V tomto článku podrobně probereme detektor nulového křížení se dvěma různými zapojeními. V úvodních odstavcích výukového programu se seznámíte s detektorem nulového křížení pomocí optického zesilovače navrženého s využitím populárního integrovaného obvodu 741. Máme úhledně nakreslené schéma zapojení detektoru nulového křížení a srozumitelně jsme vysvětlili jeho princip fungování a teorii v pozadí. V polovině tohoto tutoriálu se dozvíte o dvou aplikacích detektoru nulového křížení, kterými jsou generátor časových značek a fázoměr. Ke konci článku jsme nakreslili další schéma zapojení detektoru nulového křížení navrženého pomocí IC 311 a tranzistoru.
Detektor nulového křížení pomocí IC 741
Obvod detektoru nulového křížení je důležitou aplikací obvodu op-amp komparátoru. Lze jej také nazvat jako převodník sinusové na čtvercovou vlnu. Jako detektor nulového křížení lze použít kterýkoli z invertujících nebo neinvertujících komparátorů. Jedinou změnou, kterou je třeba zavést, je, že referenční napětí, se kterým se má vstupní napětí porovnávat, musí být nulové (Vref = 0 V). Vstupní sinusový průběh je dán jako Vin. Ty jsou znázorněny na schématu zapojení a vstupním a výstupním průběhu invertujícího komparátoru s referenčním napětím 0V.
Jak je znázorněno na průběhu, pro referenční napětí 0V, když vstupní sinusovka prochází nulou a jde kladným směrem, výstupní napětí Vout je uvedeno do záporného nasycení. Podobně, když vstupní napětí prochází nulou a jde v záporném směru, výstupní napětí je hnáno do kladného nasycení. Diody D1 a D2 se také nazývají svorkové diody. Slouží k ochraně op-ampu před poškozením v důsledku zvýšení vstupního napětí. Svírají diferenciální vstupní napětí na +0,7 V nebo -0,7 V.
V některých aplikacích může mít vstupní napětí nízkofrekvenční průběh. To znamená, že se průběh mění jen pomalu. To způsobuje časové zpoždění pro překročení nulové úrovně vstupního napětí. To způsobuje další zpoždění pro přechod výstupního napětí mezi horní a dolní úrovní nasycení. Zároveň mohou vstupní šumy v optickém zesilovači způsobit přepínání výstupního napětí mezi úrovněmi nasycení. Kromě vstupního napětí se tedy nulové přechody detekují i pro šumová napětí. Tyto potíže lze odstranit použitím obvodu regenerativní zpětné vazby s kladnou zpětnou vazbou, která způsobuje rychlejší změnu výstupního napětí, čímž se eliminuje možnost jakéhokoli falešného přechodu přes nulu v důsledku šumových napětí na vstupu op-ampu.
Detektor nulového křížení jako generátor časových značek
Pro vstupní sinusovou vlnu je výstupem detektoru nulového křížení čtvercová vlna, která dále prochází sériovým obvodem RC. To je znázorněno na následujícím obrázku.
Je-li časová konstanta RC velmi malá ve srovnání s periodou T vstupní sinusové vlny, pak napětí na R sítě RC obvodu nazývané Vr bude tvořit sérii kladných a záporných impulsů. Pokud se napětí Vr přivede do klipovacího obvodu pomocí diody D, bude mít zátěžové napětí Vload pouze kladné impulsy a záporné impulsy se oříznou. Detektor nulového křížení, jehož vstupem je znaménková vlna, byl tedy přidáním RC sítě a klipovacího obvodu převeden na sled kladných impulsů v intervalu T.
Detektor nulového křížení jako fázoměr
Detektor nulového křížení lze použít k měření fázového úhlu mezi dvěma napětími. Činnost bude stejná, jak je vysvětleno ve výše uvedeném zapojení. Získá se sled impulsů v kladném a záporném cyklu a změří se časový interval mezi impulsem sinusového napětí a impulsem druhého sinusového napětí. Tento časový interval je úměrný fázovému rozdílu mezi oběma vstupními sinusovými napětími. Rozsah použití fázoměru pro měření je 0° až 360°.
Detektor nulového křížení pomocí IC 311 a tranzistoru
Detektor nulového křížení pomocí 8kolíkové DIP jednotky 311 IC je znázorněn na obrázku níže. Výstup op-amp IC 311 je připojen k tranzistoru NPN s otevřeným kolektorem. K výstupu tranzistoru je připojen zatěžovací odpor 20 kiloohmů.
Při kladném vstupním signálu, tj. při vstupní sinusovce nad 0 V, výstup op-ampu vypne tranzistor a výstup tranzistoru přejde do polohy HIGH. Nízký stav se v obvodu podobá -10 voltům a stav HIGH se v obvodu podobá -10 voltům.
Výstup tranzistoru indikuje, zda je na vstupu více nebo méně než 0 voltů. Stručně řečeno, pokud je vstupní signál kladné napětí, výstup tranzistoru bude LOW. Pokud je vstupní signál záporné napětí, výstup tranzistoru bude HIGH.
.