稳定的电压，使当交流电源处于正半周或负半周时，所述第一二极管D1和所述第一电容C1两端的电压，所述第二二极管D2和所述第二电容C2两端的电压保持恒定。

具体地，所述第一电容C1和所述第二电容C2容值不同。

需要说明的是，所述第一电容C1和所述第二电容C2的作用是储能，当交流电源处于非过零点时，所述第一电容C1充满电的电压为第一稳压二极管VD1反向稳定电压值减去第一二极管D1的正向压降，所述第二电容C2充满电的电压为第二稳压二极管VD2反向稳定电压值减去第二二极管D2的正向压降，当交流电源处于过零点时，所述第一电容C1和所述第二电容C2通过与所述光耦模块4建立回路进行放电，触发所述光耦模块4输出过零检测信号V0；当所述第一电容C1和所述第二电容C2的容值不同时，交流电信号处于正半周到负半周的过零点和处于负半周到正半周的过零点时，触发的过零检测信号V0的脉冲宽度不同，从而可以区分出两个过零检测点。

进一步需要说明的是，所述第一电容C1和第二电容C2的容值的选取，要保证在交流电源在正半周或负半周的半个周期内将所述第一电容C1和所述第二电容C2充满电，具体的容值不做限定；任意能够根据实际设计需要，保证在交流电源半个周期内将所述第一电容C1和所述第二电容C2能够充满电，且所述检测信号脉冲宽度能够满足实际设计需要的所述第一电容C1和第二电容C2的容值均满足该发明。

如图3所示，所述光耦模块4包括光耦隔离器U1和滤波单元41。

具体地，所述光耦隔离器U1主要用于过零检测信号V0的传递和强弱电的隔离，所述光耦隔离器U1的第一输入端连接所述第一开关管Q1和所述第二开关管Q2的输出端，第二输入端连接所述第二稳压二极管VD2的阳极，第一输出端输出过零检测信号V0，第二输出端接外部电源VDD。

更具体地，所述滤波单元41包括第五电阻R5和第三电容C3，所述第五电阻R5的一端和第三电容C3的一端连接于所述光耦模块4的第一输出端，所述第五电阻R5的另一端和所述第三电容C3的另一端均接地，所述滤波单元41用来滤除所述的过零检测信号V0中的干扰。

具体地，所述双向过零检测电路还包括第一限流模块1和第二限流模块5，所述第一限流模块1连接于所述交流电源的电流输出端和所述正到负过零检测模块的输入端之间；所述第二限流模块5连接于所述交流电源的电流输入端和所述正到负过零检测模块的输入端之间；所述第一限流模块1和所述第二限流模块5用来对电流进行限制，从而限制整个电路的功耗。

如图3所示，作为示例，所述第一限流模块1为第一电阻R1，所述第二限流模块5为第三电阻R3；所述第一电阻R1一端连接所述交流电源的电流输出端，另一端连接所述第一稳压二极管VD1的阴极；所述第三电阻R3一端连接所述交流电源的电流输入端，另一端连接所述第二稳压二极管VD2的阴极。

需要说明的是，所述第一电阻R1和第三电阻R3阻值不做限定，电阻阻值越大，电路电流越小，电路功耗也会越小，能够满足设计功耗需求的电阻阻值大小均满足该发明。

实施例二

本实施例提供一种双向过零检测方法，该方法基于实施例一中的双向过零检测电路进行。

当交流电信号处于正半周时，第二稳压二极管VD2和第一二极管D1正向导通，第一稳压二极管VD1两端电压稳定在第一电压，通过交流电源-第一电阻R1-第一二极管D1-第一电容C1-第二稳压二极管VD2-第三电阻R3-交流电源构成的回路对第一电容C1进行充电；第一开关管Q1处于关断状态。

需要说明的是，当所述交流电信号处于正半周时，由于所述第一二极管D1正向导通，所述第一二极管D1的阳极电压高于阴极电压，对应的所述第一三极管Q1的基级电压高于发射极电压，所述第一三极管Q1处于截至状态，使得所述第一三极管Q1的发射极和集电极断开；所述第一电容C1充满电的电压为所述第一电压减去所述第一二极管D1的正向压降。

当交流电信号处于正半周到负半周的过零点时，所述第一稳压二极管VD1正向导通，所述第一开关管Q1导通，所述第一电容C1通过第一电容C1-第一开关管Q1-光耦隔离器U1-第一电容C1构成的回路进行放电，从而将光耦隔离器U1开启，触发过零检测信号V0输出。

需要说明的是，当所述交流电信号处于正半周到负半周的过零点时，所述第一稳压二极管VD1正向导通，所述第一三极管Q1的发射极电压高于基级电压，使得所述第一三极管Q1处于饱和状态，从而使得所述第一三极管Q1的发射极和集电极导通。

当交流电信号处于负半周时，所述第一稳压二极管VD1和所述第二二极管D2正向导通，所述第二稳压二极管VD2两端电压稳定在第二电压，通过交流电源-第三电阻R3-第二二极管D2-第二电容C2-第一稳压二极管VD1-第一电阻R1-交流电源构成的回路对第二电容C2进行充电；第二开关管Q2处于关断状态。

需要说明的是，当所述交流电信号处于负半周时，由于第二二极管D2正向导通，所述第二二极管D2的阳极电压高于阴极电压，对应的所述第二三极管Q2的基级电压高于发射极电压，所述第二三极管Q2处于截至状态，使得所述第二三极管Q2的发射极和集电极断开；所述第二电容C2充满电的电压为所述第二电压值减去第二二极管D2的正向压降。

当交流电信号处于负半周到正半周的过零点时，所述第二稳压二极管VD2正向导通，所述第二开关管Q2导通，所述第二电容C2通过第二电容C2-第二开关管Q2-光耦隔离器U1-第二电容C2构成的回路进行放电，从而将所述光耦隔离器U1开启，触发过零检测信号V0输出。

需要说明的是，当所述交流电信号处于负半周到正半周的过零点时，所述第二稳压二极管VD2正向导通，所述第二三极管Q2的发射极电压高于基级电压，使得所述第二三极管Q2处于饱和状态，从而使得所述第二三极管Q2的发射极和集电极导通。

具体地，当交流电信号处于正半周到负半周的过零点和负半周到正半周的过零点时，所述第一电容C1和所述第二电容C2的放电时间不同，从而使触发的过零检测信号V0的脉冲宽度不同，从而可以区分出正半周到负半周的过零点和负半周到正半周的过零点；脉冲宽度可以通过第一电容C1和第二电容C2的容值进行调节。

需要说明的是，当交流信号处于正半周和负半周时，所述第一电容和所述第二电容的充电回路中的第一电阻R1和第三电阻R3分别充当第一限流模块和第二限流模块的作用，用来对充电回路的电流进行限制。

如图5所示，为所述双向过零检测电路和方法的仿真时序图，第二电容C2大于第一电容C1的容值，从图中可以看出，第一电容C1和第二电容C2容值不同，因此两者开启后放电时间不同，维持光耦开启的时间不同，光耦输出的过零检测信号V0的脉冲宽度也不同。正半周向负半周过零的脉冲宽度稍窄，负半周向正半周过零的脉冲宽度稍宽，根据脉冲宽度的不同可以区分两个过零点。为方便显示，虚线正弦波为按89:1比例缩小的AC220信号，实线脉冲信号为该电路的过零输出信号，可以看出脉冲信号的上升沿和过零点几乎完全吻合，测试误差为几十uS量级。

需要说明的是，所述双向过零检测电路和方法在输入交流电源在AC176V–AC420V输入范围都可以正常工作，输出的过零检测信号V0无差异。

综上所述，本发明的双向过零检测电路只有少量分立器件和一个光耦组成，节约PCB空间，降低成本；过零检测信号V0输出只有一根信号，可以节约MCU的IO资源；功耗低，相比现有的几种双向过零方案，消耗功耗低很多，只需要保证在半个周期内将储能电容充满即可，储能电容容值很小，因此限流电阻可以选择比较大的阻值，只需要很小的消耗，约47mW，如果降低脉冲宽度，消耗更低；可以检测双向过零，两个过零的脉冲宽度不一致，可以通过脉冲宽度的差异判断过零的方向；检测范围宽，在AC176V–AC420V输入范围都可以正常工作，输出的过零检测信号V0无差异；检测精度高，几乎与过零点完全吻合，测试误差在几十uS量级。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅示例性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种双向过零检测电路，其特征在于，所述双向过零检测电路包括：正到负过零检测模块，负到正过零检测模块及光耦模块；

所述正到负过零检测模块包括：第一二极管，第一稳压二极管，第一电容，第一开关管及第二电阻；

其中，所述第一稳压二极管的阴极连接交流电源的电流输出端，阳极连接所述第一电容的一端；所述第一电容的另一端连接所述第一二极管的阴极；所述第一二极管的阳极连接所述第一稳压二极管的阴极；所述第一开关管的控制端通过所述第二电阻连接所述第一二极管的阳极，输入端连接所述第一二极管的阴极；

所述负到正过零检测模块包括：第二二极管，第二稳压二极管，第二电容，第二开关管及第四电阻；

其中，所述第二稳压二极管的阳极连接所述第一稳压二极管的阳极，第二稳压二极管阴极连接交流电源的电流输入端；所述第二电容一端连接所述第二稳压二极管的阳极，另一端连接所述第二二极管的阴极；所述第二二极管的阳极连接所述第二稳压二极管的阴极；所述第二开关管的控制端通过所述第四电阻连接第二二极管的阳极，输入端连接所述第二二极管的阴极；

所述光耦模块的第一输入端连接所述第一开关管及所述第二开关管的输出端，第二输入端连接所述第二稳压二极管的阳极，第一输出端输出过零检测信号。

2.根据权利要求1所述的双向过零检测电路，其特征在于：所述双向过零检测电路还包括第一限流模块和第二限流模块，所述第一限流模块连接于所述交流电源的电流输出端和所述正到负过零检测模块的输入端之间；所述第二限流模块连接于所述交流电源的电流输入端和所述正到负过零检测模块的输入端之间。

3.根据权利要求2所述的双向过零检测电路，其特征在于：所述第一限流模块为第一电阻，所述第二限流模块为第三电阻。

4.根据权利要求1所述的双向过零检测电路，其特征在于：所述第一开关管和所述第二开关管为三极管。

5.根据权利要求1所述的双向过零检测电路，其特征在于：所述光耦模块包括光耦隔离器和滤波单元。

6.根据权利要求1-5任一项所述的双向过零检测电路，其特征在于：所述第一电容和所述第二电容的容值不同。

7.一种双向过零检测方法，基于权利要求1-6任意一项所述的双向过零检测电路进行，其特征在于：

当交流电信号处于正半周时，第二稳压二极管和第一二极管正向导通，第一稳压二极管两端电压稳定在第一电压，通过交流电源-第一二极管-第一电容-第二稳压二极管-交流电源构成的回路对第一电容进行充电；第一开关管处于关断状态；

当交流电信号处于正半周到负半周的过零点时，第一开关管开启，第一电容通过第一电容-第一开关管-光耦模块-第一电容构成的回路进行放电，从而将光耦模块开启，触发过零检测信号输出；

当交流电信号处于负半周时，第一稳压二极管和第二二极管正向导通，第二稳压二极管两端电压稳定在第二电压，通过交流电源-第二二极管-第二电容-第一稳压二极管-交流电源构成的回路对第二电容进行充电；第二开关管处于关断状态；

当交流电信号处于负半周到正半周的过零点时，第二开关管开启，第二电容通过第二电容-第二开关管-光耦模块-第二电容构成的回路进行放电，从而将光耦模块开启，触发过零检测信号输出。

8.根据权利要求7所述的双向过零检测方法，其特征在于：当交流信号处于正半周和负半周时，所述第一电容和所述第二电容的充电回路还包括第一限流模块和第二限流模块，用来对充电回路的电流进行限制。

9.根据权利要求7-8任一项所述的双向过零检测方法，其特征在于：当交流电信号处于正半周到负半周的过零点和负半周到正半周的过零点时，所述第一电容和所述第二电容的放电时间不同。

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