Detetores de Passagem por Zero: Protegendo Eletrónica Sensível de Correntes de Inrush

Como é que os sistemas de controlo de potência suportam elevadas correntes de inrush? Parece uma tarefa árdua. No entanto, é aqui que os detetores de passagem por zero (ZCD) se tornam úteis.

Com a deteção de passagem por zero, a transição de uma forma de onda de sinal ocorre de forma contínua. Por isso, um circuito detetor de passagem é importante para sistemas que requerem um intervalo de tempo.

Vamos elaborar sobre como funcionam os detetores de passagem por zero. Também explicaremos métodos simples de criar um circuito detetor de passagem. Continue a ler para obter insights.

1. Princípio dos Detetores de Passagem por Zero

Um detetor de passagem por zero opera numa rede de circuitos de sistemas de controlo de potência elétrica. Facilita a conversão de uma forma de onda de saída de comparador. Isto acontece quando um sinal CA atinge a tensão de referência zero. Consequentemente, o dispositivo atrasa no tempo. O objetivo é proteger o circuito de elevadas correntes de sinal de entrada.

2. Descrição Básica do Circuito de Detetores de Passagem por Zero

Primeiro, aqui está uma ilustração de um circuito detetor de passagem por zero.

Figura 1: Ilustração do Diagrama de Circuito de um Detetor de Passagem por Zero.

A ilustração do circuito em série acima mostra um circuito detetor de passagem simples. Durante a montagem, ligue o sinal de entrada ao terminal inversor do amplificador operacional. Para o terminal não inversor, ligue-o à terra através de resistores de entrada.

O dispositivo identifica quando o sinal de entrada é diferente da tensão de referência. Deve definir a tensão de referência em 0. Portanto, sempre que isso acontece, o nível de saturação dos sinais de saída mudará.

Figura 2: Uma Placa de Circuito

Aplique um sinal de entrada no terminal não inversor do amplificador operacional. Neste momento, o nível de tensão de referência está em zero. O sistema comparará a onda senoidal na entrada do amplificador operacional com a tensão de referência.

Em cada instância, a fase da onda senoidal mudará de negativa para positiva e vice-versa.

Vamos considerar cada cenário provável do sinal de entrada.

Tomemos, por exemplo, um caso em que há um sinal senoidal positivo na entrada. O comparador comparará o sinal de entrada com o nível de tensão de referência. Portanto, a equação deste cenário é:

V_Saída = V_Referência – V_{Sinal de Entrada}

Portanto, dado que tem tensão de referência de 0V, podemos igualar V_Referência a zero. Assim, a equação mudará para:

V_Saída = 0 – V_{Sinal de Entrada}

Consequentemente, a tensão do sinal de forma de onda de saída terá uma saturação negativa. Verifique esta equação final:

V_Saída = – V_{Sinal de Entrada}

Portanto, um pulso positivo produz uma forma de onda de saída negativa.

Por outro lado, considere um cenário em que há um sinal senoidal negativo. Novamente, o comparador comparará o sinal de entrada com o nível de tensão de referência.

Portanto, a equação será novamente V_Saída = V_Referência – V_{Sinal de Entrada}.

Quando substituímos V_Referência na equação por zero, obteremos:

V_Saída = 0 – (V_{Sinal de Entrada})

Assim, V_Saída = + V_{Sinal de Entrada}

O sinal de forma de onda de saída terá uma saturação positiva neste caso.

Portanto, o detetor de passagem por zero converte eficientemente o sinal de entrada na forma de onda de saída de sinal oposto. Se o sinal de entrada for negativo, o circuito de passagem converte-o em positivo e vice-versa.

3. Como Fazer um Circuito Detetor de Passagem por Zero?

Figura 3: Ondas Senoidais

Pode facilmente projetar um detetor de passagem por zero. Também pode usar este circuito para uma ampla gama de aplicações.

Aqui estão os componentes que precisa para este circuito:

• Um Diodo Zener de 6V
• Dois Resistores de 100K
• Comparador IC 741

Deve garantir que liga a entrada CA a partir de um retificador de ponte. Também, neste circuito, o IC 741 opera como comparador. Deve fornecer uma tensão de alimentação de 12V.

Além disso, certifique-se de que liga o pino não inversor a um diodo 1N4148. Por outro lado, deve ligar o pino inversor ao sinal de entrada da sua escolha.

Note que a forma de onda de saída do seu circuito será o inverso do sinal de entrada. Assim, o circuito segue os princípios convencionais dos detetores de passagem por zero.

Quando há uma corrente positiva no pino de entrada, o dispositivo detetará isso. A mudança da forma de onda de saída acontecerá quando a tensão de referência estiver em zero. O oposto acontecerá quando ligar uma corrente oposta. Neste caso, a saída será positiva.

4. Aplicações do Detetor de Passagem por Zero

Existe uma ampla gama de aplicações de circuitos detetores de passagem por zero. Encontrá-los-á num dispositivo eletrónico como um contador de frequência. Adicionalmente, também os encontrará em circuitos eletrónicos de potência.

Figura 4: Uma Ilustração 3D de Componentes Eletrónicos

Aqui estão algumas das aplicações típicas de um circuito de passagem:

ZCD como Fasímetro

Quando tem duas tensões, pode usar um ZCD como fasímetro para determinar o ângulo de fase. O ZCD obterá primeiro pulsos sequenciais nos ciclos positivo e negativo. Em seguida, medirá a tensão do intervalo de tempo do primeiro pulso de tensão de onda senoidal. Repetirá o processo para o pulso de tensão da outra onda senoidal.

Assim, o intervalo de tempo dará a diferença de fase entre as tensões do sinal de entrada. Pode usar o fasímetro para ondas senoidais de zero a 360 graus.

ZCD como Gerador de Marcadores de Tempo

Considere o diagrama de circuito do comparador de um detetor de passagem por zero na Figura 1. Se o pino de entrada for uma onda senoidal, o sinal de saída será um gerador de onda quadrada. Assim, criará um circuito em série.

Além disso, considere um cenário em que a constante de tempo é relativamente pequena em relação ao período. Nessa instância, a tensão nos resistores pode ser um pulso positivo. Também pode ser um pulso negativo. Aplique uma tensão a um circuito limitador através de um diodo. Isso produz tensão de carga apenas com pulsos positivos. Portanto, terá uma conversão da onda senoidal do detetor de passagem por zero em pulsos positivos. O pré-requisito para este resultado é um circuito de rede e um circuito limitador.

Detetor de Passagem por Zero Usando IC 311 e Transistor

Figura 5: Gráficos de Ondas

Também pode usar um detetor de passagem por zero no projeto de um circuito comparador de amplificador operacional. Ilustrámos esta aplicação direta na Figura 1. Quando o usa desta forma, será um conversor de onda quadrada.

Também, neste circuito, pode usar tanto o comparador inversor como não inversor como detetor de passagem por zero. No entanto, deve garantir que define a tensão de referência para zero.

O princípio de funcionamento deste circuito é também semelhante às outras aplicações de detetor de passagem por zero.

Assim, quando a tensão de entrada positiva cruza zero, a forma de onda de saída estará em saturação negativa. Por outro lado, quando a tensão de entrada é negativa, a forma de onda de saída estará em saturação positiva.

Portanto, ciclos negativos na onda de entrada produzirão formas de onda positivas. Da mesma forma, ciclos positivos na onda de entrada produzirão formas de onda negativas.

Detetor de Passagem por Zero Usando Optoacoplador

Outra forma de usar um detetor de passagem por zero é no processo de projeto de um optoacoplador. Aqui está uma ilustração de um design analógico de optoacoplador.

Figura 6: Uma Ilustração de Optoacoplador

Olhando para uma forma de onda de saída do circuito, ela muda dependendo da entrada. Por exemplo, quando o sinal de entrada atinge 0, a forma de onda de saída subirá. Ocorre sempre que o sinal de entrada chega a este ponto, como ilustrado nos exemplos acima.

Conclusão

Em suma, os detetores de passagem por zero são essenciais em sistemas de controlo de potência. Sem eles, não seria possível operar circuitos de ciclo CA.

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