【电子基础知识】交流回路的中的过零检测讲解
本帖最后由 sunsili 于 2023-6-17 19:14 编辑【电子基础知识】交流回路的中的过零检测讲解
[*]前言
[*]一、什么是过零检测
[*]1.1 为何需要过零检测
[*]二、如何做过零检测
[*]2.1 光耦
[*]2.2 比较器/运放
[*]2.3 三极管/MOS管
[*]2.4 过零检测芯片
[*]三、过零检测电路
[*]结语
前言最近正好项目需求遇到需要做过零检测，上次用到过零检测还是数年前，所以还得来温习一遍，想着可以来做个总结记录。本文我们就来简单聊聊 过零检测 。需要说明的是，这里的过零检测指的是在交流回路的中的过零检测，对于我们最常接触的交流电就是我们使用的 220V 的市电了。我是矜辰所致，全网同名，尽量用心写好每一系列文章，不浮夸，不将就，认真对待学知识的我们，矜辰所致，金石为开！
一、什么是过零检测我们知道，在交流回路中，电压随时间的变化是正弦波，当波形由正半周向负半周转换或者由负半周向正半周转换时，经过 x 坐标的点就是 过零点。所谓 过零检测，就是对 过零点 进行检测，判断交流电是否到达这个点，如下图所示：1.1 为何需要过零检测为什么需要过零检测，简单来说就是：为了让使用交流电的系统 更加安全稳定，同时方便对系统进行控制。我们知道交流电的电压是在一直变化的，如果我们的用电系统开关的时候都处于电压高点，那么这个时候的电流也会对应的比较大，忽然间打开关短对系统会造成一定的 “冲击”，有时候也会产生一些电弧火花，就是所谓的浪涌，这样存在安全隐患，在一些带大功率负载的交流回路中，风险会更大。如果我们系统能够知道每次过零点的时间，在这个时候去进行开关控制，那么可以使得系统安全稳定。另外，我们通过检测交流电信号的过零点，可以实现交流电电子设备的开关控制、电流采样和保护功能，在调光开关/调光器、电机调速产品中，可从零点开始控制交流电导通角的大小，实现调光灯具亮度、电机速度的调节。
二、如何做过零检测首先我们要明白，我们做过零检测，最直观的是检测什么？ 实际上就是电压。电压变成 0 的时候，就是 零点。如何检测，我这里直接先告诉大家，从结果来看，最常见的过零检测电路 末端输出 有如下两种方式：第一种，过零点时候电路末端会输出脉冲，如下图：在这里插入图片描述第二种，过零点的时候，电路末端电平会发生变化，如下图：当然 ，直接ADC 采样也是一种方式，但是相对前面这两种用得不多。大家看了上面的两种结果，是不是若有所思，回顾一下我们所学过的电路知识，能够实现上面这种检测电压变化的很多器件，比如我们的三极管，MOS管，比较器/运放，光耦，是不是感觉都可以搭建方案。
2.1 光耦本段落我们主要讲解一下测量思路，在下面一小节我会罗列汇总一些电路，提供给大家参考。说到光耦至于 220V 交流的应用，在我很早的一篇文章《单片机检测信号通断通用电路（3.3V/5V直流信号，24V+直流信号，220V交流信号）》分享过一个电路：图片.png当时的需求只是需要检测是否有 220V 交流电信号存在，使用了双向光耦，其中右边输出的地方特意加了一个 2.2uF 的电容防止过零点时候电压突变。我们稍微变通一下，电路变成如下，是不是理论上就能够产生下图所示的输出:在这里插入图片描述当然，如果我们做一下整流，也可以使得输出脉冲信号，如下图：在这里插入图片描述2.2 比较器/运放对于比较器以及后面的三极管而言，我们一般来说需要先降压，然后进行处理，是比较妥当的一种方式，比如下面图的示例：
上面的设计是脉冲，通过 R22， R21 控制小于 Vcc /101 电压的时候 ( 如果 VCC 为3.3V ，阀门大概在 0.03V ) , 输出 S2 会输出一个高电平信号，因为时间很短，所以结果为脉冲。当然大家也可以把比较器的 负 输出端连接 GND ，也就是 0V ，然后 + 输入端连接降压后但是不整流的输入（220V的交流变成低压的交流），这样输出 S2 就能形成方波输出，但是不整流需要额外注意一些问题，这里就不详细说明。
2.3 三极管/MOS管对于三极管和 MOS 管来说，与上面的比较器也是类似的，直接上个示意图：在这里插入图片描述需要说明的是，通过 三极管或者 MOS 管判断的输出脉冲，会比上面使用比较器的脉冲会宽一些。三极管 0.7V 就导通了，MOS管可能会更大一些，比如有些 1.0V 左右就导通了。
2.4 过零检测芯片和电平转换或者其他应用电路一样，过零检测也有专门的芯片，当然还是老问题，成本相对前面较高。没用过，暂时没有啥好推荐的，大家可以自行搜索。
三、过零检测电路通过上面小结我们说明了多种 220V 交流过零检测的方案，在实际使用中大家完全可以根据自己的情况搭建起电路使用。博主这几天网上也是查看了很多的视频和文章，网上众多的电路中，我也挑选了几个比较实在的推荐给大家，此处的借鉴我都会注明出处，大家知道我的很多文章会随着我的测试使用进度保持着更新，如果有机会，所有电路图我都会做成实物进行测试的，落地才是王道！
参考电路一：此电路来源，B站：龙顺宇老师参考电路二：此电路来源，B站：皆行电子
参考电路三：此电路来源163博客 ，博主：ARM嵌入式研发 08年的一篇文章在这里插入图片描述上面这几个实际的电路，从原理上来说，都可以实际使用，感觉都可以直接照着做，但是大家得注意元器件的选型，强电安全第一。
结语本文复习了一遍 过零检测 的相关知识，给大家介绍了不同的方法实现过零检测的方式。最后还得再次提醒一下大家，实际使用中重点在于元器件的选型，这点大家务必注意！好了，本文就到这里，谢谢大家！
来源：矜辰所致
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