一、什么是過零檢測器（ZCD）？

過零檢測器檢測輸入信號過零值或零電壓電平的次數。零檢測器基本上是一個比較器電路，將輸入的正弦信號或正弦波信號與零電壓電平進行比較。

換句話說，我們可以說檢測到電壓從正電平變為負電平，從負電平變為正電平。當輸入電壓越過零電平到高電平或高電平到零時，過零檢測器的輸出會發生變化。

過零檢測電路

過零檢測器將輸入信號與零參考電壓 (Vref ) 進行比較。它通過從低切換到高來改變 +V sat 或 -Vsat 的輸出，反之亦然。當輸入越過零參考電壓時。當輸入電壓信號稍微高于或低于 0v 時，輸出會迅速變化。可以使用通用運算放大器、使用光耦合器或使用晶體管來制作過零檢測器。

二、過零檢測器的原理

1、反相過零檢測電路

在反相過零檢測電路中，我們將零電壓基準與同相輸入引腳連接，如下圖所示。

該電路代表使用 LM741 運算放大器的過零檢測器電路。在這種配置中，我們將信號電壓施加到反相端子，將零電壓參考信號施加到同相輸入。2N2222 NPN 晶體管將電壓電平轉換為數字信號。

反相過零檢測電路

仿真結果圖表示來自晶體管引腳的輸出信號。

• 在正弦波的正半周期內，Vin - > Vin +（即接地），因此輸出將等于 -15 V，但晶體管將保持關閉，我們將在晶體管集電極端子處獲得數字高信號。

• 同樣，在從正周期轉換到負周期后，零參考電壓Vin+將變得大于負電壓信號，比較器輸出將變為+15V。

但它會打開晶體管。我們將在輸出端獲得數字低信號。

反相過零檢測電路仿真波形圖

2、同相過零檢測電路

除了輸入引腳與 Vin+ 和 Vin- 輸入信號的連接外，這種類型的工作方式完全相同。在同相過零檢測器中，輸入電壓加到同相端，反相端接地，使參考電壓為零。這是同相過零檢測的電路圖：

同相過零檢測電路

• 當 Vin+ 小于零參考電壓 Vin- 時，我們的輸出電壓等于 +15 V。

• 由于晶體管，我們在集電極輸出端得到一個數字低或零電壓信號。晶體管導通并使集電極端子與地短路。

• 在 Vin+ 的正半周期內，輸出將為數字高電平。因為 Vin+ 變得大于零參考電壓 Vin-。我們在輸出引腳上得到 -15 V 電壓，晶體管保持關閉。

同相過零檢測電路

3、帶脈沖輸出的過零檢測電路

從上面的仿真結果可以清楚地看出，只要正弦波通過零參考電壓，兩個輸出信號就會從數字高電平變為低電平或從低電平變為高電平。但在那之后，數字要么保持數字高，要么保持數字低。

現在，當正弦波從正周期變為負周期或負周期變為正周期時，如果你只想在短時間內獲得脈沖，該怎么辦？該電路僅在周期轉換時提供輸出脈沖。

• 全橋電路將負半周期轉換為正半周期。

• 晶體管和電阻網絡用作上升沿檢測器。它將運算放大器的輸出變為脈動輸出。

帶脈沖輸出的過零檢測電路

前面的例子和這個例子之間的唯一區別是邊緣檢測電路。我們使用 LM358 運算放大器作為比較器。當我們想在任何微控制器上使用過零檢測器時，類似正方形的輸出對我們沒有好處。該脈沖輸出顯示從正周期到負周期的正弦波變化，反之亦然。

帶脈沖輸出的過零檢測電路

4、使用光耦合器進行過零檢測

該電路在正弦波的每個零電壓參考上提供脈沖輸出， 4N25 光耦合器在兩個正周期期間保持開啟，因為全橋電路將負周期轉換為正周期。

• 當光耦合器打開時，輸出將為零，因為輸出將是參考地。

• 在正弦波過零時，光耦合器關閉，輸出端出現 Vcc 幅度的脈沖。

使用光耦合器進行過零檢測

三、過零檢測器作用

• ZCD 作為相位計

• ZCD 作為時間標記生成器

• 交流電源控制器

• 感應電機速度控制和軟啟動器

• 使用 Arduino 等的晶閘管觸發角控制