今回は、ゼロクロス検出回路について、2種類の回路で詳しく説明します。 このチュートリアルの最初の段落では、人気のある741 ICを使用して設計されたオペアンプを使用してゼロ交差検出器を学習します。 ゼロクロスディテクタの回路図と、その動作原理や理論をわかりやすく解説します。 このチュートリアルの中盤では、ゼロクロス検出器の2つのアプリケーション、タイムマーカージェネレータと位相計について説明します。 記事の最後に、IC 311とトランジスタを使って設計したゼロクロス検出器の回路図を示します。
741 ICを使ったゼロクロス検出器
ゼロクロス検出回路は、オペアンプコンパレータ回路の重要なアプリケーションです。 正弦波から方形波への変換器とも呼ばれます。 反転コンパレータ、非反転コンパレータのいずれでもゼロクロス検出器として使用できます。 ただ、入力電圧を比較する基準電圧をゼロ（Vref = 0V）にする必要があります。 入力の正弦波はVin. これらを0Vの基準電圧を持つ反転コンパレータの回路図と入出力波形で示す。
波形に示すように、基準電圧0Vに対して入力正弦波はゼロを通過して正方向に進むと出力電圧Voutは負の飽和に追い込まれます。 同様に入力電圧が0を通過して負方向に向かうと出力電圧は正飽和に駆動されます。 ダイオードD1，D2はクランプダイオードとも呼ばれます。 入力電圧の上昇によるオペアンプの破損を防ぐために使用されます。
アプリケーションによっては、入力電圧が低周波の波形である場合があります。 これは、波形がゆっくりとしか変化しないことを意味します。 このため、入力電圧がゼロレベルを横切るまでの時間が遅れます。 このため，出力電圧が飽和レベルの上限と下限を切り換えるのにさらに時間がかかります。 同時に，オペアンプの入力ノイズにより，出力電圧が飽和レベル間で切り替わることがあります。 このため，入力電圧に加えてノイズ電圧もゼロクロスを検出してしまいます。 このような場合、正帰還の再生帰還回路を用いることで、出力電圧の変化を速くし、オペアンプ入力のノイズ電圧による誤ゼロクロスの可能性を排除することができます。
Zero-crossing Detector as Time Marker Generator
正弦波の入力に対して、ゼロクロス検出器はさらに方形波として RC series circuitに渡されて出力されます。 下図に示します。
時定数 RCが入力サイン波の周期Tに対して非常に小さい場合、Vrという RC回路網のR上の電圧が正と負の連続パルスとなることが分かっています。 この電圧VrをダイオードDを用いたクリッパー回路に印加すると、負荷電圧Vloadは正のパルスのみを持ち、負のパルスを切り取ってしまうことになる。 このように、符号波を入力とするゼロクロス検出器は、RCネットワークとクリッピング回路を加えることによって、間隔Tの正パルス列に変換されている。
位相計としてのゼロクロス検出器
二つの電圧の位相角を測定するのにゼロクロス検出器が使用されることがある。 動作は上の回路で説明したのと同じになります。 正負のパルス列が得られ、正弦波電圧のパルスと第2正弦波電圧のパルスの時間間隔が測定されます。 この時間間隔は、2つの入力正弦波電圧の位相差に比例する。
IC311とトランジスタを用いたゼロクロス検出器
8ピンDIPユニット311ICを用いたゼロクロス検出器を下図に示します。 311オペアンプICの出力は、オープンコレクタのNPNトランジスタに接続されています。 トランジスタの出力には20キロオームの負荷抵抗が接続されています。
正の入力信号、すなわち0ボルト以上の入力サイン波に対して、オペアンプ出力によりトランジスタをOFFし、トランジスタの出力をHIGHとする。 Lowの状態は回路の-10ボルトに、HIGHの状態は回路の-10ボルトに似ています。
トランジスタの出力は入力が0ボルト以上か以下かを表します。 つまり、入力信号が正の電圧であれば、トランジスタの出力はLOWになります。 入力信号が負の電圧の場合、トランジスタの出力はHIGHになります。