¿Es seguro este detector de línea?

Question

Estoy pensando en construir un detector básico de tensión de red de CA. Me gustaría que estuviera protegido y aislado, por lo que tengo un zener TVS y un optoaislador.

R1 y R3 se eligen de manera que, entre ellos, la tensión de pico esperada sea igual a la separación del TVS.

Al ser un aislador de doble diodo no es necesario un puente rectificador. Después del optoaislador hay un LPF RC básico y un disparador Schmitt. R2 y C1 tendrán que ser ajustados para que en cada ciclo, el voltaje se arrastre hasta el alto voltaje de entrada del inversor (menos alguna tolerancia segura).

¿Es esto seguro? ¿Es un concepto sólido?

Answer 1

Observa la cantidad de energía que R3 necesita disipar:

$$\frac{V_{RMS}^2}{R} = \frac{90^2 V}{2700 \Omega} = 3 W$$

33 mA es bastante más de lo que necesitas para hacer funcionar el optoacoplador. 5 mA sería probablemente suficiente, así que aumenta R3 a 18 kΩ y sólo necesita disipar 450 mW. Utiliza una unidad de 1W. Además, puedes aumentar el valor de R1 a unos 4700 Ω

Incluso con una relación de transferencia de corriente de 0,2 en el peor de los casos, esto le da una corriente de pull-down de 1 mA(RMS) en la salida. Aumente R2 a unos 10 kΩ para obtener un nivel bajo fiable en la entrada del inversor.

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Como nota, la mayoría de la gente conectaría C1 entre la señal y la tierra (en lugar de Vcc), pero realmente no hay mucha diferencia.

Answer 2

Como ya se ha mencionado, reduzca la corriente del LED al mínimo necesario (más un poco de margen).

Yo encontraría la resistencia total necesaria, ignorando el TVS. A continuación, dividir ese valor de la resistencia en la mitad e instalar el valor apropiado de TVS en el punto medio de las dos resistencias.

Dividir las resistencias por la mitad permite que la disipación se reparta entre las dos resistencias, permitiendo que cada una de ellas tenga una potencia menor.

Presta también atención a la tensión máxima de las resistencias. Una vez más, al dividir la resistencia total necesaria en dos resistencias, también se divide la caída de tensión a través de esas resistencias.

Answer 3

Empecemos por analizar lo que ha diseñado.

Ignoraré el C1 por el momento.

1. Para mantener la entrada de disparo de Schmidt en nivel bajo, se requiere que el optocomunicador se hunda en 3,3mA, la corriente de bajada para la puerta puede ser ignorada.
2. La relación de transferencia para el opto es de alrededor del 20% mínimo por lo que necesita un mínimo de 5 * 3,3mA o alrededor de 17mA a través de los LEDs.
3. Con las resistencias que elegiste para la entrada esto requeriría un mínimo de 3210 * 0,017 o unos 57V (55 + LED Vf=1,7max) para suministrar la corriente. La tensión en la unión de R3,R1 va a ser de unos 10,5V.
4. El TVS conducirá a unos 31,5V como mínimo, en ese punto la corriente a través del LED sería de unos 59mA y la tensión de entrada tendría que ser de unos 189V. El pico del ciclo de la red eléctrica de CA es sólo 170V, por lo que el TVS claramente nunca conducirá con su diseño. Por supuesto, nunca alcanzarás el nivel de 59mA en el LED, sólo obtendrás unos 52mA como máximo.

Actualización: El Ficha técnica de TVS muestra que el valor que has utilizado (28,2V) es el mayor valor en el que el TVS NO SE PUEDE conducta. El valor donde el TVS comienza a conducir (1mA es el umbral) está entre 31,4 y 34,7V. He utilizado 31,5V por comodidad, podrías volver a considerar el mejor caso en 31,4V. Sin embargo, si consideras el peor caso de los dispositivos a 34,7V @ 1mA, entonces tienes una discrepancia aún mayor en el voltaje de entrada requerido para hacer que el dispositivo conduzca. Es una historia corta. El TVS en el circuito tal y como está diseñado no es funcional, nunca conducirá.

Como sugirió Dave, puedes aumentar el valor de R2 para reducir la corriente de salida y, por lo tanto, reducir la corriente de entrada necesaria, pero a menor corriente de entrada, el CTR también cae. De la Ficha técnica del LTV-814 puedes ver que a medida que reduces la corriente de entrada el CTR cae en picado.

Puedes ver en lo anterior, que los 17mA requeridos por tu diseño son más o menos ideales para maximizar el CTR, aunque deberías diseñar para un CTR mínimo del 20% para la propagación de los dispositivos.
Si utilizas la sugerencia de Dave y usas un ohmio de 10K para R2 (una carga de 500uA), mientras que esto reduce el requerimiento de corriente de entrada puedes ver que el CTR cae y si miras la Fig3 en la hoja de datos el VCE(sat) sube lo que significa que no puedes tirar de la entrada de la puerta hacia abajo.
Si ajustas la corriente de entrada a digamos 5mA el CTR ha bajado un 25%. Si se baja la corriente de entrada a 1mA, el CTR ha bajado casi un 70%.

Mi sugerencia sería reajustar la relación de R3,R1 para que al mínimo requerimiento de corriente del LED de entrada el TVS esté a punto de conducir.
Si mantienes la corriente de entrada en 17mA esto significaría ajustar R1 a 1,8K Ohm y R3 a 1,5K Ohm. Duplicando estos valores, la corriente bajaría a 8,5mA y no sugeriría bajar de ese valor.

Lo último que hay que mencionar es el valor de C1. La salida del opto no actúa como un transistor normal, actúa más como una fuente de CC. Esto es complicado por el hecho de que la unidad de entrada es un poco de onda sinusoidal, aunque ahora la entrada está siendo recortado correctamente el LED está siendo impulsado con una tensión / corriente constante una vez que el TVS conduce.

El valor de C1 necesario será menor de lo que imaginas (te dejo que calcules ese valor) ya que la corriente de colector está limitada a un valor esencialmente fijo debido al funcionamiento del opto. Imagina que los dispositivos que utilizas son todos mejores que el peor caso (mejor que el 20% de CTR). Es posible que puedas absorber 2 o 3 veces la corriente requerida por R2. Sin embargo, esto seguirá resultando en un tiempo de carga lento para C1.

Actualización_2:

Si quieres jugar con los valores de las resistencias del frontal, puedes usar el esquema de abajo, que puede ser simulado. He alterado los valores del Zener para que funcione ya que no hay TVS en el editor de esquemas.

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Answer 4

La seguridad del circuito construido también depende de la disposición de los componentes y del cableado (o de las trazas de la placa de circuito impreso). Hay que asegurarse de que el lado de la línea y el lado aislado están realmente separados.