Ebben a cikkben részletesen tárgyaljuk a Zero Crossing Detector-t két különböző áramkörrel. A bemutató kezdeti bekezdéseiben a népszerű 741 IC felhasználásával tervezett op-erősítővel ellátott nulla keresztezési detektort tanulja meg. Van egy szép rajzolt áramköri diagram a nulla keresztező detektorról, és könnyen érthető szavakkal elmagyaráztuk a működési elvét és a jelenet mögötti elméletet. Ennek a bemutatónak a közepe felé meg fogja tanulni a nulla keresztező detektor 2 alkalmazását – amelyek az időjelző generátor és a fázismérő. A cikk vége felé egy másik áramköri diagramot rajzoltunk a 311-es IC és tranzisztor használatával tervezett nulla keresztező detektorról.
Zero Crossing Detector using 741 IC
A nulla keresztező detektor áramkör az op-amp komparátor áramkör egyik fontos alkalmazása. Úgy is nevezhető, mint a szinusz négyszöghullámú átalakító. Bármelyik invertáló vagy nem invertáló komparátor használható null-átmeneti detektorként. Az egyetlen változás, amelyet be kell hozni, az a referenciafeszültség, amellyel a bemeneti feszültséget összehasonlítani kell, nullává kell tenni (Vref = 0V). Egy bemeneti szinuszhullámot a Vin. Ezeket mutatja az áramköri diagram és egy 0V-os referenciafeszültséggel rendelkező invertáló komparátor bemeneti és kimeneti hullámformái.
A hullámformán látható, hogy 0V referenciafeszültség esetén, amikor a bemeneti szinuszhullám áthalad a nullán és pozitív irányba halad, a Vout kimeneti feszültség negatív telítésbe kerül. Hasonlóképpen, amikor a bemeneti feszültség áthalad a nullán és negatív irányba halad, a kimeneti feszültség pozitív telítésbe kerül. A D1 és D2 diódákat bilincsdiódáknak is nevezik. Ezeket arra használják, hogy megvédjék az op-ampot a bemeneti feszültség növekedése miatti károsodástól. Ezek a differenciális bemeneti feszültségeket +0,7V vagy -0,7V-ra szorítják.
Bizonyos alkalmazásokban a bemeneti feszültség alacsony frekvenciájú hullámforma lehet. Ez azt jelenti, hogy a hullámforma csak lassan változik. Ez késleltetést okoz abban az időben, amíg a bemeneti feszültség átlépi a nulla szintet. Ez további késleltetést okoz a kimeneti feszültségnek a felső és az alsó telítési szint közötti váltáshoz. Ugyanakkor az op-amp bemeneti zörejek hatására a kimeneti feszültség a telítési szintek között váltogathat. Így a bemeneti feszültségen kívül a zajfeszültségek zérusátmenetét is érzékelik. Ezek a nehézségek kiküszöbölhetők egy pozitív visszacsatolású regeneratív visszacsatoló áramkör használatával, amely a kimeneti feszültség gyorsabb változását okozza, ezáltal kiküszöbölve az op-amp bemenetén lévő zajfeszültségek miatti hamis zérusátmenetek lehetőségét.
Null-átmenet detektor mint időjelző generátor
A bemeneti szinuszhullám esetében a nullátmenet detektor kimenete, amely egy négyszöghullám, egy RC soros áramkörön keresztül halad tovább. Ezt mutatja az alábbi ábra.
Ha az RC időállandó nagyon kicsi a bemeneti szinuszhullám T periódusához képest, akkor a Vr nevű RC áramköri hálózat R-jén keresztüli feszültség pozitív és negatív impulzusok sorozata lesz. Ha a Vr feszültséget egy D dióda segítségével egy clipper áramkörre alkalmazzuk, a Vload terhelőfeszültség csak pozitív impulzusokat fog tartalmazni, és a negatív impulzusokat levágja. Így egy nullátmenet-érzékelő, amelynek bemenete egy előjeles hullám, egy RC-hálózat és egy vágóáramkör hozzáadásával T időközönként pozitív impulzusok sorozatává alakult át.
Nullátmenet-érzékelő mint fázismérő
A nullátmenet-érzékelő két feszültség közötti fázisszög mérésére használható. A működés ugyanaz lesz, mint a fenti áramkörben elmagyarázott. A pozitív és negatív ciklusokban impulzusok vonatát kapjuk, és a szinuszos feszültség impulzusa és a második szinuszos feszültség impulzusa közötti időintervallumot mérjük. Ez az időintervallum arányos a két bemeneti szinuszos feszültség közötti fáziskülönbséggel. A fázismérő felhasználási tartománya a méréshez 0° és 360° között van.
Nulla átmenő detektor az IC 311 és a tranzisztor használatával
Az alábbi ábrán egy 8 tűs DIP egység 311 IC-t használó nulla átmenő detektor látható. A 311 op-amp IC kimenete egy nyitott kollektoros NPN tranzisztorhoz van csatlakoztatva. A tranzisztor kimenetéhez egy 20 kiloohm terhelő ellenállás van csatlakoztatva.
Pozitív bemeneti jel esetén, azaz 0 volt feletti bemeneti szinuszhullám esetén az op-amp kimenete kikapcsolja a tranzisztort, és a tranzisztor kimenete HIGH-ra vált. Az alacsony állapot az áramkörben -10 volthoz hasonlít, a HIGH állapot pedig az áramkörben -10 volthoz hasonlít.
A tranzisztor kimenete jelzi, hogy a bemenet több vagy kevesebb, mint 0 volt. Röviden, ha a bemeneti jel pozitív feszültség, a tranzisztor kimenete LOW lesz. Ha a bemeneti jel negatív feszültség, akkor a tranzisztor kimenete HIGH lesz.