Детектор перехода тока через ноль

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в системах управления полупроводниковыми преобразователями, регуляторами напряжения.
Известна схема детектора перехода сетевого напряжения через ноль, содержащая токоограничивающие резисторы, выпрямительный мост, нагрузочный резистор, стабилитрон,  оптрон и нуль-орган, состоящий из биполярного транзистора, диода, резистора и конденсатора (Детектор перехода сетевого напряжения через ноль с минимальным количеством высоковольтных компонентов / Luca Matteini (Электронный журнал «РадиоЛоцман». – 2011. – № 12. – С. 65-67)
Недостатками известного решения являются в следующем.
1. Гальваническая развязка между цепью, в которой измеряется ток, и  системой управления обеспечивается оптроном, который и определяет прочность изоляции. Обычно напряжение изоляции оптронов не превышает 6000–7000 В, поэтому  применение таких датчиков в высоковольтных установках невозможно.
2. Известное устройство определяет момент перехода напряжения через ноль. Для определения момента перехода тока через ноль данное устройство подходит лишь для цепей, содержащих только активное сопротивление. В цепях с реактивными элементами из-за несовпадения моментов перехода напряжения и тока через ноль детектор будет давать ошибку.
3. В высоковольтных схемах мощность потерь на токоограничивающих резисторах детектора оказывается недопустимо велика, поскольку токоограничивающие резисторы должны обеспечивать рабочий ток стабилитрона и импульсный ток светодиода оптрона.
Технический результат заключается в возможности определения момента перехода тока через ноль в высоковольтных установках за счет использования оптотрансмиттерной гальванической развязки и  повышении КПД в связи с отсутствием потерь на токоограничивающих резисторах.
Технический результат достигается тем, что детектор перехода тока через ноль содержит выпрямительный мост, нагрузочный  резистор, подключенный к выходу выпрямительного моста, стабилитрон, нуль-орган, оптрон. Дополнительно введены трансформатор тока, первичная обмотка которого подключена последовательно  в цепь протекания контролируемого тока, а вторичная обмотка подключена ко входу выпрямительного моста, измерительный резистор, подключенный к выводам  вторичной обмотки трансформатора тока, диод, анод которого подключен к положительному выводу выпрямительного моста, а катод подключен к катоду стабилитрона, анод которого подключен к отрицательному выводу выпрямительного моста, конденсатор, включенный параллельно стабилитрону, первый резистор, соединяющий положительный вывод выпрямительного моста с неинвертирующим входом компаратора, использущегося в качестве нуль-органа, второй резистор, соединяющий отрицательный вывод выпрямительного моста с инвертирующим входом компаратора, выводы питания которого подключены параллельно к стабилитрону и конденсатору, резистор обратной связи, первым выводом подключенный к неинвертирующему входу компаратора, а вторым выводом подключенный к его выходу, токоограничивающий резистор, первый вывод которого подключен к катоду стабилитрона, а второй вывод подключен к аноду светодиода оптотрансмиттера, использующегося в качестве оптрона, полевой транзистор, вывод стока которого подключен к выводу катода светодиода оптотрансмиттера, а вывод истока подключен к отрицательному выводу выпрямительного моста, резистор, соединяющий затвор полевого транзистора с выходом компаратора.
На чертеже представлена схема детектора перехода тока через ноль.
Детектор состоит из трансформатора тока 1, первичная обмотка которого подключена последовательно в цепь протекания контролируемого переменного тока (например, полупроводникового ключа ПК, приведенного на чертеже для пояснения работы детектора). Ко вторичной обмотке трансформатора тока 1 параллельно подключен измерительный резистор 2. Выводы вторичной обмотки трансформатора тока 1 и измерительного резистора 2 подключены ко входу выпрямительного моста 3. К выходу выпрямительного моста 3 параллельно подключен нагрузочный резистор 4. К плюсовому выводу выпрямительного моста 3 подключен вывод анода диода 5. К выводу катода диода 5 и минусовому выводу выпрямительного моста в параллель подключены  стабилитрон 6, конденсатор 7, выводы питания компаратора 8 и цепь, состоящая из последовательно соединенных токоограничивающего резистора 9, выводов анода и катода светодиода оптотрансмиттера 10, выводов стока и истока полевого транзистора 11. Плюсовой вывод выпрямительного моста 3 подключен через первый резистор 12 к неинвертирующему входу компаратора 8, а минусовой вывод выпрямительного моста 3 подключен через второй резистор 13 к инвертирующему входу компаратора 8. Резистор обратной связи 14 первым выводом подключен к неинвертирующему входу компаратора 8, а вторым выводом подключен к его выходу. Выход  компаратора 8 соединен через резистор 15 с затвором полевого транзистора 11.
Устройство работает следующим образом. В цепь протекания тока, момент перехода которого через ноль требуется определить, включена первичная обмотка трансформатора тока 1. Падение напряжения на измерительном резисторе 2, создаваемое током вторичной обмотки трансформатора тока 1, выпрямляется диодами выпрямительного моста 3. Нагрузочный резистор 4 обеспечивает минимальный ток, необходимый для коммутации диодов выпрямительного моста 3. Напряжение на выходных клеммах выпрямительного моста 3 имеет форму полуволн выпрямленного синусоидального напряжения. Диод 5 отсекает выход выпрямительного моста 3 от стабилитрона 6 и сглаживающего конденсатора 7, в результате чего выходное напряжение выпрямительного моста 3 остается не сглаженным. Диод 5 также предотвращает возможную разрядку конденсатора 7 через нагрузочный резистор 4, чем обеспечивается минимально возможное потребление тока схемой детектора. Постоянное напряжение на стабилитроне 6 и конденсаторе 7 используется для питания компаратора 8 и оптотрансмиттера 10. Выпрямленное пульсирующее напряжение на нагрузочном резисторе 4, пропорциональное контролируемому току, поступает через резисторы 12 и 13 на входы компаратора 8.
Если выпрямленное напряжение, а значит и ток первичной обмотки трансформатора тока 1, больше нуля, то напряжение на выходе компаратора 8 равно нулю. В моменты перехода тока первичной обмотки трансформатора тока 1 через ноль напряжение на выходе выпрямителя 3 тоже равно нулю. В эти моменты на выходе компаратора появляется сигнал в виде коротких прямоугольных импульсов положительной полярности. Резистор обратной связи 14 обеспечивает гистерезис работы компаратора 8 для повышения помехоустойчивости детектора. Сигнал с выхода компаратора 8 через резистор 15 поступает на затвор полевого транзистора 11, усиливается им и подается через токоограничивающий резистор 9 на оптотрансмиттер 10.
Детектор перехода тока через ноль не нуждается в дополнительном источнике питания. При протекании переменного тока по первичной обмотке трансформатора тока 1 на измерительном резисторе 2 создается переменное падение напряжения, которое подается на вход выпрямительного моста 3. Выпрямленное напряжение с выхода выпрямительного моста 3 через отсекающий диод 5 подается на стабилитрон 6, который служит для ограничения напряжения на уровне напряжения питания компаратора 8 при изменении контролируемого тока в широком диапазоне. Пульсации выпрямленного напряжения сглаживаются конденсатором 7. Далее выпрямленное, ограниченное и сглаженное напряжение используется для питания компаратора 8 и оптотрансмиттера 10.
По сравнению с известным решением предлагаемое позволяет определять  момент перехода тока через ноль и обеспечить гальваническую развязку силовой и измерительной цепи с максимально возможным напряжением изоляции при малом энергопотреблении.