Definition: Als Nulldurchgangsdetektor wird ein Op-Amp-Detektor bezeichnet, der in der Lage ist, den Wechsel von einem positiven zu einem negativen oder von einem negativen zu einem positiven Pegel einer sinusförmigen Wellenform zu erkennen. Genauer gesagt kann man sagen, dass er den Nulldurchgang des angelegten Wechselstromsignals erkennt.
Es handelt sich im Grunde um einen Spannungskomparator, dessen Ausgang sich ändert, wenn das Eingangssignal den Nullpunkt des Referenzspannungspegels durchquert. Daher wird er auch so genannt.
Er ist auch als Rechteckwellengenerator bekannt, da das angelegte Eingangssignal durch den Nulldurchgangsdetektor in eine Rechteckwelle umgewandelt wird.
Schaltplan eines Nulldurchgangsdetektors
Die folgende Abbildung zeigt die Schaltung eines Nulldurchgangsdetektors unter Verwendung eines invertierenden Operationsverstärkers:
Hier wird das Eingangssignal Vi dem invertierenden Anschluss des Operationsverstärkers zugeführt, während der nichtinvertierende Anschluss durch Verwendung von zwei Widerständen R1 und R2 geerdet ist.
Wie wir sehen können, wird das analoge Eingangssignal an der invertierenden Klemme des Operationsverstärkers bereitgestellt. Daher wird die Wellenform des Signals am Ausgang die umgekehrte Polarität haben. Dies werden wir unter der Funktionsweise des Detektors besprechen.
Arbeitsweise des Nulldurchgangsdetektors
Wie wir bereits besprochen haben, erkennt er den Punkt, an dem das Eingangssignal den Nullpunkt des Referenzspannungspegels kreuzt. Bei jedem Nulldurchgang ändert sich der Sättigungspegel des Ausgangssignals von einem zum anderen.
Betrachten wir die oben angegebene Schaltung, um die Funktionsweise zu verstehen.
Wie bereits erwähnt, wird der Referenzpegel auf 0 gesetzt und an den nicht-invertierenden Anschluss des Operationsverstärkers angelegt. Die Sinuswelle, die am invertierenden Anschluss des Operationsverstärkers anliegt, wird jedes Mal mit dem Referenzpegel verglichen, wenn sich die Phase der Welle entweder von positiv zu negativ oder von negativ zu positiv ändert.
Zunächst, wenn die positive Hälfte des sinusförmigen Signals am Eingang erscheint. Dann vergleicht der Komparator des Operationsverstärkers den Referenzspannungspegel mit dem Spitzenpegel des angelegten Signals
Und wir wissen, dass der Referenzpegel 0 ist, also
So, ergibt sich
Zweitens vergleicht der Komparator des Operationsverstärkers im Falle der negativen Hälfte des Sinussignals wieder den Referenzspannungspegel mit dem Spitzenwert des angelegten Signals.
Da die Schaltung diesmal mit der negativen Hälfte des Signals arbeitet, hat die Spitze eine negative Polarität.
Auch
So erhalten wir
Der Nulldurchgangsdetektor erkennt auf diese Weise die Änderung des Pegels des angelegten Signals.
Eingangs- und Ausgangswellenform
Vorab sei erwähnt, dass ein Nulldurchgangsdetektor auch als Rechteckwellengenerator bekannt ist. Denn der Ausgang des Fensterkomparators ist nichts anderes als eine Rechteckwelle.
Lassen Sie uns nun einen Blick auf die Eingangs- und Ausgangswellenform eines Nulldurchgangsdetektors werfen:
Wie wir vor kurzem besprochen haben, ist V0 für die positive Hälfte des angelegten Signals – Vsat,
Das ist der Grund, warum wir die negative Hälfte der Rechteckwelle am Ausgang erhalten, wenn die positive Hälfte des sinusförmigen Signals angelegt wird. Während V0 für die negative Hälfte des Sinussignals + Vsat ist,
Deshalb erhält man am Ausgang die positive Hälfte der Rechteckwelle für die negative Hälfte des Sinussignals. Dies ist in der Wellenformdarstellung deutlich zu erkennen.
Bei Betrachtung der Ausgangswellenform können wir also sagen, dass der Ausgang das Vorhandensein eines Eingangssignals über oder unter dem Referenzpegel, d.h. 0 Volt, widerspiegelt.
Anwendungen des Nulldurchgangsdetektors
Nulldurchgangsdetektoren finden weithin Anwendung in elektronischen Schaltungen, vor allem zum Schalten und in Phasenregelkreisen. Außerdem werden sie in Frequenzzählern und in Phasenmessern verwendet.
Sie können auch als Phasenmesser verwendet werden, da sie zur Messung des Phasenwinkels zwischen zwei an ihren Anschlüssen angelegten Spannungen eingesetzt werden können.