预零交叉检波器的设计

继电器用于将铃声发生器与电话线连接或断开。但如果两点处于不同电位，则会在连接瞬间出现高瞬态电流，而这会导致接触产生电弧和点蚀，致使继电器寿命由于接触故障而缩短。
鉴于以上原因，最好能在两点电位差为零的瞬间合或开。但根据现代电子学原理，继电器从开到合，或从合到开的转换需要一段相对较长的时间。本文介绍一种产生闭合或断开继电器的信号、使接触在铃声发生器的铃声信号处于零电位时合或开的方法。同时介绍一种可产生用于从负和正向进行零交叉的脉冲、并以一个固定时间或继电器工作所需时间来预先进行零交叉的简单电路。

图1 简单零交叉检波器电路

图2 在电容两端跨接一个电阻

图3 角度与电阻关系曲线

图4 最终电路

图5 预零交叉检波器与脉冲发生器电原理图
在铃声发生器中，继电器的有限工作时间仅占输入铃声电压周期的一小部分。如果继电器在所需电压上开/关，则必须让脉冲在铃声信号所需电压之前的一个给定时间开始。
电路原理非常简单。通过将一个电容和一个电阻与信号端及接地端串联，即可让通过该串联组合的电流超前于电压，所产生的相移为两个串联元件的函数。例如一个串联R/C电路，其中R为60k，C为200nF，即可让电流超前电压33.5£
承载铃声电压的正弦波带有直流偏移，从正向交叉的角度和斜率与从负向交叉的角度和斜率不同，且均不在铃声电压正弦波的0 180闵稀£
由于电容隔直，因此电流波形在零电流上对称，而具有-48V偏移的电压波形则在-48V电平上对称，但直流偏移意味着它对地不对称。
图1给出了一种简单的零电流交叉检波器电路，用这种检波器及超前于电压的电流，即可在电压过零点之前产生脉冲。
如图1所示，对于从R2流入D2的电流，D2正极上的电压(VD2)高于二极管压降(5V)。随着电流从D3流入R2，它再变成低于地电位的二极管压降。这种转换意味着电流极性改变。但是电流仍相对于零对称。这将导致两次转换时的电流交叉点和电压交叉点之间的时间差不同。电压直流偏移越大，此时间差也就越大。这种不同可通过增加一个跨接在电容C1两端的电阻来部分补偿。
通过在电容C1两端跨接一个电阻(见图2)，给电流增加一个类似于电压偏移的直流分量，即可获得一个非对称的零电流交叉。
利用这种由所增加电阻带给电流波形的相移和直流偏移，可将超前系数编程至电流中，以使电流在两次转换时以同样的时间在先于电压零交叉时过零点。继电器要求线圈在继电器闭合前大约2.5ms时被激励。
利用Mathcad并解阻抗反相角(其中R2允许改变)方程：

可从图3曲线得出R2为41.7k。
但是，下斜和上斜零交叉仍不是同样的预定时间，两者都不满足要求，因为上、下斜电流零交叉与电压零交叉之间的时间差均大于所需的时间。
通过将R2增加至60 k，上斜时间差可满足2.5ms的要求，但下斜时间差则只有大约1ms。在剩下的1.5 ms内，电压将下降20V，从而在继电器开或合时出现极大的电压。
如果在电容到地之间增加一个电阻及一个二极管(图4中D4和R4)，则它只会影响电流的一个极性。以图4所示配置，正电流的时间改变为新元件所影响的唯一参数。
利用此完整电路及零电流检波器，即可产生一个具有提前于电压零交叉一个预定时间的脉冲。在该点上，继电器在零电压交叉时间上被触发闭合。
这种变化允许使用如图5所示的电路来检测正、负预交叉点。此外，这种脉冲还允许该电路触发继电器，以使继电器在零电压交叉时闭合。这样可以实现更长的接触寿命及更高的产品可靠性。
该电路采用可产生铃声信号的UCC3570型铃声发生控制器来构建和测试。
测试结果显示，电流转换导致在实际零电压交叉前大约2.5 ms处产生触发脉冲。

结语
该电路可提供对电压波形零电压交叉的可编程预测。通过预测零电压交叉何时发生以及提前启动继电器来考虑工作时间，可使继电器在零电压交叉时闭合。这能保护继电器接触免受电弧的损坏，从而延长继电器使用寿命，减少维修成本以及提高整个设备的平均故障间隔时间 (MTBF)。