預(yù)零交叉檢波器的設(shè)計(jì)

繼電器用于將鈴聲發(fā)生器與電話線連接或斷開。但如果兩點(diǎn)處于不同電位，則會(huì)在連接瞬間出現(xiàn)高瞬態(tài)電流，而這會(huì)導(dǎo)致接觸產(chǎn)生電弧和點(diǎn)蝕，致使繼電器壽命由于接觸故障而縮短。

鑒于以上原因，最好能在兩點(diǎn)電位差為零的瞬間合或開。但根據(jù)現(xiàn)代電子學(xué)原理，繼電器從開到合，或從合到開的轉(zhuǎn)換需要一段相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間。本文介紹一種產(chǎn)生閉合或斷開繼電器的信號(hào)、使接觸在鈴聲發(fā)生器的鈴聲信號(hào)處于零電位時(shí)合或開的方法。同時(shí)介紹一種可產(chǎn)生用于從負(fù)和正向進(jìn)行零交叉的脈沖、并以一個(gè)固定時(shí)間或繼電器工作所需時(shí)間來(lái)預(yù)先進(jìn)行零交叉的簡(jiǎn)單電路。

圖1 簡(jiǎn)單零交叉檢波器電路

圖2 在電容兩端跨接一個(gè)電阻

圖3 角度與電阻關(guān)系曲線

圖4 最終電路

圖5 預(yù)零交叉檢波器與脈沖發(fā)生器電原理圖

在鈴聲發(fā)生器中，繼電器的有限工作時(shí)間僅占輸入鈴聲電壓周期的一小部分。如果繼電器在所需電壓上開/關(guān)，則必須讓脈沖在鈴聲信號(hào)所需電壓之前的一個(gè)給定時(shí)間開始。

電路原理非常簡(jiǎn)單。通過(guò)將一個(gè)電容和一個(gè)電阻與信號(hào)端及接地端串聯(lián)，即可讓通過(guò)該串聯(lián)組合的電流超前于電壓，所產(chǎn)生的相移為兩個(gè)串聯(lián)元件的函數(shù)。例如一個(gè)串聯(lián)R/C電路，其中R為60k，C為200nF，即可讓電流超前電壓33.5，承載鈴聲電壓的正弦波帶有直流偏移，從正向交叉的角度和斜率與從負(fù)向交叉的角度和斜率不同，且均不在鈴聲電壓正弦波的0- 180。

由于電容隔直，因此電流波形在零電流上對(duì)稱，而具有-48V偏移的電壓波形則在-48V電平上對(duì)稱，但直流偏移意味著它對(duì)地不對(duì)稱。

圖1給出了一種簡(jiǎn)單的零電流交叉檢波器電路，用這種檢波器及超前于電壓的電流，即可在電壓過(guò)零點(diǎn)之前產(chǎn)生脈沖。

如圖1所示，對(duì)于從R2流入D2的電流，D2正極上的電壓(VD2)高于二極管壓降(5V)。隨著電流從D3流入R2，它再變成低于地電位的二極管壓降。這種轉(zhuǎn)換意味著電流極性改變。但是電流仍相對(duì)于零對(duì)稱。這將導(dǎo)致兩次轉(zhuǎn)換時(shí)的電流交叉點(diǎn)和電壓交叉點(diǎn)之間的時(shí)間差不同。電壓直流偏移越大，此時(shí)間差也就越大。這種不同可通過(guò)增加一個(gè)跨接在電容C1兩端的電阻來(lái)部分補(bǔ)償。

通過(guò)在電容C1兩端跨接一個(gè)電阻(見圖2)，給電流增加一個(gè)類似于電壓偏移的直流分量，即可獲得一個(gè)非對(duì)稱的零電流交叉。

利用這種由所增加電阻帶給電流波形的相移和直流偏移，可將超前系數(shù)編程至電流中，以使電流在兩次轉(zhuǎn)換時(shí)以同樣的時(shí)間在先于電壓零交叉時(shí)過(guò)零點(diǎn)。繼電器要求線圈在繼電器閉合前大約2.5ms時(shí)被激勵(lì)。

利用Mathcad并解阻抗反相角(其中R2允許改變)方程：

可從圖3曲線得出R2為41.7k。

但是，下斜和上斜零交叉仍不是同樣的預(yù)定時(shí)間，兩者都不滿足要求，因?yàn)樯稀⑾滦彪娏髁憬徊媾c電壓零交叉之間的時(shí)間差均大于所需的時(shí)間。

通過(guò)將R2增加至60 k，上斜時(shí)間差可滿足2.5ms的要求，但下斜時(shí)間差則只有大約1ms。在剩下的1.5 ms內(nèi)，電壓將下降20V，從而在繼電器開或合時(shí)出現(xiàn)極大的電壓。

如果在電容到地之間增加一個(gè)電阻及一個(gè)二極管(圖4中D4和R4)，則它只會(huì)影響電流的一個(gè)極性。以圖4所示配置，正電流的時(shí)間改變?yōu)樾略绊懙奈ㄒ粎?shù)。
利用此完整電路及零電流檢波器，即可產(chǎn)生一個(gè)具有提前于電壓零交叉一個(gè)預(yù)定時(shí)間的脈沖。在該點(diǎn)上，繼電器在零電壓交叉時(shí)間上被觸發(fā)閉合。

這種變化允許使用如圖5所示的電路來(lái)檢測(cè)正、負(fù)預(yù)交叉點(diǎn)。此外，這種脈沖還允許該電路觸發(fā)繼電器，以使繼電器在零電壓交叉時(shí)閉合。這樣可以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的接觸壽命及更高的產(chǎn)品可靠性。

該電路采用可產(chǎn)生鈴聲信號(hào)的UCC3570型鈴聲發(fā)生控制器來(lái)構(gòu)建和測(cè)試。
測(cè)試結(jié)果顯示，電流轉(zhuǎn)換導(dǎo)致在實(shí)際零電壓交叉前大約2.5 ms處產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。

結(jié)語(yǔ)
該電路可提供對(duì)電壓波形零電壓交叉的可編程預(yù)測(cè)。通過(guò)預(yù)測(cè)零電壓交叉何時(shí)發(fā)生以及提前啟動(dòng)繼電器來(lái)考慮工作時(shí)間，可使繼電器在零電壓交叉時(shí)閉合。這能保護(hù)繼電器接觸免受電弧的損壞，從而延長(zhǎng)繼電器使用壽命，減少維修成本以及提高整個(gè)設(shè)備的平均故障間隔時(shí)間 (MTBF)。