Nulldurchgangsdetektion, Nulldurchgangserkennung, Nulldurchgangsschalter

Ein Thema, das zum Beispiel beim Bau eigener Netzeinspeise-Wechselrichter oder aber der genauen Netzfrequenzmessung wichtig ist.

Wenn man nach verbreiteten Schaltungen sucht, begegnet man sehr häufig dem Typ „Optokoppler mit Vorwiderstand antiparallel am Netz“, wie zum Beispiel hier:

https://www.mikrocontroller.net/attachment/346722/Nulldurchgangserkennung_PC817.png

(Quelle: Mikrocontroller.net)

Das Problem dabei: entweder ist bei moderater Leistungsaufnahme der Schaltung der Puls sehr breit (Zeit um den eigentlichen Nulldurchgangszeitpunkt herum sehr lange und die Flanken nicht steil) ODER man verheizt zugunsten eines möglichst steilen Pulses sehr viel Leistung im Vorwiderstand. Ich habe das mal simuliert:

Eine Verbesserung der Charakteristik kann mit einer einfachen Konstantstromquelle erreicht werden (oben schon mit abgebildet). Sie vermeidet eine sehr hohe Stromaufnahme zu Zeiten, in denen diese Stromaufnahme eigentlich überhaupt nicht gebraucht wird. Stattdessen ermöglicht sie eine Ansteuerung der Optokoppler auch bis sehr nahe an die Nulldurchgänge heran, was sich in steilen Flanken nahe um den Nulldurchgang herum ausdrückt:

Es soll nicht verschwiegen werden, dass die Transistoren für diese Konstantstromquellen eine Kollektor-Emitter Spannung von mindestens 400V vertragen können müssen. Hierfür kommen zum Beispiel die Typen MPSA44 oder KSP44 in Frage. Die Verlustleistung ist hingegen minimal und bleibt bei der angegebenen Dimensionierung unter 150mW.

Aber auch die Schaltung mit Konstantstromquellen lässt sich noch verbessern. Zum einen sollte man Optokoppler verwenden, die auch für so geringe Ströme wie 0,5mA spezifiziert sind und einen hohen CTR (current transfer ratio – Stromübertragungsverhältnis) aufweisen. Unter diesem Blickwinkel empfiehlt sich vor allem der Typ SFH618A-5 mit einem typischen CTR von immerhin typisch 300% (minimal 125%) bei 0,5mA. Im Vergleich dazu weisen viele andere Optokoppler selbst bei einem Diodenstrom von 1mA noch einen CTR unter 100% auf. Man sollte aber auch bei einem SFH618A-5 den Diodenstrom nicht zu niedrig dimensionieren, denn ein Blick ins Datenblatt zeigt, dass der CTR bei höheren Temperaturen abfällt. Auch mit zunehmendem Alter zeigen Optokoppler eine Abnahme des CTR. Mit einer „konservativen“ Annahme von CTR=100% ist man aber bereits gut beraten. Mit 0,5mA „primär“ kann man dann einen 10k Pullup an 5V sicher schalten.

Eine andere Verbesserung betrifft die Spannung, bis herab zu der die Schaltung noch den vollen Konstantstrom liefert: der Basisvorwiderstand (in der obigen Abbildung 470k) vermag es unter ca. 5V nicht mehr, noch genügend Basisstrom zum Aufsteuern des Transistors zu liefern. Dem kann man mit einem zweiten Widerstand 470k begegnen (oder den Widerstand in 220k ändern).

Eine weitere Verbesserung kommt durch die Art der Regelung der Konstantstromquelle zustande: bisher wurde als Referenz die Spannung zweier Si-Dioden 1N4148 genutzt. Nach Abzug der Spannung der B-E-Strecke des Regeltransistors MPSA44 (ca. 0,6V) liegen rechnerisch noch etwa 0,6V über dem Emitterwiderstand. In der Praxis ist diese Spannung jedoch einerseits viel geringer als angenommen (bei geringer momentaner Netzspannung oft nur noch ca. 0,3V) und außerdem recht stark schwankend, da der veränderliche Strom durch die zwei Dioden eben auch recht große Spannungshübe verursacht (Bereich 1,0 – 1,3V). Ein Trick besteht darin, noch einen weiteren Transistor einzuführen, der den Basisstrom des MPSA44 abregelt, sobald eine B-E-Spannung von 0,6V überschritten wird.

Das Resultat ist ein sehr viel konstanterer und ausreichend hoher Strom durch die Infrarotdiode der Optokoppler bis zu tiefen momentanen Netzspannungen hin. Die Auswirkung auf die Flankensteilheit des Nulldurchgangsimpulses am 10k Pullup zeigt folgende Abbildung: