基于光耦的交流過零信號產(chǎn)生電路

梁湖輝

摘要：在交流電信號控制中經(jīng)常需對交流過零時刻進行判斷，因此，通常利用電路手段，在交流信號過零時產(chǎn)生一個特殊信號，以供檢測電路判斷交流信號的過零時刻。文章介紹一種簡單、實用并已經(jīng)過驗證的、切實有效的交流過零信號產(chǎn)生電路，可以在交流信號過零時產(chǎn)生一個脈沖信號。

關鍵詞：交流過零；橋式整流；光耦；三極管

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A文章編號：1009-3044（2016）11-0214-02

交流電源在我們日常生活和工業(yè)生產(chǎn)的各行各業(yè)中是最常用的一種能源，因此，我們需要在不同的使用場合對它有不同的有效控制手段，才能正確、高效地使用它。目前，各種對交流電的有效控制手段層出不窮，控制電路也是各種各樣，如各種各樣的交流調壓電路就是交流電的有效控制電路之一。在交流電的控制電路中經(jīng)常需判斷交流電的過零時刻，下面介紹一種經(jīng)過調試后，證明能有效地在交流信號過零時產(chǎn)生一個脈沖信號的交流過零信號產(chǎn)生電路，供大家參考使用。

1電路組成

交流過零信號產(chǎn)生電路電路原理圖如圖1所示：

電路由以下幾部分電路組成：

1）降壓電路

降壓電路由降壓變壓器T承擔，它把220V交流電壓變換為各種場合所需的低壓交流電，供其他低壓交流電路使用。這里轉換為9V，供后面的全波橋式整流電路使用。

2）全波橋式整流電路

全波橋式整流電路由四個IN4001整流二極管組成，其作用是把交流電的負半周也轉換為正半周，使交流信號的一個周期中，有兩個正半周期信號，即把正弦交流信號波形轉換為均為正向的脈動直流電波形。

3）光耦隔離電路

光耦隔離電路由光耦EL817、輸入限流電阻R1、輸出集電極偏置電阻R2和+5V直流偏置電源組成。

EL817是臺灣億光公司生產(chǎn)的一體化光電耦合器，其作用是使輸入端與輸出端的信號完全隔離，避免輸入信號與輸出信號之間的互相干擾，，增加電路安全性，簡化電路設計。

限流電阻R1的作用是使EL817輸入端工作電流小于60mA，保證光耦輸入端的正常工作，使電光轉換正常，從而實現(xiàn)輸入輸出的光隔離作用。

偏置電阻R2和+5V直流偏置電源是光耦輸出電路光敏三極管的偏置電路，使光耦正常

進行光電轉換，從而輸出與輸入信號成正比的集電極信號。

4）三極管開關電路

三極管開關電路由電阻R2、R3、三極管9013和+5V直流偏置電源組成，其作用是在交流信號過零時刻產(chǎn)生一脈沖信號，以供后續(xù)電路判斷交流信號的過零時刻。

2電路工作原理

當220V交流電和+5V直流電接通后，220V交流電經(jīng)變壓器T后轉換為9V的交流電，經(jīng)全波橋式整流后波形轉換為脈動直流電（波形由圖2所示），然后經(jīng)限流電阻R1限流后送到光耦EL817輸入端的內部發(fā)光器件LED上，使其發(fā)光，把脈動直流電轉換為強弱變化的光信號，經(jīng)光耦EL817內部的光敏接收三極管將光信號轉換成電信號，然后將電信號經(jīng)光敏三極管的集電極輸出，送到三極管9013組成的開關電路的輸入端，使開關電路在交流信號過零時刻產(chǎn)生一個負脈沖信號從開關電路的輸出端（三極管的集電極）輸出（波形由圖3所示），供需判斷交流過零時刻的電路使用。

光耦EL817實現(xiàn)了“電-光-電”的轉換及傳輸，光是傳輸?shù)拿浇椋蚨斎攵伺c輸出端在電氣上是絕緣的，也稱為電隔離，從而使輸入端與輸出端信號相互隔離，避免互相干擾。

當正弦交流信號電壓接近零時，信號電壓較小，光耦EL817內部的發(fā)光二極管截止，光耦內部光敏三極管也截止，其集電極輸出端輸出的集電極電流為0，使三極管9013組成的開關電路的輸入端被反向分流最小，三極管9013處于飽和工作狀態(tài)，使開關電路的輸出端輸出低電平（+0.3V）。

當正弦交流信號電壓增大到使較大值時，信號電壓較大，光耦EL817內部的發(fā)光二極管開始發(fā)光，光耦內部光敏三極管因接收到較強光線而開始工作，其集電極輸出端輸出的集電極電流較大，使三極管9013組成的開關電路的輸入端被反向分流增大，迫使三極管9013退出飽和工作狀態(tài)而開始進入截止工作狀態(tài)，使開關電路的輸出端輸出高電平（+5V）。

從以上分析可知，在正弦交流電過零時，電路就會產(chǎn)生一個較窄的負脈沖，供需判斷交流過零時刻的電路使用。

3元器件參數(shù)選擇和電路調試

要使電路正常產(chǎn)生一過零脈沖，則元器件的參數(shù)選擇及電路的調試極其重要，具體選擇和調試過程介紹如下：

因為我們選的降壓變壓器次級輸出電壓有效值為9V，相對較低，所以，整流二極管選擇IN4001就可以了。從百庫文庫和百庫百科中查到EL817光耦的輸入LED發(fā)光二極管的最大正向電壓為1.4 V，最大輸入電流為60mA，輸出接收光敏三極管最大集電極、發(fā)射極耐壓為35 V，最大集電極電流為50mA。所以，光耦輸入端的限流電阻R1的阻值選擇220Ω，輸出端的直流偏置電壓選擇5V，集電極偏置電阻R2（同時也作為開關電路三極管的基極偏置電阻）的阻值選擇1kΩ，開關電路的三極管選擇9013，其集電極偏置電阻R3阻值也選擇1kΩ。

元器件參數(shù)選擇后，按照圖1正確連接好電路，接通交流220V和+5V直流電源，然后，用雙蹤示波器測得全波整流電路u1和u2的波形如圖2所示，u2經(jīng)光耦和開關電路后，u2和開關電路的輸出uo的波形如圖3所示。

4結束語

文章介紹的交流過零信號產(chǎn)生電路是一個經(jīng)過驗證的、實用的電路，該電路設計簡單明了、制作方便，工作可靠性高，使用的元器件取材容易，性價比均較高，可應用于各種需判斷正弦交流過零的場合，特別是晶閘管交流調壓的場合。

參考文獻：

[1] 鄭曉峰. 模擬電子技術基礎[M].北京： 中國電力出版社， 2008.

[2] 百庫文庫： 光耦EL817中文資料[EB].

[3] 百庫百科： 光耦EL817[EB].