电力载波通信经典过零电路分析

Zero Crossing Detection
目录
1引言 (4)
2原理分析 (4)
3参数分析 (6)
1 引言
在交流系统中，当波形从正半周向负半周转换时，经过零位时，系统作出的检测。

可作开关电路或者频率检测。

漏电开关的漏电检测是检测零序电流。

大致有两种方案，一是变压器隔离，二是光耦隔离的。

目前比较常用的时光耦过零方案，大部分过零电路存在前级消耗功率过大，过零时延过大的问题，本文介绍的过零电路存在两个优点：一、功耗低；二、过零点延迟小。

2 原理分析
D1
D1N4007
R1510K
R2
510K
U1PS2501
12
3
4
V1
3.3Vdc
C11nF
R3470K
C20.22uF
C30.1uF
ZERO
V2
FREQ = 50Hz VAMPL = 311V VOFF = 0V AC =
R4
47K
SMBT2222A/INF
Q1
R547K
C41nF
D3
D1N4148
C51nF
R610e30
3.3V
D2
BZT55B5V1
图1 过零电路原理图
图1过零电路的原理图，交流电正半周时，电流方向通过D1，R1，R2，C2，D3流动，如图2所
示，给C2电容充电；D2为5.1V 稳压管，限制充电电压不超过5.1V ；D3 1N4148的作用是保证三极管在正半周时保持截止状态，D3导通后，Q1基极电压
保持在负0.4V ，Q 保持截止；
D1
D1N4007
R1510K
R2
510K
U1PS2501
12
3
4
V1
3.3Vdc
C11nF
R3470K
C20.22uF
C30.1uF
ZERO
V2
FREQ = 50Hz VAMPL = 311V VOFF = 0V AC =
R4
47K
SMBT2222A/INF
Q1
R547K
C41nF
D3
D1N4148
C51nF
R610e30
3.3V
D25V1
图2 交流电正半周
交流电负半周，如图2交流电负半周时，电流流动方向；当进入负半周时，由于D1 1N4007的存在，交流电反向截止；进入负半周时C2开始放电，放电途径分为两部分，第一部分通过R3，R4到Q1，此时D3失去钳位的作用，Q1开启；第二部分，U1，Q1开始放电，U1的电流通过R3和R4限制，Q1基极电
流，放电的过程中不断下降，因此Q1的β要选择100以上，保证前级电流.
D1
D1N4007
R1510K R2510K
U1
PS2501
1
2
3
4
V1
3.3Vdc
C1
1nF R3
470K
C2
0.22uF
C3
0.1uF
ZERO
V2
FREQ = 50Hz
VAMPL = 311V
VOFF = 0V
AC =
R447K
SMBT2222A/INF
Q1
R5
47K
C4
1nF
D3
D1N4148
C5
1nF
R610e30
3.3V
D2
5V1
图3 交流电负半周
图4 Pspice仿真波形，源文件在Pspice目录下。

图4 Pspice仿真输出过零信号
图5 实测波形
3参数分析
前级功耗约等于，约等于23.7mw。

后级功耗需要先推算出脉冲宽度，根据脉冲宽度计算功耗，设放电时负载电阻为R，电容C2储存电
压为U，初始值为5.1V，因为，所以，带入数值R≈k。

电容放电公式；据此推导出电容放电时间；光耦后级输出电压，为了保险冗余按80%*VCC计算，K1010C的CTR为200% ~ 400%，≈14μA- 28μA；，设开始放电时间为t，为C2
为放电到t时刻的电压，为光耦前端导通电压，典型值为1.2V，为三极管CE间电压，可以忽略；根据上面推导的公
式可以推导出，所以，MMBT2222A的β值为100~300；带入值、R的值和β值，推算出值1.227V~1.364V，到此范围后光耦后端电压低于80%*VCC，即2.64V；
将值带入，可以计算出t≈0.61ms~1.7ms，实际测试在1.6ms左右；因此，光耦后端功耗为17μW。

过零时延分析，首先分析C5充电时间，电容充电公式，将C5通过R3，R4充电到
0.6V的时间，经过推导；经过计算约为64uS，即过零信号的输出延迟64us，这是在C5初始值为零的情况的计算，实际不为零，计算结果会有偏差。

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