电力载波通信经典过零电路分析

CONFIDENTIAL1/6ZeroCrossingDetectionCONFIDENTIAL2/6目录1引言........................................................................................................................................................................42原理分析................................................................................................................................................................43参数分析................................................................................................................................................................6CONFIDENTIAL3/6VersionDateDescriptionAuthorV1.002017-7-8载波经典过零电路原理分析HTCONFIDENTIAL4/61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；D31N4148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Ube保持在负0.4V，Q保持截止；图2交流电正半周D1D1N4007R1510KR2510KU1PS25011234V13.3VdcC11nFR3470KC20.22uFC30.1uFZEROV2FREQ=50HzVAMPL=311VVOFF=0VAC=R447KSMBT2222A/INFQ10R547KC41nFD3D1N4148C51nFR610e3003.3VD2BZT55B5V1D1D1N4007R1510KR2510KU1PS25011234V13.3VdcC11nFR3470KC20.22uFC30.1uFZEROV2FREQ=50HzVAMPL=311VVOFF=0VAC=R447KSMBT2222A/INFQ10R547KC41nFD3D1N4148C51nFR610e3003.3VD25V1CONFIDENTIAL5/6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D11N4007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Ib=𝑈𝐶2−𝑈𝑏𝑒𝑅3+𝑅4≈8.5μA，放电的过程中UC2不断下降，因此Q1的β要选择100以上，保证前级电流.图3交流电负半周图4Pspice仿真波形，源文件在Pspice目录下。图4Pspice仿真输出过零信号D1D1N4007R1510KR2510KU1PS25011234V13.3VdcC11nFR3470KC20.22uFC30.1uFZEROV2FREQ=50HzVAMPL=311VVOFF=0VAC=R447KSMBT2222A/INFQ10R547KC41nFD3D1N4148C51nFR610e3003.3VD25V1CONFIDENTIAL6/6图5实测波形3参数分析前级功耗约等于VACrms∗VACrms2∗（R1+R2），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UR=(1+β)∗(U−UbeR3+R4)，所以R=U∗(R3+R4)(1+β)∗(U−Ube)，带入数值R≈585.9βk。电容放电公式Ut=Uo∗e−tRC；据此推导出电容放电时间t=−RClnUtUO；光耦后级输出电压Vt=IF∗CTR∗R5，为了保险冗余按80%*VCC计算，K1010C的CTR为200%~400%，IF≈14μA-28μA；IF=Ut−UF−UceR，设开始放电时间为t，Ut为C2为放电到t时刻的电压，UF为光耦前端导通电压，典型值为1.2V，Uce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IF=Ut−1.2R，所以Ut=IF∗R+1.2，MMBT2222A的β值为100~300；带入IF值、R的值和β值，推算出Ut值1.227V~1.364V，到此范围后光耦后端电压低于80%*VCC，即2.64V；将Ut值带入t=−RClnUtUO，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Ut=UO(1−e−tRC)，将C5通过R3，R4充电到0.6V的时间，经过推导t=−RCln（1−UtUO）；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。