过零检测器的原理

一、什么是过零检测器（ZCD）？

过零检测器检测输入信号过零值或零电压电平的次数。零检测器基本上是一个比较器电路，将输入的正弦信号或正弦波信号与零电压电平进行比较。

换句话说，我们可以说检测到电压从正电平变为负电平，从负电平变为正电平。当输入电压越过零电平到高电平或高电平到零时，过零检测器的输出会发生变化。

过零检测电路

过零检测器将输入信号与零参考电压 (Vref ) 进行比较。它通过从低切换到高来改变 +V sat 或 -Vsat 的输出，反之亦然。当输入越过零参考电压时。当输入电压信号稍微高于或低于 0v 时，输出会迅速变化。可以使用通用运算放大器、使用光耦合器或使用晶体管来制作过零检测器。

二、过零检测器的原理

1、反相过零检测电路

在反相过零检测电路中，我们将零电压基准与同相输入引脚连接，如下图所示。

该电路代表使用 LM741 运算放大器的过零检测器电路。在这种配置中，我们将信号电压施加到反相端子，将零电压参考信号施加到同相输入。2N2222 NPN 晶体管将电压电平转换为数字信号。

反相过零检测电路

仿真结果图表示来自晶体管引脚的输出信号。

在正弦波的正半周期内，Vin - > Vin +（即接地），因此输出将等于 -15 V，但晶体管将保持关闭，我们将在晶体管集电极端子处获得数字高信号。

同样，在从正周期转换到负周期后，零参考电压Vin+将变得大于负电压信号，比较器输出将变为+15V。

但它会打开晶体管。我们将在输出端获得数字低信号。

反相过零检测电路仿真波形图

2、同相过零检测电路

除了输入引脚与 Vin+ 和 Vin- 输入信号的连接外，这种类型的工作方式完全相同。在同相过零检测器中，输入电压加到同相端，反相端接地，使参考电压为零。这是同相过零检测的电路图：

同相过零检测电路

当Vin+ 小于零参考电压 Vin- 时，我们的输出电压等于 +15 V。

由于晶体管，我们在集电极输出端得到一个数字低或零电压信号。晶体管导通并使集电极端子与地短路。

在 Vin+ 的正半周期内，输出将为数字高电平。因为 Vin+ 变得大于零参考电压 Vin-。我们在输出引脚上得到 -15 V 电压，晶体管保持关闭。

同相过零检测电路

3、带脉冲输出的过零检测电路

从上面的仿真结果可以清楚地看出，只要正弦波通过零参考电压，两个输出信号就会从数字高电平变为低电平或从低电平变为高电平。但在那之后，数字要么保持数字高，要么保持数字低。

现在，当正弦波从正周期变为负周期或负周期变为正周期时，如果你只想在短时间内获得脉冲，该怎么办？该电路仅在周期转换时提供输出脉冲。

全桥电路将负半周期转换为正半周期。

晶体管和电阻网络用作上升沿检测器。它将运算放大器的输出变为脉动输出。

带脉冲输出的过零检测电路

前面的例子和这个例子之间的唯一区别是边缘检测电路。我们使用LM358 运算放大器作为比较器。当我们想在任何微控制器上使用过零检测器时，类似正方形的输出对我们没有好处。该脉冲输出显示从正周期到负周期的正弦波变化，反之亦然。

带脉冲输出的过零检测电路

4、使用光耦合器进行过零检测

该电路在正弦波的每个零电压参考上提供脉冲输出， 4N25 光耦合器在两个正周期期间保持开启，因为全桥电路将负周期转换为正周期。

当光耦合器打开时，输出将为零，因为输出将是参考地。

在正弦波过零时，光耦合器关闭，输出端出现 Vcc 幅度的脉冲。

使用光耦合器进行过零检测

三、过零检测器作用

ZCD 作为相位计

ZCD 作为时间标记生成器

交流电源控制器

感应电机速度控制和软启动器

使用 Arduino 等的晶闸管触发角控制