一种过零检测电路及电气设备的制作方法

1.本实用新型涉及电气检测技术领域，尤其涉及一种过零检测电路及电气设备。


背景技术：

2.目前，配电系统中的设备(如电表、量测开关、集中器等)在实现相位识别、频率识别、载波通讯等功能时，需要获取交流电的过零点。过零检测的实现方法有很多，一种实现方式为：采用计量芯片检测过零点，具体的，计量芯片是由芯片内部处理交流采样信号，但对于不需要计量/测量功能的设备，计量芯片的成本是昂贵的。配电系统中设备的微控制器(microcontroller unit，mcu)工作电压大多数为3.3v或者5v，检测电压幅值不能超过供电电压，若mcu的工作电压与计量芯片不匹配，也无法对正弦交流信号进行处理。
3.另一种方式为：采用独立的过零检测电路，现有技术中的过零检测电路使用整流二极管和运算放大器，利用运算放大器的高输入阻抗的特性采集交流信号，在过零点附近，输入差分信号小于运算放大器最小输入压差，运算放大器输出低电平。进而将整流二极管与光耦整合，利用光耦在零点附近发射端不导通的特性，输出过零信号。
4.上述两种过零检测的方式的缺点在于占空间、成本高。此外，也有仅通过电阻降压的方案，但该方案要求mcu与零线或火线共地，若隔离不合理，会有触电风险。


技术实现要素：

5.本实用新型提出了一种过零检测电路及电气设备，通过采用电阻和二极管能够实现过零信号的输出，省去了相关技术中的运放和光耦，从而减少过零检测单元所采用的器件数量，以达到减小过零检测的空间占用，降低过零检测的成本的目的。
6.第一方面，本实用新型的实施例提供了一种过零检测电路，包括分压单元和输出单元；所述分压单元包括第一电阻组件、第二电阻组件、第三电阻组件和第四电阻组件，所述第一电阻组件的阻值与所述第二电阻组件的阻值不同，所述第三电阻组件的阻值与所述第四电阻组件的阻值不同；所述输出单元包括第一二极管、第二二极管以及电容，所述第一二极管与所述第二二极管反向并联，所述第一二极管与所述电容并联；所述第一电阻组件的第一端与交流电的正输入端连接，所述第一电阻组件的第二端与所述第四电阻组件的第二端连接，所述第四电阻组件的第一端与所述交流电的负输入端连接；所述第二电阻组件的第一端与所述交流电的正输入端连接，所述第二电阻组件的第二端接地；所述第三电阻组件的第一端与所述交流电的负输入端连接，所述第三电阻组件的第二端与所述第二电阻组件的第二端连接；所述第一二极管的阳极与所述第四电阻组件的第二端连接，所述第一二极管的阴极与处理器的供电电源的正极连接；所述第二二极管的阴极与所述第四电阻组件的第二端连接，所述第二二极管的阳极接地，所述第二二极管的阴极用于向所述处理器输出过零信号。
7.在一实施例中，所述第一电阻组件包括第一电阻和第二电阻，所述第二电阻组件包括第三电阻和第四电阻，所述第三电阻组件包括第五电阻和第六电阻，所述第四电阻组
件包括第七电阻和第八电阻，其中：所述第一电阻的第一端与所述交流电的正输入端电连接，所述第一电阻的第二端与所述第二电阻的第一端电连接，所述第二电阻的第二端连接于所述第八电阻的第二端；所述第三电阻的第一端与所述交流电的正输入端电连接，所述第三电阻的第二端与所述第四电阻的第一端电连接，所述第四电阻的第二端与所述第六电阻的第二端连接，所述第六电阻的第一端与所述第五电阻的第二端电连接，所述第五电阻的第一端与所述交流电的负输入端电连接；所述第七电阻的第一端与所述交流电的负输入端电连接，所述第七电阻的第二端与所述第八电阻的第一端电连接；所述电容连接于所述第一二极管的阴极与所述第二二极管的阳极之间。
8.在一实施例中，所述过零检测电路还包括第九电阻和第十电阻，其中：所述第九电阻的第一端与所述第四电阻的第二端电连接，所述第九电阻的第二端接地；所述第十电阻的第一端与所述第八电阻的第二端电连接，所述第十电阻的第二端与所述第一二极管的阳极电连接。
9.在一实施例中，所述第一二极管以及所述第二二极管均为稳压二极管。
10.在一实施例中，所述第四电阻与所述第六电阻之间为第一电势点，所述第二电阻与所述第八电阻之间为第二电势点，在所述交流电处于正半周期的情况下，所述第一电势点的电势为所述交流电的正输入端的电势的2/3，所述第二电势点的电势为所述交流电的正输入端的电势的1/3。
11.在一实施例中，在所述交流电处于正半周期的情况下，所述第一二极管截止，所述第二二极管导通，所述过零信号的电压等于所述第二二极管的压降。
12.在一实施例中，所述第二电阻与所述第八电阻之间为第二电势点，在所述交流电处于负半周期的情况下，所述第一电势点的电势为所述交流电的正输入端的电势的1/3，所述第二电势点的电势为所述交流电的正输入端的电势的2/3。
13.在一实施例中，在所述交流电处于负半周期的情况下，所述第一二极管导通，所述第二二极管截止，所述过零信号的电压等于所述第一二极管的压降与所述供电电源的端口电压之和。
14.在一实施例中，所述分压单元与所述输出单元共地。
15.第二方面，本实用新型的实施例提供了一种电气设备，所述电气设备包括处理器、及上述第一方面或第一方面的任意可能的实现方式中的过零检测电路，所述处理器与所述过零检测电路电连接。
16.通过在分压单元设置第一电阻组件、第二电阻组件、第三电阻组件和第四电阻组件，在输出单元设置第一二极管、第二二极管以及电容，并使所述第一二极管与所述第二二极管反向并联，所述第一二极管与所述电容并联，根据本实用新型的各方面采用电阻和二极管能够实现过零信号的输出，省去了相关技术中的运放和光耦，从而减少过零检测单元所采用的器件数量，以达到减小过零检测的空间占用，降低过零检测的成本的目的。
附图说明
17.下面结合附图，通过对本实用新型的具体实施方式详细描述，将使本实用新型的技术方案及其它有益效果显而易见。
18.图1示出本实用新型实施例的过零检测电路的框图；
19.图2示出本实用新型实施例的过零检测电路的一种示意图。
20.图3示出本实用新型实施例的过零检测电路的另一种示意图。
具体实施方式
21.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
22.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
23.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
24.下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅为示例，并且目的不在于限制本实用新型。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本实用新型提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本实用新型的主旨。
25.图1示出本实用新型实施例的过零检测电路的框图。本实用新型实施例的过零检测电路的输入可以为交流电的正输入端(即l)以及交流电的负输入端(即n)，输出可以为过零信号v_zero_out。
26.在一个示例中，所述过零检测电路可应用于运算放大器或波形生成器中，用于追踪波形的变化，例如正弦波形从正到负或从负到正的过零点电压的情况。在电气系统中，所述过零检测电路还可用于开关检测或频率检测，例如当检测波形经过零位时电气系统可发出响应的控制指令来检测目标晶体管的开关状态或目标信号的频率。可以理解，所述过零检测电路的应用场景可以根据需要进行设定，本实用新型对此并不限定。
27.图2示出本实用新型实施例的过零检测电路的一种示意图。参见图2，本实用新型实施例的过零检测电路可包括分压单元和输出单元，所述输出单元与所述分压单元电连接。
28.在一实施例中，参见图2，所述分压单元包括第一电阻组件、第二电阻组件、第三电阻组件和第四电阻组件。所述第一电阻组件的阻值与所述第二电阻组件的阻值不同，所述第三电阻组件的阻值与所述第四电阻组件的阻值不同。
29.请参阅图2，所述输出单元包括第一二极管d1、第二二极管d2以及电容c1，所述第一二极管与所述第二二极管反向并联，所述第一二极管与所述电容并联，所述第二二极管与所述电容也并联。d1、d2均可用于钳位，c1可用于电源的滤波。
30.在图2中，所述第一电阻组件的第一端与交流电的正输入端连接，所述第一电阻组件的第二端与所述第四电阻组件的第二端连接，所述第四电阻组件的第一端与所述交流电的负输入端连接；所述第二电阻组件的第一端与所述交流电的正输入端连接，所述第二电阻组件的第二端接地；所述第三电阻组件的第一端与所述交流电的负输入端连接，所述第三电阻组件的第二端与所述第二电阻组件的第二端连接；所述第一二极管的阳极与所述第四电阻组件的第二端连接，所述第一二极管的阴极与处理器的供电电源的正极连接；所述第二二极管的阴极与所述第四电阻组件的第二端连接，所述第二二极管的阳极接地，所述第二二极管的阴极用于向所述处理器输出过零信号。所述第二二极管的阳极所接的地也可称为处理器的供电电源的负极。
31.图3示出本实用新型实施例的过零检测电路的另一种示意图。如图3所示，所述分压单元可包括第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8、第九电阻r9以及第十电阻r10，r1-r10除了具有分压作用，也可具有限流作用。
32.请参阅图3，该示例中以所述第一电阻组件包括第一电阻r1和第二电阻r2，所述第二电阻组件包括第三电阻r3和第四电阻r4，所述第三电阻组件包括第五电阻r5和第六电阻r6，所述第四电阻组件包括第七电阻r7和第八电阻r8为例介绍过零检测电路。本领域技术人员可以理解的是，电阻的阻值以及拓扑结构可以根据需要进行选择，因此所述第一电阻组件、所述第二电阻组件、所述第三电阻组件、所述第四电阻组件所包含的电阻的数量可以根据需要进行设置，本技术对于所述第一电阻组件、所述第二电阻组件、所述第三电阻组件、所述第四电阻组件包括的电阻数量均不限定。
33.具体的，参见图3，所述第一电阻的第一端(即r1的左端1)分别与第三电阻的第一端(即r3的左端1)以及所述交流电的正输入端(即l)电连接，所述第一电阻的第二端(即r1的右端2)与所述第二电阻的第一端(即r2的左端1)电连接，所述第二电阻的第二端连接于所述第八电阻的第二端；所述第三电阻的第一端与所述交流电的正输入端电连接，所述第三电阻的第二端(即r3的右端2)与所述第四电阻的第一端(即r4的左端1)电连接。
34.进一步地，所述第四电阻的第二端(即r4的右端2)与所述第六电阻的第二端(即r6的右端2)电连接，称为第一电势点v1。
35.请继续参阅图3，所述第五电阻的第一端(即r5的左端1)分别与所述第七电阻的第一端(即r7的左端1)以及交流电的负输入端(即n)电连接，所述第五电阻的第二端(即r5的右端2)与所述第六电阻的第一端(即r6的左端1)电连接；所述第七电阻的第二端(即r7的右端2)与所述第八电阻的第一端(即r8的左端1)电连接。所述电容c1连接于所述第一二极管的阴极(即d1的上端2)与所述第二二极管的阳极(即d2的上端1)之间。
36.进一步地，所述第二电阻的第二端(即r2的右端2)与所述第八电阻的第二端(即r8的右端2)电连接，称为第二电势点v2。
37.此外，所述过零检测电路还包括第九电阻r9和第十电阻r10。具体的，所述第九电阻的第一端(即r9的左端1)与所述第四电阻的第二端电连接，所述第九电阻的第二端(即r9
的右端2)接地。所述第十电阻的第一端(即r10的左端1)与所述第八电阻的第二端电连接，所述第十电阻的第二端(即r10的右端2)与所述第一二极管的阳极(即d1的下端1)电连接。
38.需要说明的是，第九电阻r9和第十电阻r10可用于在有静电或者浪涌的时候进一步保护检测芯片，在实际应用中可以根据需要进行选择性安装或替换。可以理解，本技术对于是否贴装第九电阻r9和第十电阻r10并不限定。
39.在一实施例中，第一电阻r1、第二电阻r2、第五电阻r5、第六电阻r6的阻值可以相等，例如均为500k欧姆，精度均为5％；第三电阻r3、第四电阻r4、第九电阻r9、第七电阻r7、第八电阻r8以及第十电阻r10的阻值可以相等，例如均为250k欧姆，精度均为5％。示例性的，第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第九电阻r9、第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8以及第十电阻r10均可以采用1206封装。
40.在一实施例中，所述处理器上可设有供电电源端口、用于接收过零信号的过零信号输入端口(图3中未示出)以及接地端口。处理器的供电电源端口可与供电电源vcc电连接。处理器的供电电源端口以及接地端口均可接入至该过零检测电路。示例性的，所述处理器可以是微控制器(即mcu)。所述处理器的过零信号输入端可用于接收过零信号，以对过零信号进行处理，判断交流电的过零点，并根据过零点发出诸如使目的开关导通或关断等指令。
41.示例性的，参见图3，所述第一二极管的第一端(即d1的下端1)为该第一二极管的正极，所述第一二极管的第二端(即d1的上端2)为该第一二极管的负极；所述第二二极管的第一端(即d2的下端2)为该第二二极管的负极，所述第二二极管的第二端(即d2的上端1)为该第二二极管的正极。所述第一二极管以及所述第二二极管均为稳压二极管。电容c1的容值例如可以为0.1μf。
42.在一实施例中，参见图3，zero_out为输出的过零信号，所述处理器的供电电源端口的电压可以为5v、3.3v或1.8v，也可以根据需要设置为其他的电压。
43.在一实施例中，所述分压单元、所述输出单元以及所述处理器共地。具体的，所述第九电阻的第二端(即r9的右端2)、所述第二二极管的第二端(即d2的上端1)以及所述处理器的接地端所接的地均为同一个地gnd。处理器与分压单元和输出单元共地，而无需与零线或火线共地，降低了触电风险。
44.在一实施例中，在所述交流电处于正半周期的情况下，所述第一电势点的电势为所述交流电的正输入端的电势的2/3，所述第二电势点的电势为所述交流电的正输入端的电势的1/3。例如，在图3中，在所述交流电处于正半周期的情况下，所述第一电势点的电势v1’为所述交流电的正输入端的电势v_ln的2/3，所述第二电势点的电势v2’为所述交流电的正输入端的电势的1/3，此时所述第一电势点的电势v1’大于所述第二电势点的电势v2’，地的电势v_gnd大于过零信号的电压v_zero_out。
45.在一实施例中，在所述交流电处于正半周期的情况下，所述第一二极管截止，所述第二二极管导通，所述过零信号的电压等于所述第二二极管的压降。例如，在图3中，在所述交流电处于正半周期的情况下，所述第一二极管d1截止，所述第二二极管d2导通，所述过零信号的电压v_zero_out等于所述第二二极管的压降vf_d2(或称第二二极管的管压降)。值得注意的是，所述过零信号的电压v_zero_out等于所述第二二极管的压降vf_d2方向可以相反，即v_zero_out＝-vf_d2。
46.在一实施例中，在所述交流电处于负半周期的情况下，所述第一电势点的电势为所述交流电的正输入端的电势的1/3，所述第二电势点的电势为所述交流电的正输入端的电势的2/3。例如，在图3中，在所述交流电处于负半周期的情况下，所述第一电势点的电势v1’为所述交流电的正输入端的电势v_ln的1/3，所述第二电势点的电势v2’为所述交流电的正输入端的电势v_ln的2/3，此时所述第一电势点的电势v1’小于所述第二电势点的电势v2’，地的电势v_gnd小于过零信号的电压v_zero_out。
47.在一实施例中，在所述交流电处于负半周期的情况下，所述第一二极管导通，所述第二二极管截止，所述过零信号的电压等于所述第一二极管的压降与所述供电电源的端口电压之和。所述供电电源的端口电压可以为所述处理器的供电电源端口的电压。例如，在图3中，在所述交流电处于负半周期的情况下，所述第一二极管d1导通，所述第二二极管d2截止，所述过零信号的电压v_zero_out等于所述第一二极管的压降vf_d1(或称第一二极管的管压降)与所述供电电源端的电压vcc’之和，可以表示为v_zero_out＝vcc’+vf_d1。
48.在一实施例中，从所述交流电处于正半周期的情况以及所述交流电处于负半周期的情况可以看出，过零信号的低电平为-vf_d2，高电平为vcc’+vf_d1。过零信号可以为周期性矩形波，过零信号的频率与交流电的频率可以相同。过零信号的上升沿以及下降沿与交流电的过零点相对应。当处理器侦测到过零信号的上升沿以及下降沿时，也即侦测到了交流电的过零点。
49.综上，本实用新型实施例通过在分压单元设置第一电阻组件、第二电阻组件、第三电阻组件和第四电阻组件，在输出单元设置第一二极管、第二二极管以及电容，并使所述第一二极管与所述第二二极管反向并联，所述第一二极管与所述电容并联，采用电阻和二极管能够实现过零信号的输出，省去了相关技术中的运放和光耦，从而减少过零检测单元所采用的器件数量，以达到减小过零检测的空间占用，降低过零检测的成本的目的。
50.基于上述描述的过零检测电路和功能原理，本实用新型的实施例还提供了一种电气设备，所述电气设备包括处理器以及上述任一实施例中的过零检测电路。可以理解，对应所述过零检测电路的具体应用场景，本实用新型并不限定。需要说明的是，电气设备还可以包括其他器件，例如存储器等，本实用新型实施例对此不作限定。
51.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
52.以上对本实用新型实施例所提供的过零检测电路及电气设备进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的技术方案及其核心思想；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例的技术方案的范围。

技术特征：
1.一种过零检测电路，其特征在于，包括分压单元和输出单元；所述分压单元包括第一电阻组件、第二电阻组件、第三电阻组件和第四电阻组件，所述第一电阻组件的阻值与所述第二电阻组件的阻值不同，所述第三电阻组件的阻值与所述第四电阻组件的阻值不同；所述输出单元包括第一二极管、第二二极管以及电容，所述第一二极管与所述第二二极管反向并联，所述第一二极管与所述电容并联；所述第一电阻组件的第一端与交流电的正输入端连接，所述第一电阻组件的第二端与所述第四电阻组件的第二端连接，所述第四电阻组件的第一端与所述交流电的负输入端连接；所述第二电阻组件的第一端与所述交流电的正输入端连接，所述第二电阻组件的第二端接地；所述第三电阻组件的第一端与所述交流电的负输入端连接，所述第三电阻组件的第二端与所述第二电阻组件的第二端连接；所述第一二极管的阳极与所述第四电阻组件的第二端连接，所述第一二极管的阴极与处理器的供电电源的正极连接；所述第二二极管的阴极与所述第四电阻组件的第二端连接，所述第二二极管的阳极接地，所述第二二极管的阴极用于向所述处理器输出过零信号。2.根据权利要求1所述的过零检测电路，其特征在于，所述第一电阻组件包括第一电阻和第二电阻，所述第二电阻组件包括第三电阻和第四电阻，所述第三电阻组件包括第五电阻和第六电阻，所述第四电阻组件包括第七电阻和第八电阻，其中：所述第一电阻的第一端与所述交流电的正输入端电连接，所述第一电阻的第二端与所述第二电阻的第一端电连接，所述第二电阻的第二端连接于所述第八电阻的第二端；所述第三电阻的第一端与所述交流电的正输入端电连接，所述第三电阻的第二端与所述第四电阻的第一端电连接，所述第四电阻的第二端与所述第六电阻的第二端连接，所述第六电阻的第一端与所述第五电阻的第二端电连接，所述第五电阻的第一端与所述交流电的负输入端电连接；所述第七电阻的第一端与所述交流电的负输入端电连接，所述第七电阻的第二端与所述第八电阻的第一端电连接；所述电容连接于所述第一二极管的阴极与所述第二二极管的阳极之间。3.根据权利要求2所述的过零检测电路，其特征在于，所述过零检测电路还包括第九电阻和第十电阻，其中：所述第九电阻的第一端与所述第四电阻的第二端电连接，所述第九电阻的第二端接地；所述第十电阻的第一端与所述第八电阻的第二端电连接，所述第十电阻的第二端与所述第一二极管的阳极电连接。4.根据权利要求1所述的过零检测电路，其特征在于，所述第一二极管以及所述第二二极管为稳压二极管。5.根据权利要求2所述的过零检测电路，其特征在于，所述第四电阻与所述第六电阻之间为第一电势点，所述第二电阻与所述第八电阻之间为第二电势点，在所述交流电处于正半周期的情况下，所述第一电势点的电势为所述交流电的正输入端的电势的2/3，所述第二电势点的电势为所述交流电的正输入端的电势的1/3。6.根据权利要求5所述的过零检测电路，其特征在于，在所述交流电处于正半周期的情况下，所述第一二极管截止，所述第二二极管导通，所述过零信号的电压等于所述第二二极
管的压降。7.根据权利要求5所述的过零检测电路，其特征在于，在所述交流电处于负半周期的情况下，所述第一电势点的电势为所述交流电的正输入端的电势的1/3，所述第二电势点的电势为所述交流电的正输入端的电势的2/3。8.根据权利要求7所述的过零检测电路，其特征在于，在所述交流电处于负半周期的情况下，所述第一二极管导通，所述第二二极管截止，所述过零信号的电压等于所述第一二极管的压降与所述供电电源的端口电压之和。9.根据权利要求1所述的过零检测电路，其特征在于，所述分压单元与所述输出单元共地。10.一种电气设备，其特征在于，所述电气设备包括处理器、及如权利要求1至9中任一项权利要求所述的过零检测电路，所述处理器与所述过零检测电路电连接。

技术总结
本实用新型提供一种过零检测电路及电气设备，其中过零检测电路包括分压单元和输出单元，分压单元包括第一电阻组件、第二电阻组件、第三电阻组件和第四电阻组件，第一电阻组件的阻值与第二电阻组件的阻值不同，第三电阻组件的阻值与第四电阻组件的阻值不同；输出单元包括第一二极管、第二二极管以及电容，第一二极管与第二二极管反向并联，第一二极管与电容并联。通过采用电阻和二极管即实现过零信号的输出，本实用新型省去了相关技术中的运放和光耦，从而减少过零检测单元所采用的器件数量，以达到减小过零检测的空间占用，降低过零检测的成本的目的。的成本的目的。的成本的目的。


技术研发人员：费晓翔 陈爱华 张陈燕 陈志豪 胡茂祥 唐加浩
受保护的技术使用者：浙江正泰电器股份有限公司
技术研发日：2023.02.08
技术公布日：2023/7/20