In questo articolo, discutiamo Zero Crossing Detector in dettaglio con due circuiti diversi. Nei paragrafi iniziali del tutorial, imparerete zero crossing detector usando un amplificatore operazionale progettato usando il popolare 741 IC. Abbiamo un diagramma di circuito pulito di zero crossing detector e abbiamo spiegato il suo principio di funzionamento e la teoria dietro la scena in parole facili da capire. Verso la metà di questo tutorial, imparerete a conoscere 2 applicazioni di zero crossing detector – che sono generatore di marcatori di tempo e fasemetro. Verso la fine dell’articolo, abbiamo disegnato un altro schema di circuito del rivelatore di zero crossing progettato usando IC 311 e transistor.
Rivelatore di zero crossing usando 741 IC
Il circuito del rivelatore di zero crossing è un’importante applicazione del circuito comparatore op-amp. Può anche essere chiamato come il convertitore da sinusoide a onda quadra. Qualsiasi comparatore invertente o non invertente può essere usato come rivelatore di zero-crossing. L’unico cambiamento da apportare è la tensione di riferimento con cui la tensione di ingresso deve essere confrontata, deve essere resa zero (Vref = 0V). Un’onda sinusoidale in ingresso è data come Vin. Lo schema del circuito e le forme d’onda d’ingresso e d’uscita di un comparatore invertente con una tensione di riferimento di 0V.
Come mostrato nella forma d’onda, per una tensione di riferimento 0V, quando la sinusoide di ingresso passa attraverso lo zero e va in direzione positiva, la tensione di uscita Vout viene portata in saturazione negativa. Allo stesso modo, quando la tensione d’ingresso passa per lo zero e va in direzione negativa, la tensione d’uscita è portata in saturazione positiva. I diodi D1 e D2 sono anche chiamati diodi clamp. Sono usati per proteggere l’op-amp dai danni dovuti all’aumento della tensione d’ingresso. Essi bloccano le tensioni di ingresso differenziali a +0.7V o -0.7V.
In alcune applicazioni, la tensione di ingresso può essere una forma d’onda a bassa frequenza. Ciò significa che la forma d’onda cambia solo lentamente. Questo causa un ritardo nel tempo per la tensione d’ingresso per attraversare il livello zero. Questo causa un ulteriore ritardo per la tensione di uscita per passare tra i livelli di saturazione superiore e inferiore. Allo stesso tempo, i rumori di ingresso nell’op-amp possono causare il passaggio della tensione di uscita tra i livelli di saturazione. Così i passaggi a zero sono rilevati per le tensioni di rumore in aggiunta alla tensione d’ingresso. Queste difficoltà possono essere rimosse utilizzando un circuito di feedback rigenerativo con un feedback positivo che fa cambiare la tensione di uscita più velocemente eliminando così la possibilità di qualsiasi falso zero crossing dovuto a tensioni di rumore all’ingresso dell’op-amp.
Rivelatore di attraversamento dello zero come generatore di marcatore temporale
Per un’onda sinusoidale in ingresso, l’uscita del rivelatore di attraversamento dello zero essendo un’onda quadra, è ulteriormente passata attraverso un circuito serie RC. Questo è mostrato nella figura qui sotto.
Se la costante di tempo RC è molto piccola rispetto al periodo T della sinusoide di ingresso, allora la tensione attraverso R del circuito RC chiamato Vr sarà una serie di impulsi positivi e negativi. Se la tensione Vr è applicata a un circuito clipper utilizzando un diodo D, la tensione di carico Vload avrà solo impulsi positivi e taglierà via gli impulsi negativi. Così, un rivelatore zero-crossing il cui ingresso è un’onda di segno è stato convertito in un treno di impulsi positivi all’intervallo T aggiungendo una rete RC e un circuito di clipping.
Rivelatore zero-crossing come fasometro
Un rivelatore zero-crossing può essere utilizzato per la misura dell’angolo di fase tra due tensioni. Il funzionamento sarà lo stesso di quello spiegato nel circuito precedente. Si ottiene un treno di impulsi nei cicli positivi e negativi e si misura l’intervallo di tempo tra l’impulso della tensione sinusoidale e quello della seconda tensione sinusoidale. Questo intervallo di tempo è proporzionale alla differenza di fase tra le due tensioni sinusoidali in ingresso. Il campo di utilizzo del fasometro per la misurazione è da 0° a 360°.
Rilevatore di attraversamento dello zero con IC 311 e transistor
Un rilevatore di attraversamento dello zero che utilizza un IC 311 a 8 pin DIP è mostrato nella figura seguente. L’uscita dell’IC op-amp 311 è collegata a un transistor NPN a collettore aperto. Una resistenza di carico di 20 kiloohm è collegata all’uscita del transistor.
Per un segnale di ingresso positivo, cioè per una sinusoide di ingresso superiore a 0 volt, l’uscita dell’op-amp imposta il transistor su OFF, e l’uscita del transistor va su HIGH. La condizione bassa assomiglia a un -10 volt nel circuito e una condizione ALTA assomiglia a -10 volt nel circuito.
L’uscita del transistor indica se l’ingresso è superiore o inferiore a 0 volt. In breve, se il segnale di ingresso è una tensione positiva, l’uscita del transistor sarà BASSA. Se il segnale d’ingresso è una tensione negativa, l’uscita del transistor sarà ALTA.