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八月 2 2019

基于LM339的交流过零检测电路设计

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LM339LM339TexasInstruments四电压比较器单电源:2~36V,双电源:±1~±18VIcc=1.3mA

  由于交流电路过零检测电路存在结构复杂、过零点检测不准确、编程繁琐等问题,本文介绍了一种基于LM339的硬件结构简单的过零检测电路。通过仿真软件Mulisim对该设计电路进行了仿真,实验证明了该方案过零检测的可行性、稳定性和可靠性,可直接作为交流电路中CPU的过零信号。

  1.引言

  随之电力电子器件在髙压、大电流量等弱电应用领域,怎样减少元器件的开关损耗,以保证其处在安全生产工作区,是经济发展安全性地应用元器件的关键。交-交变频器及其无速度传感器磁感应电机等技术性在工业化生产中的运用,促使交流电路过零无损检测技术的精确性和可信性越来越尤其重要。传统的交流调速系统的过零检测往往采用硬件过零比较器来实现,但由于在实际应用中比较器容易受失调电压、噪声和谐波的影响,实际电压的零点与所提取的零点会有较大地误差,在实际应用中电网电压波动、背景噪声等因素都会引起输入信号在过零点附近发生抖动,导致多过零现象,造成实际基波零点和提取的零点误差大。近些年一些学家明确提出了某些新的过零检测方式,这种方式降低了过零检验的硬件配置电路原理,但在主控芯片中,开展检验和测算,给系统软件的程序编写和运作增加了负担,并危害了过零检测的时序性。

  基于目前现有的过零检测电路存在的缺点和不足,经分析研究,设计了一种新的过零检测电路,该电路结构简单、安全可靠,经济实用,可用于交-交变频器以及无速度传感器电动机的过零检测。

  2.LM339优势

  LM339是一种较为普通的四路差动比较器,其内部有四路集成比较器,每个比较器包含两个输入端和一个输出端。两个输入端中一个称为同相输入端(即为“+”),另一个称为反相输入端(即为“-”)。当两个电压进行比较时,任意一个输入端加待比较的信号电压,另一端则加固定电压做门限电压。若“+”端高于“-”端,则输出截止,输出端开路;若“-”端高于“+”端,则输出饱和,即输出端接低电压。当满足两个输入端电压差超过10mV时,即可保证输出状态发生改变。因此,把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。

LM339引脚图

  图1 LM339引脚图

  该电压比较器的特点是:

  1)失调电压小,典型值为2mV;

  2)电源电压范围宽;

  3)对比较信号源的内阻限制较宽;

  4)共模范围大,为0~(Ucc-1.4V)Vo;

  5)差动输入电压范围宽;

  6)输出端电位可灵活方便地选用。

  3.过零检测电路的设计

  3.1比较器构成的过零检测电路

  过零检测技术是指利用电路准确监测并指示出信号的过零点所处的位置。通常把正弦信号与水平轴的交点作为信号的过零点,正弦信号周期内有2个过零点,信号从负值通过零点到达正值称为正向过零,对应的过零时刻称为正向过零点;信号从正到负的过零则称为负向过零,对应的过零时刻称为负向过零点。因此,过零检测技术可分为单向过零检测和双向过零检测。

  如图2所示为比较器构成的基本的过零比较电路,其Vi为输入信号,当Vi由正电压到达零点时,输出信号Vo由5V变为0V,从而实现信号的过零检测。但在生产实践中,输入信号往往不是标准的正弦信号,大都存在谐波以及其他的干扰,这样就很容易造成该过零比较电路发出误信号,造成系统的误动作。

基本的过零比较器电路图

  图2 基本的过零比较器电路图

  3.2 双限比较电路的设计

  考虑到基本的LM339N过零比较器电路存在的不足,结合其电压比较器的特点,设计了一种双限过零比较器。如图3所示是双限过零比较电路原理图。图中U2A和U2B是LM339的两个比较器,为能让其检测比较交流信号,该比较器采用双电源供电,Vi作为输入信号,Vo为输出信号,V2和V3分别为双限比较器的基准电压的上限值和下限值;7408N为一个集成的双输入四与门电路。

双限过零比较电路原理图

  图3 双限过零比较电路原理图

  该电路图的工作原理是:在一个周期内,当输入信号Vi大于基准电压V2时,比较器的1引脚和2引脚输出分别为高电平和低电平,两个信号经过7408N与门之后,输出低电平;当输入信号Vi小于基准V2,而又大于基准电压V3时,比较器的1引脚的输出不变,仍为高电平,而2引脚的输出也变为高电平,这样两个信号经过7408N之后,输出就变成了高电平;当输入信号Vi小于基准电压V3时,比较器的1引脚输出变为低电平,而2引脚的输出不变,仍为高电平,两个信号经过7408N与门之后,输出变为低电平;当输入信号Vi大于基准电压V3,而又小于基准V2时,比较器的1引脚的输出变为高电平,而2引脚的输出不变,仍为高电平,这样两个信号经过7408N之后,输出就变成了高电平。

  该过零检测电路可根据设计所需的精确度的不同,调节基准电压V2和V3的值,可达到设计的要求。

  4.过零电路仿真

  根据过零检测原理,利用仿真软件Mulisim操作方便、仿真快捷的优点,搭建过零检测电路的仿真模型。如图4所示,交流信号输入部分用的是幅值为8V,频率为50Hz的交流电,LM339是用正负12V的电源供电,7408N用5V的直流电源供电,引脚1和引脚2的输出用一个12V的电源做上拉,为能方便观察,对比输出结果与输入的关系,仿真时用一个四踪示波器来分别观察输入信号,引脚1和2以及7408N的输出。

过零电路仿真原理图

  图4 过零电路仿真原理图

  图5和图6分别为过零电路的仿真结果图和仿真的局部放大图,图中1是输入信号,2是7408N的输出,3是LM339的引脚1的输出,4是引脚2的输出。为了便于观察对比,分别将引脚1、2的输出下移了0.8和2.2个单位,比例设为20,也就是示波器的一个格代表20V,而输入信号的比例为10,7408N的输出比例为5。

仿真结果图

  图5 仿真结果图

过零局部放大图

  图6 过零局部放大图

  由图5和图6可以看出,该过零检测电路可以实现交流信号的过零检测,反应速度快,能够检测信号的快速过零,该检测电路由于利用的是比较器的双限比较,可以一定程度上防止信号的误过零而导致的系统误动作,从而提高系统的可靠性。

  5.实验分析

  根据过零检测电路的原理图和仿真原理图搭建过零检测电路的实验平台,结合实验室现有的设备,输入信号用调压器调节一个8V的信号,用一个多输出稳压器为LM339和7408N提供正负12V和5V的电压,为保证7408N不被LM339的输出烧坏,在7408N的输入端做了一个5V和地的限幅电路,使其输入变为0V和5V两种状态。该过零检测电路的实验波形图如图7和图8所示。

过零检测实验波形图

  图7 过零检测实验波形图

过零局部放大图

  图8 过零局部放大图

  由上面两图可以看出:该过零检测电路在实验时可以准确地检测到交流信号的过零点,能够实验防止信号的误过零而导致的误动作;并且,从图中可以看出,该过零检测点路的过零点信号大概持续100μs,精度很高。

  6.结论

  本过零检测电路方案是采用比较器LM339而设计的,从模拟仿真电路原理图和构建的试验电路原理图能够看得出,该电路原理简约,实用性强,同时还可看得出该过零检测电路可以很好地实现交流电路的过零检测,稳定性强、可靠性高,并具备非常好的抗干扰性,能够直接作为交流电路中CPU的过零信号。该电路不但不仅实现了交流信号的过零检测,还为交-交变频器自然换流运行方式的实现奠定了硬件方面的基础。

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