CN206311659U - 交流电压过零点检测电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种交流电压过零点检测电路，其特征在于包括负载电容C1、用于信号传递的光耦U1、光耦输出的下拉电阻R1；其中负载电容C1的一端与光耦U1原边的一脚相连组成公共端，电容C1的另一端和光耦U1原边的另一脚分别与电网侧电压输出端相连；光耦U1副边的发射极脚输出检测信号且经下拉电阻R1与数字电源的接地端连接，光耦U1副边的集电极脚与数字电源输出端连接。本实用新型的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种交流电压过零点检测电路，检测精度控制在10V以内，并且采用普通的器件即可实现，且不会有功耗较大的器件产生。

Description

交流电压过零点检测电路

技术领域

本发明属于电气工程信号采集领域，具体涉及一种交流电压过零点检测电路。

背景技术

在三相交流调压或者可控整流的设备中，调压主要是通过控制网侧电源的导通角来实现，而算法软件计算导通角则是依据网侧电源的过零点为基础的。因此网侧电源过零点检测的准确性直接决定了调压或者可控整流调备的性能好坏。随着电力电子技术的发展，已经有许多方法来实现网侧电源的过零点检测，但是现有方法对器件的要求依然较高，存在着功耗大、体积大等缺陷。

申请号为201310117752、201310122464、201310272944、201410295187、201410746237、201510254127的专利都是基于软件算法来实现，通过不同的计算方法来提高精度及滤除一些错误的信息点。此类软件算法对于那些实时性要求不高的场合得到较好的效果，但是对于调压设备中实时性要求非常高的导通角，此类软件算法就会大打折扣，因为软件算法都是基于多个采样点，分步进行判断和处理，以致实时性非常差。

申请号为201520631182的专利采用先将网侧线电压分压之后，再用分得的电压来控制三极管的通断来判断过零点，这种方法实时性较好，但是控制三极管需要一个额外的5V电源来供电，而且这个5V电源的参考地必须与网侧的零线连在一起，这个额外的电源会增加整个系统的复杂性，进而使可靠性降低。

申请号为201010586260、201520230814、201510528122的专利均采用电阻与光耦结合的方法来实现过零点的检测，此类方法实时性较好，也不需要在电网侧增加额外的电源，但是此类方法却存在检测精度依赖于器件精度、体积、功耗等因素，具体原因如下：光耦的导通需要一定的电流，这个电流会在电阻上产生压差，这个压差即实际过零点的检测精度。普通光耦需要2mA才能正常导通，假设电阻为25KΩ，则过零点的检测精度为2mA*25KΩ＝50V,

也就是说真正需要的0V的过零点，检测点需要在50V的地方才能检测到，检测精度特别差。如果采用特殊工艺的光耦，其导通电流可以做到0.5mA，检测精度可以大幅度提高，但是其价格却是普通光耦的6-7倍；如果将电阻的阻值进一步减小，将25KΩ减小到5KΩ也可以实现检测精度的大幅提高，但是为了满足功耗的要求电阻的体积将会增加10倍左右，在工业产品上是绝对不能接受的。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种交流电压过零点检测电路，检测精度控制在10V以内，并且采用普通的器件即可实现，且不会有功耗较大的器件产生。

本发明提供了一种交流电压过零点检测电路，其特征在于包括负载电容C1、用于信号传递的光耦U1、光耦输出的下拉电阻R1；其中负载电容C1的一端与光耦U1原边的一脚相连组成公共端，电容C1的另一端和光耦U1原边的另一脚分别与电网侧电压输出端相连；光耦U1副边的发射极脚输出检测信号且经下拉电阻R1与数字电源的接地端连接，光耦U1副边的集电极脚与数字电源输出端连接。

所述负载电容C1的电压等级高于电网的电压等级。

所述光耦U1采用双向光耦。

所述下拉电阻R1采用1KΩ～10KΩ范围内的任意阻值。

所述的电容C1的容值C须满足不等式：

Δi＝C*U*ω-i₀＞0；

其中，U为电网侧电压峰值；ω为电网侧电压频率，i₀为光耦U1标称的最小导通电流。

所述的数字电源为3.3V。

本发明以电容作为电网侧的负载，构建一个非线性的系统来进行过零点的检测。线性系统中，负载电流完全随交流电源的变化而变化，负载能量全部转化为有功能量消耗。但在非线性系统中，负载电流就不完全取决于交流电源的变化，所以本专利采用电容作为非线性负载，对器件的依赖将减到最小。本发明将检测的偏差控制为-5V至5V。负载电容C1与双向光耦U1进行串联方式联结，即电容C1的任一脚与光耦U1原边的1脚或者2脚任意一脚相连组成公共端，电容的另一脚(非公共端)和光耦原边的另一脚(非公共端)分别与电网侧电压相连。下拉电阻R1接在光耦的3脚(即副边的发射极脚)与数字电源的地之间，光耦的4脚(即副边的集电极脚)接数字电源3.3V(或者其它电压值的数字电源)，这样可以保证过零点时输出对地为高电平。光耦U1采用最普通的双向光耦即可，下拉电阻R1采用1KΩ～10KΩ范围内的任意阻值均可，器件选择简单。

附图说明

图1是本发明示意图；

图2是电网侧电压及过零点示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明提供了一种交流电压过零点检测电路，其特征在于包括负载电容C1、用于信号传递的光耦U1、光耦输出的下拉电阻R1；其中负载电容C1的一端与光耦U1原边的一脚相连组成公共端，电容C1的另一端和光耦U1原边的另一脚分别与电网侧电压输出端相连；光耦U1副边的发射极脚输出检测信号且经下拉电阻R1与数字电源的接地端连接，光耦U1副边的集电极脚与数字电源输出端连接。

所述负载电容C1的电压等级高于电网的电压等级。

所述光耦U1采用双向光耦。

所述下拉电阻R1采用1KΩ～10KΩ范围内的任意阻值。

所述的电容C1的容值C须满足不等式：

Δi＝C*U*ω-i₀＞0；

其中，U为电网侧电压峰值；ω为电网侧电压频率，i₀为光耦U1标称的最小导通电流。

所述的数字电源为3.3V。

如图2所示：电网侧的电源电压为交流有效值380V，频率50Hz，过零点检测的含义是将电网电源的每一个过零点都给出一个很窄的脉冲信号输出，图2中的正弦的交流电源与0V(横实线)的交点即理想的过零点，但是过零检测都是存在偏差的，工程上不可能得到理想的过零点，如背景技术中描述的申请号为201010586260、201520230814、201510528122的专利，其检测误差为-50V与50V，本专利的目标是将检测的偏差控制为-5V与5V，图中所示的两条横虚线分别为-5V与5V，即为我们需要达到的目标。图1中所示的过零点信号(窄脉冲)即为实际电网侧交流电源过零点对应的输出信号。

如图2所示，是本专利对电网侧的电源进行过零点检测的具体实施的电路示意图。电路包含：电网侧的负载电容C1，信号传递的双向光耦U1，光耦输出的下拉电阻R1。其中负载电容C1与双向光耦U1进行串联方式联结，即电容C1的任一脚与光耦U1原边的1脚或者2脚任意一脚相连组成公共端，电容的另一脚(非公共端)和光耦原边的另一脚(非公共端)分别与电网侧电压相连即可。下拉电阻R1接在光耦的3脚(即副边的发射极脚)与数字电源的地之间，光耦的4脚(即副边的集电极脚)接数字电源3.3V(或者其它电压值的数字电源)即可，这样可以保证过零点时输出对地为高电平。其中负载电容C1电压等级必须高于电网的电压等级。光耦U1采用最普通的光耦即可，但要求必须是双向光耦。下拉电阻R1采用1KΩ～10KΩ范围内的任意阻值均可。

首先从物理过程上来描述本专利过零检测的工作原理：当网侧电源电压处于图2中所示的t1～t3时刻时，图1中L1电势相对于L2电势处于减小的趋势，即负载电容C1两端的电压在慢慢减小，电容处于放电状态，在t1时刻的放电电流为0，在t1～t2时刻内的放电电流慢慢增加，在t2时刻放电电流达到最大，在t2～t3时刻内的放电电流慢慢减小，在t3时刻的放电电流为0；当电网侧电源电压处于图2中所示的t3～t5时刻时，图1中L1电势相对于L2电势处于增加的趋势，即负载电容C1两端的电压在慢慢增加，负载电容C1处于充电状态，在t3时刻的充电电流为0，在t3～t4时刻内的充电电流慢慢增加，在t4时刻充电电流达到最大，在t4～t5时刻内的充电电流慢慢减小，在t5时刻的放电电流为0；t5时刻之后进入下一个循环周期，循环重复t1～t5的过程。上述物理过程中，在t2和t4时刻(实际电网的过零点)流过负载电容C1的电流达到最大，若将此最大电流设置为光耦U1的最小导通电流，则光耦U1会在t2和t4时刻分别输出一个高电平，而其它时刻负载电容C1上的电流太小达不到光耦的导通条件致使光耦输出低电平，所以光耦只在过零的时刻输出高电平，而在其它时刻都输出低电平。

下面从数学的角度来分析本发明的工作原理：

负载电容在充放电时电流的基本公式：

假设电网两端的电压U_L＝U*sin(ωt)，

则电容上的电流方程为i＝C*U*ω*cos(ωt)；

当电网侧电压U_L＝0时，即sin(ωt)＝0时，则cos(ωt)＝±1，即电容上的电流的绝对值达到最大值i₁＝C*U*ω。当电容上电流达到最大值时光耦导通输出高电平，即输出对应的电网侧的过零点。

工程上实现时，不同厂家的光耦的最小导通电流不一样，采用不同容值的电容即可满足要求。即通过调整电容的容值来满足光耦的最小导通电流的要求，而对光耦自身的最小导通电流没有要求。例如，某厂家的光耦标称的最小导通电流为i₀，由于电网侧电压峰值U和频率ω均已知，选择合适的电容值C满足i₁＝C*U*ω＞i₀即可，即电容的容值只需满足不等式Δi＝C*U*ω-i₀＞0即可。而Δi＝C*U*ω-i₀＞0的值的大小则决定了过零检测的精度，此值越小，则精度越高；此值越大，则精度越差。

本发明与现有技术相比，电容在充放电的过程中产生的功耗可以忽略不计，但电容的电压等级必须高于电网电压，而现有的技术其电阻会产生较大的功耗；对器件的依赖度而言，此方法主要取决于公式Δi＝C*U*ω-i₀中的电容值，而不取决于光耦的最小导通电流，现有电容的制造工艺及过程可以实现各种不同的容值，而光耦的最小导通电流要进一步减小以现有的技术而言是不可能实现的；检测的精度而言，现有技术如果要提高精度，必须选择价格高的低电流导通光耦，而本专利只需简单的调整电容容值使Δi＝C*U*ω-i₀尽量小即可调整精度，但对光耦的导通电流却没有要求。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种交流电压过零点检测电路，其特征在于包括负载电容C1、用于信号传递的光耦U1、光耦输出的下拉电阻R1；其中负载电容C1的一端与光耦U1原边的一脚相连组成公共端，电容C1的另一端和光耦U1原边的另一脚分别与电网侧电压输出端相连；光耦U1副边的发射极脚输出检测信号且经下拉电阻R1与数字电源的接地端连接，光耦U1副边的集电极脚与数字电源输出端连接。

2.根据权利要求1所述的交流电压过零点检测电路，其特征在于负载电容C1的电压等级高于电网的电压等级。

3.根据权利要求1所述的交流电压过零点检测电路，其特征在于光耦U1采用双向光耦。

4.根据权利要求1所述的交流电压过零点检测电路，其特征在于下拉电阻R1采用1KΩ～10KΩ范围内的任意阻值。

5.根据权利要求1所述的交流电压过零点检测电路，其特征在于所述的电容C1的容值C须满足不等式：

Δi＝C*U*ω-i₀＞0；

其中，U为电网侧电压峰值；ω为电网侧电压频率，i₀为光耦U1标称的最小导通电流。

6.根据权利要求1所述的交流电压过零点检测电路，其特征在于所述的数字电源为3.3V。