220V通断和过零检测电路方案

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在实际的电路设计中，往往需要用到单片机检测某些信号通断，检测电压有无和交流电过零。

1、3V/5V直流信号检测

对于普通的信号通断检测，常用的使用一个三极管，做一个电平转换，那么对于输入的在一定的范围之内的信号，都可以判断，如下图：


对于明确的符合规范的信号，甚至可以直接两个二极管：

2、12V 24V 36V直流信号检测

对于稍微大一点的直流电，三极管不是不可以，但是使用光耦是绝对安全通用性强的一种方式：

3、220V交流信号检测单向光耦

逻辑是这样：

1、当220v断开时，光耦不导通，右侧为一阻容电路，IN的电平经过3.3v上拉是高电平
2、当220v导通时，光耦导通，3.3v经电阻过光耦到地，IN为低电平；
原理是这样：
在交流电的正半周期，交流过限流电阻，光耦导通，3.3v经电阻过光耦到地，IN为低电平。
在交流电的负半周期，光耦不导通，此时IN电压为多少呢? 并不是高电平。原因是电容要充电， 需要一定的时间，时间常数为 100K*4.7uF=0.47s。而220V交流电频率为50Hz，周期为0.02s， 负半周时间只有 0.01s，电容远远没有充满电，所有说IN还是低电平。 这样就实现了在220V断开时IN为高电平，当220V导通时IN为低电平的逻辑。

该电路工作原理如下：
当220V断开时，光耦不导通，SIG_IN1为高电平
当220V导通时，在交流电的正半周期，光耦导通，3和4脚近似短路，SIG_IN1为低电平；在交流电的负半周期，光耦不导通，此时SIG_IN1电压为多少呢? 注意并不是高电平，原因是电容要充电，需要一定的时间，时间常数约为t=R30 * C17=100K * 2.2uF=0.22s。而220V交流电频率为50Hz，周期为0.02s，负半周时间只有0.01s，在这个时间内，电容远远没有充满电，所有对单片机来说还是低电平。这样就实现了在220V断开时单片机检测为高电平，在220V导通时单片机检测为低电平的逻辑。
附上实际测量的波形：光耦1脚和SIG_IN1波形图


可以看到在220V导通期间，由于C17不断的充电、放电，电压是一个较低的值，对单片机IO来说是低电平。
针对该电路，有很多网友提出了非常好的问题，在这里把问题和解答也分享给大家。
问题1：图中已经有了D5( 1N4007)，反向等于是截止的，那么D8（1N4148）是否多余呢？
回答：反向电压时，理论是截止，完全关断的，但是实际总会有漏电流，加上D8，可以保证落在光耦反向压降不大于1N4148导通压降，防止反向击穿。
问题2：使用PC817的时候，“IN4148的作用是保护光耦不被反向电压击穿”，这个IN4148一定需要吗？？？

回答：可以不加。理论上1N4007在加反向电压时应该马上截止，但实际上它并不是马上截止的，而是需要一个很短的时间 (反向恢复时间)，虽然这个时间很短(1-2us), 但在这个时间会有反方向电压加到光耦输入端，我没有测试过会不会造成损坏，但毕竟是隐患。快速导通二极管1N4148可以防止反向电压引起的损坏。

问题3：保留D8，去掉D5是否可以？

回答：正常是可以的，但是有D5肯定保险一些。反向电压会使D8导通，但毕竟需要压差和时间。有可能会把光耦反向击穿。

问题4：R30,C17可以去掉吗？不接VCC，直接进MCU？

回答：直接进MCU，利用MCU里面的上拉电阻是可以的，如果还是用上面的检测原理，那么外面加一个电容即可。如果把电容也去掉，需要MCU通过软件去判断50Hz的高低电平来判断220V是否通断。

问题5：2.2uf的贴片电容，在持续的充放电，一直在不停的充放电，会导致使用寿命很短吗？

回答：充放电不会影响电容寿命。比较常见的是电解电容在高温下失效。

问题6：如果不用PC817，而是用PC814双向光耦，是否可以？是否能简化电路？

回答：可以，就是成本上会稍高一些。

问题7：R33（100K）和R39（100K)分别置于L，N上，跟一个电阻200K至于一个交流线上，这样有什么好处吗？在安全距离满足的情况下，我觉得是一样的效果，不知，这样的理解是否正确。

回答：2个电阻，每个电阻的功率是1个电阻的一半，电阻选型时就不需要那么大的额定功率了。用两个100K还有一个好处是，把弱电和强电部分隔离开，安全性增强了。

问题8：想请问，电容充满后，往哪放电，如果把电容放在接入220V之后，光耦之前呢？效果会如何？

回答：在交流电的正半周，PC817内部的LED发光，此时充满电的电容就会通过PC817内部的光敏三极管放电。放电电流从PC817的4脚，经光敏三极管，流到3脚，也就是地（同时也是电容另一极）。电容放到光耦前面理论上应该也是可以的，但对电容耐压要求会高好多，成本更高一些。

问题9：这个电路可以用于检测220V直流电的通断吗

回答：当然是可以的。

问题10：你好，我按这个电路连接后，电路中的电流只有零点几毫安，PC817没工作呀

回答：现在的电流大约0.5mA，不过在我这边使用的PC817是可以正常工作的。你的没法工作，那你尝试减小电阻使其电流工作在20mA左右，具体参考你选用的PC817的芯片手册。这个电流同时会影响后端C17电容的放电速度。另外要考虑电阻封装，由于电阻的电压和功率较大，要保证不超过额定值，防止爆了。
注意：220V限流电阻的功耗问题，也可以使用阻容降压：

双向光耦

使用双向光耦的话，不管是正半周期还是负半周期，都能够正常的检测到（下图中右边的电容2.2uf，没必要那么大，甚至是可以去掉，图中的电路由上面的电路修改而来，推荐电路因为需要考虑到只有半个周期的通路，所以加了一个稍微大一点的电容，使得充放电的时候保持信号不会变成0），2.2uF 的电容防止过零点时候电压突变。




图中的Signal_In和COM就是需要检测的信号输入，输入的220V交流或者直流信号，Signal_Out是信号输入端net，可以接入到单片机或者逻辑电路进行弱电信号控制使用。当外部信号有输入的时候，Signal_Out端就输出低电平，如果没有信号输入的话就会输出高电平。
  接下来简单的分析一下这个电路的工作原理，先说一下DC220V信号输入的情况。如果输入信号为DC220V信号的话，信号使发光二极管导通发光，光耦的光敏三极管导通，电容C3经过R5电阻对地放电，电容上的电压下降经过大概几十ms的时间电容上的电压下降为0。如果输入信号为AC220V信号时，由于交流信号存在过零点，当信号处在过零点的时候光耦是关闭状态，这时光敏三极管是截止状态，3.3V电压通过R1和R5给电容充电，但是R1+R3>>R3所以电容的充电速度远小于放电速度，并且信号的过零点的时间占比较小，电容上的电压会接近于0V，在数字电路中就代表了低电平。这个也可以理解成RC低通滤波，将周期脉冲信号的谐波分量滤除，留下直流分量，但是由于正占空比小，直流分量的值可以看做是低电平。

过零检测

为什么需要过零检测，简单来说就是：
为了让使用交流电的系统 更加安全稳定，同时方便对系统进行控制。
我们知道交流电的电压是在一直变化的，如果我们的用电系统开关的时候都处于电压高点，那么这个时候的电流也会对应的比较大，忽然间打开关短对系统会造成一定的 “冲击”，有时候也会产生一些电弧火花，就是所谓的浪涌，这样存在安全隐患，在一些带大功率负载的交流回路中，风险会更大。
如果我们系统能够知道每次过零点的时间，在这个时候去进行开关控制，那么可以使得系统安全稳定。
另外，我们通过检测交流电信号的过零点，可以实现交流电电子设备的开关控制、电流采样和保护功能，在调光开关/调光器、电机调速产品中，可从零点开始控制交流电导通角的大小，实现调光灯具亮度、电机速度的调节。

过零检测电路实际就是一个电压比较器，它的输入信号即为需要进行过零检测的来源信号。其原理是通过对输入信号进行整流和滤波，然后将其与一个基准电平进行比较。当输入信号通过零点时，输出信号会发生跳变，这个跳变就是过零点。

利用二极管导通和光耦隔离特性进行过零检测来改变输出状态。

光耦过零检测

如果我们做一下整流，也可以使得输出脉冲信号，如下图：

比较器/运放过零检测

对于比较器以及后面的三极管而言，我们一般来说需要先降压，然后进行处理，是比较妥当的一种方式，比如下面图的示例：


上面的设计是脉冲，通过 R22， R21 控制小于 Vcc /101 电压的时候 ( 如果 VCC 为3.3V ，阀门大概在 0.03V ) , 输出 S2 会输出一个高电平信号，因为时间很短，所以结果为脉冲。

当然大家也可以把比较器的 负 输出端连接 GND ，也就是 0V ，然后 + 输入端连接降压后但是不整流的输入（220V的交流变成低压的交流），这样输出 S2 就能形成方波输出，但是不整流需要额外注意一些问题，这里就不详细说明。

三极管/MOS管

对于三极管和 MOS 管来说，与上面的比较器也是类似的，直接上个示意图：


需要说明的是，通过 三极管或者 MOS 管判断的输出脉冲，会比上面使用比较器的脉冲会宽一些。

三极管 0.7V 就导通了，MOS管可能会更大一些，比如有些 1.0V 左右就导通了。

高精度过零检测电路

该电路由四个二极管1N4148构成全波整流桥;所有电阻的功率为1/8W;光耦OC1可使用4N35。电容C3耐压电压为10V及以上，普通NPN三极管2N3904。交流电过零时输出低电平，交流电未过零时输出高电平。

工作原理：C3随着交流电平时处于充电和放电的状态，此时光耦输出高电平。当交流电每次过零时二极管D5阳极出现负压，三极端基极电压Vb大于发射极电压Ve，三极管Q1导通一次，光耦输出端C输出低电平。
该电路特性如下：
高度精确的电源过零检测
完全隔离且低电压安全输出
超低功耗，最差情况下的功耗<120mW
产生过零点左右对称的脉冲
元器件数量使用少，不需要精密元器件
所有元器件都可以是低电压SMD器件
在所有电压范围（100VAC~240VAC）工作，无需任何修改
兼容50Hz（过零脉冲1ms）和60Hz（过零脉冲0.83ms）
在温度变化时具有高可靠性
成本低廉
其测试波形如下:

过零检测芯片

和电平转换或者其他应用电路一样，过零检测也有专门的芯片，当然还是老问题，成本相对前面较高。

过零检测电路

参考电路一：

此电路来源，B站：龙顺宇老师

参考电路二：

此电路来源，B站：皆行电子


直接使用示波器查看过零信号，实际的测试结果如下：测试是 OK 的！

参考电路三：

此电路来源，CSDN 转载博文 过零检测电路
参考电路四：


参考电路五：

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