三款220v交流檢測電路

　　一、220v交流過零檢測電路

　　交流電的過零點檢測方案較多，目前較常見的也是我之前所使用的方案如圖1所示：

　　圖1 交流電光耦過零檢測電路

　　圖1的電路可以檢測到交流電經過零點的時間，但是它存在諸多的弊端，現列舉如下：

　　電阻消耗功率太大，發熱較多。220V交流電，按照有效值進行計算三個47K的電阻平均每個電阻的功率為220^2/（3*47k）/3=114.42mw。對於0805的貼片電阻按照1/8w的功率計算，當前的消耗功率接近其額定功率，電阻 發熱大較大。同時需要注意市電的有效值為220V，其峰值電壓為311V，以此計算我們可以得到每個電阻的瞬時最大功率為228mw，嚴重超過了電阻的額定功率，因此使用是存在危險的。

　　光耦的過零點反應速度慢，TZA上升沿時間長。實際測試發現光耦過零點上升沿和下降沿的跳變時間為120us左右（高低電平壓差為3.3V）。對於一般的應用可以接受，但是對於通信中的同步應用該反應時間將嚴重影響通信質量。diangon.com因為在120us內都可以認為是發生了過零事件，也就是說我對過零的判斷可能存在最高達120us的偏差。

　　根據光耦的導通特性，該電路的零點指示滯後實際交流電發生的零點。滯後時間可以根據光耦的導通電流計算，NEC2501的典型值是10ma，實際上，當前向電流達到1ma的時候光耦一般就已經導通了。現以1ma電流計算，電阻3×47k=141k，則電壓為141V，相應的滯後零點時間約為1.5ms。假設0.5ma導通則電壓為70V，則滯後時間為722us。

　　光耦導通時間較長，即光耦電流由0變為導通電流這個漸變過程較長，導致光耦特性邊緣時間差異明顯，產品一致性差。假設以1ma作為光耦的導通電流，那麼在220v交流電由0V變化到141V的過程需要1.5ms。而因為期間的一致性問題，部分光耦可能會在0.5ma的時候就導通，部分可能在0.7ma的時候導通。現假設一致性帶來的最低導通電流為0.5ma，那麼對應導通電壓為71V，對應滯後零點時間為736us，這表明，不同光耦之間零點差異可能達到764us！（實際測試中我檢測了10個樣品，其中兩個光耦導通性能差別最大的時間差達到50us，其他普遍在10us左右）。這為不同設備使用該電路進行同步製造了很大的麻煩。

　　受光耦導通電流限制，該電路能夠檢測的交流信號幅度範圍較窄。以1ma計算，該光耦只能檢測交流信號幅度大於141V的信號。如果該信號用於同步，那麼在設備進行低壓測試時將不能獲取同步信號。

　　TZA輸出波形和標準方波相差較大，佔空比高於50%。實際測試中佔空比的時間誤差達到1.2ms，在應用中該時差不能被忽略。

　　基於以上列出的各個問題導致利用交流電過零點進行同步質量較差，需要改進。首先我想到的方案是利用比較器的比較功能來產生標準的方波。在交流電的正半周比較器輸出高電平，在交流電的負半周比較器輸出低電平。該方案的時間誤差僅取決於比較器電平跳變的響應速度和比較器的差分電平解析度。以lm319為例，偏置電壓最大為10mv，比較靈敏度為5mv，5V輸出電平跳變響應時間在300ns以內，加上asin（10e-3/311）/2//pi/50 = 100ns。二者總共相差約400ns，遠低於圖1所示的方案。在實際應用中我使用了LM358來代替比較器，其偏置電流為50na，串接1M的電阻，滿足偏置電流的電壓為50na×1M=50mv。按照st-lm358資料，其開環頻率響應1k一下可以達到100db，因此理論上輸入1mv的電平依然可以識別，和前邊假設相比取50mv，asin（50mv/311）/2/pi/50 = 500ns，放大器的SR為0.6V/us，假設轉換到4V，需要7us。因此使用LM358的絕對誤差為7.5us，而實際上由於每個器件的共性，因此在同步上偏差應該小於1.5us。

　　方案定下來以後就應該進行電路設計了，在實際電路調試的時候遇到很多問題，現記錄於此供以後參考。主要問題包括有：

　　對於差分運放電路缺乏基本的認識，最初考慮用電阻分壓電路，按照最大電壓311V，電阻分壓1：100，選用2M電阻串接一個20k，取20k兩端的電壓，理論最大差為3.11V的樣子，電路如圖2-1所示。該電路最終以失敗告終。經過學習和查找原因，是因為沒有可靠的工作點，或者說沒有統一的參考地，浮地輸入無法實現放大。同樣因為這個原因，在網上尋找的如圖2-2所示的電路也以失敗告終。

　　為了能夠對差分放大電路提供統一的參考基準最終對圖2-2進行修改，分別從差分輸入的+端和-端引一個大電阻到測試系統的「地」，因為是單電源放大考慮到LM358的共模輸入信號範圍0-VCC-1.5V，由於二極體限幅，二極體兩端電壓最多0.7V，又因為對於去其中間電平連接到地，正負端對地輸入的電壓範圍為-0.35到+0.35。最終電路如圖3所示，該電路可以實現設計功能。

　　經驗總結：

　　理解運算放大器的共模輸入範圍，這對運放電路設計很重要。如果輸入信號超過共模電壓範圍，放大器將不能正常工作。

　　任何信號耦合都是需要電流驅動的，放大器限流以及不同設備間「地」的連接不是電阻越大越好。當初設計圖3的電路，最初R2和R3取500K時，用示波器雙通道同時測試測試地到R2，R3兩端差分電壓，顯示其具有相同的波形，幅度8V左右。理論上其原R2，R3兩端波形幅度應該為0.35V，相位相反。經過反覆試驗，發現其原因就在於經過R2，R3電流太小已經沒有達到共「地」的效果了，降低R2，R3阻值測試波形和理論一致。

　　當初為了安全測試220V端電壓波形，查閱了浮地測試技術的相關資料。同時經過實驗驗證，浮地測試必須要將示波器和被測試系統的公共地斷開，具體來說就是讓測試儀器和被測試平臺不具備相同的參考地電位，這樣短接示波器探頭的地到被測試平臺才不會發生事故。拿本實驗舉例，假設我們需要測量市電實時波形，怎麼測量呢。我們可以這樣測試，示波器供電時三芯插頭只連接L和N端，接地不連接，這樣就可以通過接地夾夾在市電的一端，用探頭去測量另一端的波形了。當然最好還是在接地夾串接以大電阻去接市電一端，探頭也串接一大電阻去接市電另一端。如果不這樣測試會有什麼後果？如果不這樣測試，因為示波器探頭的接地夾是和三芯插頭地線導通的，在通過接地夾去夾火線或者零線是就相當於把火線或零線直接與大地相連，如果是零線還沒事，如果是火線那必然短路！非常危險。

　　二、單片機檢測220V交流開關量信號

　　現有220V交流電輸入，輸入與否由300米外的繼電器控制。

　　要求：用3.3V單片機檢測300米外的繼電器是否吸合，即用3.3V單片機檢測是否有220V交流電輸入。

　　由於需要接55個輸入端，所以要求電路體積儘可能小，成本可以稍高，但不能使用安規電容、變壓器、繼電器等大個元件。

　　這只是信號拾取電路，你要檢測多少信號，就做同樣多少電路，但目前單片機恐怕沒有你要的55個輸入單元接口。

　　三、市電220V檢測電路

　　最近朋友讓我給他弄一個市電檢測電路，用在工業上的，要求在市電200V以上的時候輸出一個脈衝，並且脈衝寬度在有限的時間內可調，各位大蝦有沒有做過類似電路的？望指點一二。以下是我個人設計的電路，在我個人的系統中測試的結果還算理想，經過幾天的間斷測量，檢測到上升沿到輸出脈衝的延時時間誤差不是很大，我想請教的是我的電路應用到工業領域還有哪些欠缺的部分，如何防止外在的幹擾等。

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