《电子技术应用》

一种简易的交流电压检测电路

2017年微型机与应用第5期 作者:张卫丰1,张艳辉2,罗欢1
2017/4/6 10:24:00

  张卫丰1,张艳辉2,罗欢1

  (1.深圳信息职业技术学院,广东 深圳 518172;2. 中兴通讯股份有限公司,广东 深圳 518057)

  摘要:提出了一种基于集成运放的交流检测电路,该电路由电压衰减电路、差分运算放大及合成电路、电压过零检测及频率检测电路等组成。通过理论推导,给出了电路关键点参数的计算公式,并用Multisim软件对电路进行了仿真,仿真结果与理论计算值一致。根据仿真设计参数,搭建了实验电路。实验结果表明,实际检测电压为3.4 V,电压过零检测信号为5 V方波,频率为100 Hz,与理论计算及仿真结果一致,验证了所设计电路的可行性。电路简单可靠,易于实现,为各种电源及仪表系统交流电检测提供了一种新尝试。

  关键词:交流电检测;过零检测;集成运算放大器;差分运算放大电路

  中图分类号:TM911.23文献标识码:ADOI: 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.05.011

  引用格式:张卫丰,张艳辉,罗欢.一种简易的交流电压检测电路[J].微型机与应用,2017,36(5):32-34.

0引言

  *基金项目:广东省自然科学基金博士启动项目(S2012040007242);深圳市科技计划项目(JCYJ20160527101807403,JCYJ20140418100633638); 深圳信息职业技术学院教研课题(2016jgyb03)目前不间断电源、应急电源、高频整流器、逆变器、变频器、太阳能发电、风能发电等领域都要对交流电信号进行检测,以获取电压大小、频率和过零检测等参数,从而对电源进行精确控制[1 4]。现有方法中[5],通常先通过变压器降压,再经过整流后分压,最后由单片机对电压信号进行采集,得到电压检测数据,另外再通过过零检测电路得到过零检测数据。然而由于该方法需要实现电压检测和过零检测两个电路,且需要变压器等器件,设计复杂,成本较高。

  基于此,文中提出一种基于集成运放的交流电压检测电路,通过简单的分立器件和常用的集成运放器件,实现同时检测交流信号的电压、电压频率及过零点参数,价格低廉、简单可靠、且易于实现。

1电路组成及原理

  交流电压检测包括电压大小、频率及过零点检测等,检测到的信号要通过处理器计算处理,对电源系统进行精确控制。以市电为例,其有效值为220 V,峰值为310 V左右,如图1所示。但实际单片机控制芯片均为低压器件,所以检测电路应包括电压衰减电路、运算放大及合成电路、过零及频率检测电路等,具体电路如图2所示。

  

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  1.1电路原理分析

  交流电检测是通过弱电控制芯片来实现的,220 V交流电必须经过电压衰减,降为弱小的电压信号,然后经过集成运放电路进行信号放大合成,才能被单片机等控制芯片可靠接收,并对整个系统进行可靠控制。

  如图2所示,电压衰减电路由R1、R3、R5、R6及直流偏置电压源组成,市电V1经过4个电阻的分压,在节点A、B处获得毫伏级的弱电电压信号。此弱电信号作为集成运算放大器的输入信号,再进行比例放大。为减少实际应用中供电电源的数量,集成运放采用单电源供电,则一个运算放大电路只能输出交流电的正向电压,为能全部还原输出交流电信号,须用另一个集成运放,且运放输入端口信号反接,则能将交流电的负半周电压转化为正电压输出。两个运算放大电路输出的电压信号VAO、VBO经过两个电阻连接在一起,进行交流电压信号合成,输出信号为VO,此信号可以直接接入单片机或DSP等控制器进行后续运算和控制处理。两路运放输出的任一路信号,均可作为过零及频率检测电路的输入,文中以负电压输出作为过零及频率检测电路的输入,则在交流电的正半周,此运放输出为零电压,开关三极管Q1不导通,Vzero输出为高电平,当交流电正向电压降到零,负电压开始增大时,运放输出电压开始增大,触发开关三极管Q1导通,Vzero输出为低电平,当交流电不断变换时,Vzero即为高低电平的脉冲信号,高低电平的脉冲沿即为过零点,而脉冲信号的周期即为交流电信号的周期,从而可以通过单片机或DSP捕捉Vzero信号,通过计算处理后,可得到交流信号的过零点和频率参数。

  1.2电路参数计算

  实际应用中,节点A、B处的电压VAB、运放输出电压VAO、VBO、合成电压VO、过零检测信号Vzero等是关键参数,因此,必须对电路进行等效分析,计算出合理的参数值,才能保证检测电路可靠运行。

  电压衰减电路,相当于两个电压源单独作用时,在节点A、B处电压的叠加,利用叠加定理,可得:

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  式中,V1为检测的交流电压,实际应用中,一般取R5=R6,R1=R3,则有:

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  图2中两个集成运放电路均是差分运算放大电路,根据差分运算放大电路特性,则有:

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  合成电压VO可看成VAO、VBO单独作用于R15、R16串联电路中点的电压叠加,由叠加定理可得:

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  实际应用中,取R15=R16,则有:

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2仿真与实验

  在Multisim软件中,基于图2市电检测电路建立了仿真模型。实际应用中,市电的检测以220 V为中心,存在正负20%的波动,要使检测到的参数值能很好地被单片机或DSP等控制芯片捕获,一般要求合成的检测电压范围在5 V以内。因此,根据上述原理分析及参数计算,电路模型关键参数选取如表1所示。

  根据表1参数,在Multisim软件中对图2电路进行了仿真。

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  图3给出了市电电压波形和衰减后的信号波形。由图可知,220 V市电,峰值电压为310 V左右,衰减后的电压峰值为200 mV左右。将表1参数值代入式(2),可得衰减后的信号峰值为200 mV,仿真结果与理论计算一致。

 

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  图4给出了差分运算电路输出波形、电压合成波形和过零电压侦测波形。由图可知,市电正半周,差分运放电路的输出VAO为正弦半波,峰值为6.7 V,VBO输出为零;市电负半周,差分运放电路的输出VBO为正弦半波,峰值为6.7 V,VAO输出为零;合成电压波形为正弦半波,正负半周均为正,峰值为3.35 V;过零检测信号Vzero在正弦交流电压的过零处触发,其频率为正弦交流电的2倍,幅值为5 V。将表1参数分别代入式(3)、式(4)和式(6),可得VAO、VBO峰值均为6.76 V,VO峰值为3.38 V。由此可知,仿真与理论计算是一致的。

 

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  为了验证实际电路的工作效果,基于表1参数搭建了实验电路。实验波形如图5所示。图中,1通道为合成电压波形,2通道为过零检测信号。由图可知,合成信号为正弦半波波形,幅值为3.4 V左右;过零侦测信号为5 V左右的方波,且均在交流电压正负半周过零时触发电路电平转换,频率为100 Hz。实验结果与仿真及理论计算一致。

 

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  合成电压和过零检测信号最终将会连接到单片机或DSP控制芯片的A/D口,然后经过控制算法进行运算处理后,对电源系统进行精确控制,通过仿真及实验可知,合成电压及过零检测信号均为正,且在5 V范围之内,适合控制芯片A/D采样,方便了控制系统的设计。

3结论

  文中提出了一种基于集成运放器件的交流电检测电路。电路由简单分立电阻、集成运放、三极管等器件组成,价格低廉,电路简单可靠,且易于实现。实验结果与理论分析及仿真结果一致,验证了所设计电路的可行性,为不间断电源、应急电源、高频整流器、逆变器、变频器、太阳能发电、风能发电、电测仪表等领域用交流电检测提供了一种简易可行的方案。

参考文献

  [1] 祝龙记,刘晖.三相UPS电源锁相与换相技术的研究[J]. 安徽理工大学学报,2007,27(4):29-32.

  [2] 薛家祥,沈栋,张思章,等.单相光伏并网逆变器电参数检测系统研究[J].可再生能源,2012,30(11):24-29.

  [3] 姚正武.晶闸管变流设备电源精确过零检测技术[J].电子器件,2014,37(6):1256-1260.

  [4] 姚伟鹏.一种新型交流电检测电路的设计[J].数字技术与应用,2015(10):71.

  [5] 任宏斌,冷建伟.基于STM32 的交流电压检测[J].电子设计工程,2016,24(13):133-135.


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