In diesem Artikel besprechen wir den Nulldurchgangsdetektor im Detail mit zwei verschiedenen Schaltungen. In den ersten Abschnitten des Tutorials lernen Sie den Nulldurchgangsdetektor mit einem Operationsverstärker kennen, der mit dem beliebten IC 741 entwickelt wurde. Wir haben ein ordentliches Schaltbild des Nulldurchgangsdetektors gezeichnet und sein Funktionsprinzip und die Theorie dahinter in leicht verständlichen Worten erklärt. In der Mitte dieses Tutorials lernen Sie 2 Anwendungen des Nulldurchgangsdetektors kennen – den Zeitmarkierungsgenerator und das Phasenmessgerät. Gegen Ende des Artikels haben wir einen weiteren Schaltplan des Nulldurchgangsdetektors gezeichnet, der mit IC 311 und Transistor entworfen wurde.
Nulldurchgangsdetektor mit IC 741
Die Nulldurchgangsdetektorschaltung ist eine wichtige Anwendung der Op-Amp-Komparatorschaltung. Sie kann auch als Sinus-Rechteck-Wandler bezeichnet werden. Jeder der invertierenden oder nichtinvertierenden Komparatoren kann als Nulldurchgangsdetektor verwendet werden. Die einzige Änderung, die vorgenommen werden muss, ist, dass die Referenzspannung, mit der die Eingangsspannung verglichen werden soll, zu Null gemacht werden muss (Vref = 0V). Eine Eingangssinuswelle wird als Vin angegeben. Diese sind im Schaltplan und den Eingangs- und Ausgangswellenformen eines invertierenden Komparators mit einer 0V-Referenzspannung dargestellt.
Wie in der Wellenform gezeigt, wird die Ausgangsspannung Vout bei einer Bezugsspannung von 0 V in die negative Sättigung getrieben, wenn die Eingangssinuswelle den Nullpunkt durchläuft und in positive Richtung geht. Ebenso wird die Ausgangsspannung in die positive Sättigung getrieben, wenn die Eingangsspannung den Nullpunkt durchläuft und in die negative Richtung geht. Die Dioden D1 und D2 werden auch als Klemmdioden bezeichnet. Sie werden verwendet, um den Operationsverstärker vor Schäden durch einen Anstieg der Eingangsspannung zu schützen. Sie klemmen die differentiellen Eingangsspannungen auf entweder +0,7 V oder -0,7 V.
In bestimmten Anwendungen kann die Eingangsspannung eine niederfrequente Wellenform sein. Dies bedeutet, dass sich die Wellenform nur langsam ändert. Dies führt zu einer zeitlichen Verzögerung, bis die Eingangsspannung den Nullpunkt durchläuft. Dies führt zu einer weiteren Verzögerung, bis die Ausgangsspannung zwischen dem oberen und dem unteren Sättigungspegel umschaltet. Gleichzeitig kann das Eingangsrauschen im Operationsverstärker dazu führen, dass die Ausgangsspannung zwischen den Sättigungspegeln wechselt. Daher werden Nulldurchgänge nicht nur für die Eingangsspannung, sondern auch für Störspannungen erkannt. Diese Schwierigkeiten können durch die Verwendung einer regenerativen Rückkopplungsschaltung mit positiver Rückkopplung beseitigt werden, die bewirkt, dass sich die Ausgangsspannung schneller ändert, wodurch die Möglichkeit eines falschen Nulldurchgangs aufgrund von Rauschspannungen am Eingang des Operationsverstärkers ausgeschlossen wird.
Nulldurchgangsdetektor als Zeitmarkengenerator
Bei einer Eingangssinuswelle wird der Ausgang des Nulldurchgangsdetektors, der eine Rechteckwelle ist, weiter durch eine RC-Reihenschaltung geleitet. Dies ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Wenn die Zeitkonstante RC sehr klein ist im Vergleich zur Periode T der Eingangssinuswelle, dann wird die Spannung über R des RC-Schaltkreises, genannt Vr, eine Reihe von positiven und negativen Impulsen sein. Wird die Spannung Vr an eine Begrenzerschaltung mit einer Diode D angelegt, so hat die Lastspannung Vload nur positive Impulse und wird die negativen Impulse abschneiden. So wird ein Nulldurchgangsdetektor, dessen Eingang eine Vorzeichenwelle ist, durch Hinzufügen eines RC-Netzwerks und einer Begrenzerschaltung in eine Folge positiver Impulse im Intervall T umgewandelt.
Nulldurchgangsdetektor als Phasenmesser
Ein Nulldurchgangsdetektor kann zur Messung des Phasenwinkels zwischen zwei Spannungen verwendet werden. Die Funktionsweise ist die gleiche wie in der oben beschriebenen Schaltung. Man erhält eine Folge von Impulsen im positiven und negativen Zyklus und misst das Zeitintervall zwischen dem Impuls der Sinusspannung und dem der zweiten Sinusspannung. Dieses Zeitintervall ist proportional zur Phasendifferenz zwischen den beiden Eingangssinusspannungen. Der Einsatzbereich des Phasenmessers für die Messung ist 0° bis 360°.
Nulldurchgangsdetektor mit IC 311 und Transistor
Ein Nulldurchgangsdetektor mit einem 8-poligen DIP-IC 311 ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Der Ausgang des Operationsverstärker-IC 311 ist an einen NPN-Transistor mit offenem Kollektor angeschlossen. Ein 20-kOhm-Lastwiderstand ist an den Ausgang des Transistors angeschlossen.
Bei einem positiven Eingangssignal, d.h. bei einer Eingangssinuswelle über 0 Volt, schaltet der Ausgang des Operationsverstärkers den Transistor AUS, und der Ausgang des Transistors geht auf HIGH. Der Low-Zustand entspricht in der Schaltung -10 Volt und der HIGH-Zustand entspricht in der Schaltung -10 Volt.
Der Ausgang des Transistors zeigt an, ob der Eingang mehr oder weniger als 0 Volt beträgt. Kurz gesagt, wenn das Eingangssignal eine positive Spannung ist, wird der Ausgang des Transistors LOW sein. Wenn das Eingangssignal eine negative Spannung ist, ist der Ausgang des Transistors HIGH.