Detetores Zero-Crossing – Protege efetivamente equipamentos eletrônicos sensíveis

Como os sistemas de controle de potência suportam altas correntes de energização? Parece uma tarefa árdua. No entanto, é aqui que os detectores de cruzamento zero (ZCD) são úteis.

Com a detecção de cruzamento de zero, a transição de uma forma de onda de sinal acontecerá sem problemas. Portanto, um circuito detector de cruzamento é importante para sistemas que requerem um intervalo de tempo.

Vamos detalhar como os detectores de cruzamento zero operam. Além disso, explicaremos métodos simples de criar um circuito detector de cruzamento. Assim, continue lendo para obter insights.

1. Princípio dos detectores de cruzamento zero

Um detector de cruzamento zero opera em uma rede de circuitos de sistemas de controle de energia elétrica. Facilita a conversão de uma forma de onda de saída do comparador. Isso acontece quando um sinal CA atinge tensão de referência zero. Consequentemente, o dispositivo atrasa no tempo. O objetivo é proteger o circuito de altas correntes de sinal de entrada.

2. Descrição básica do circuito dos detectores de cruzamento zero

Primeiro, aqui está uma ilustração de um circuito detector de cruzamento zero.

Figura 1:uma ilustração do diagrama de circuito de um detector de cruzamento zero.

A ilustração do circuito em série acima mostra um circuito detector de cruzamento simples. Durante a montagem, conecte o sinal de entrada ao terminal inversor do amplificador operacional. Para o terminal não inversor, aterre-o por meio de resistores de entrada.

O dispositivo identifica quando o sinal de entrada é diferente da tensão de referência. Você deve definir a tensão de referência em 0. Portanto, toda vez que isso acontecer, 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 caso, o nível de referência de tensão é zero. O sistema irá comparar a onda senoidal na entrada do amplificador operacional com a referência de tensão.

A 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 irá comparar 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 você tem tensão de referência de 0V, podemos igualar V_Referência para 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. Confira 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 o =V_Referência na equação com 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 detector de cruzamento zero converte eficientemente o sinal de entrada para a forma de onda de saída do sinal oposto. Se o sinal de entrada for negativo, o circuito de cruzamento o converte em positivo e vice-versa.

3. Como fazer um circuito detector de cruzamento zero?

Figura 3:ondas senoidais

Você pode facilmente projetar um detector de cruzamento zero. Além disso, você pode usar este circuito para uma ampla gama de aplicações.

Aqui estão os componentes que você precisa para este circuito:

Um diodo Zener de 6V

Dois resistores de 100K

Comparador IC 741

Você deve certificar-se de conectar a entrada AC de um retificador de ponte. Além disso, neste circuito, o IC 741 funciona como comparador. Você deve fornecer uma tensão de alimentação de 12V.

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

Observe que a forma de onda de saída do seu circuito será o inverso do sinal de entrada. Assim, o circuito segue os princípios dos detectores convencionais de cruzamento zero.

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

4. Aplicações do detector de cruzamento de zero

Existe uma ampla gama de aplicações de circuitos detectores de cruzamento zero. Você os encontrará em um dispositivo eletrônico, como um contador de frequência. Além disso, você também os encontrará em circuitos eletrônicos de potência.

Figura 4:uma ilustração 3D de componentes eletrônicos

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

ZCD como medidor de fase

Quando você tem duas voltagens, você pode usar um ZCD como um medidor de fase para determinar o ângulo de fase. O ZCD obterá primeiro pulsos sequenciais nos ciclos positivo e negativo. Em seguida, ele medirá a tensão do intervalo de tempo do primeiro pulso de tensão da onda senoidal. Ele 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. Você pode usar o medidor de fase para ondas senoidais de zero graus a 360 graus.

ZCD como gerador de marcador de tempo

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

Além disso, considere um cenário em que a constante de tempo é relativamente pequena para o período. Nesse caso, a tensão nos resistores pode ser um pulso positivo. Além disso, pode ser um pulso negativo. Aplique uma tensão a um circuito clipper através de um diodo. Ele produz tensão de carga apenas com pulsos positivos. Portanto, você terá uma conversão da onda senoidal de um detector de cruzamento zero em pulsos positivos. O pré-requisito deste resultado é um circuito de rede e um circuito clipper.

Detetor de cruzamento zero usando IC 311 e transistor

Figura 5:gráficos de onda

Você também pode usar um detector de cruzamento zero no projeto de um circuito comparador Op-Amp. Ilustramos essa aplicação direta na Figura 1. Quando você o usa dessa maneira, será um conversor de onda quadrada.

Além disso, neste circuito, você pode usar o comparador inversor ou não inversor como um detector de cruzamento zero. No entanto, você deve garantir que você defina a tensão de referência para zero.

O princípio de funcionamento deste circuito também é semelhante ao de outras aplicações de detectores de cruzamento 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 for negativa, a forma de onda de saída estará em saturação positiva.

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

Detetor de cruzamento zero usando optoacoplador

Outra maneira de usar um detector de cruzamento zero é no processo de projeto de um optoacoplador. Aqui está uma ilustração de um optoacoplador de design analógico.

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 aumentará. Ocorre toda vez que o sinal de entrada chega a esse ponto, conforme ilustrado nos exemplos acima.

Conclusão

Em poucas palavras, os detectores de cruzamento zero são essenciais em sistemas de controle de energia. Sem eles, seria possível operar circuitos de ciclo AC.

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