На Малюнку 1 зображена схема недорогого пристрою, що вимірює рівень напруги в мережі змінного струму і, крім того, що має ще ряд корисних застосувань. Аналіз цієї схеми дуже простий. Коли змінна напруга на вході V IN позитивна щодо нейтрального проводу, вона виявляється прикладеним до ланцюжку елементів R 1, R 2, D 1 і до світлодіоду оптоізолятора IC 1.

 Струм через цей ланцюг проходить тоді, коли напруга досить висока для того, щоб включити стабілітрон D 1 і світлодіод оптрона. Напруга відкривання цієї пари діодів назвемо напругою дозволу і позначимо V E. Напруга пробивання стабілітрона і пряме падіння напруги на світлодіоді оптрона рівні, відповідно, 47 В і 1.2 В, що в сумі дає 48.2 В. За будь-якій напрузі, що не досягнула цього значення, рівень вихідної напруги оптрона буде високим. Коли напруга перевищить напругу дозволу, транзистор оптоізолятора відкриється і перемкне вихід у низький стан. У такому стані вихід залишатиметься до тих пір, поки вхідна напруга знову не опуститься нижче порога дозволу.

Fig 1 Rus

Малюнок 1. Ширина імпульсу на виході цього простого монітора напруги мережі змінного струму пропорційна рівню вхідного напруги.

У результаті на виході схеми будуть формуватися прямокутні імпульси з постійною тривалістю t TOTAL, обумовленою часом, протягом якого V IN перевищує напругу дозволу V E (Малюнок 2). Якщо вхідна напруга зміниться від 120 до 144 В, прямокутні імпульси стануть ширшими, якщо напруга впаде, ширина імпульсів зменшиться. Щоб вивести формулу для цієї схеми, будемо вважати форму вхідного сигналу косинусоїдальною.

Fig 2 Rus

Малюнок 2.Тимчасові діаграми сигналів схеми.

Оскільки в нульовий момент часу вхідна напруга максимальна, Оптоізолятор в цей час відкритий, і його вихідна напруга має низький рівень, який зберігається до тих пір, поки напруга на вході не опуститься нижче порогу дозволу. Наступна формула дозволяє визначити момент t ON коли цей поріг настає:

F 1

У зв'язку з тим, що функція косинуса симетрична щодо нуля, час t ON становитиме половину загального часу t TOTAL, протягом якого вихідна напруга має високий рівень. Входи таймерів переважної більшості сучасних мікроконтролерів здатні працювати в режимі захоплення, тому найпростішим способом визначення вхідної напруги буде вимір ширини імпульсу як функції від амплітуди вхідного сигналу і обчислення VIN за наступною формулою:

F 2

Перетворити на підставі цієї формули тривалість імпульсу під вхідну напругу можна як програмно, так і за допомогою переглядової таблиці. Не забувайте, що у формулах ми оперували піковими значеннями напруг, так що за необхідності вам буде потрібно перевести їх в середньоквадратичні значення. Цю схему, частота вихідного сигналу якої не залежить від коефіцієнта заповнення і дорівнює 60 Гц, ви можете використовувати в якості джерела синхронізації або для вимірювання часу. Потенційно її можна використовувати і в драйверах для прив'язки перемикання навантаження до моментів перетину нуля, якщо, ґрунтуючись на емпіричному значенні напруги, екстраполювати сигнали схеми назад у часі, так як фронти імпульсів зміщені щодо реального перетину нуля.

Слід звернути увагу також на наступне. D 2 захищає світлодіод оптрона під час негативної напівхвилі вхідної напруги. У більшості випадків на світлодіод оптоізолятора це впливу не чинить, оскільки зворотний струм схеми гарантує, що допустима зворотна напруга світлодіоду перевищена не буде. Тим не менш, кращим засобом обмеження напруги на вході оптоізолятора є включення паралельного діода. Додавання цього діода збільшує струм споживання схеми більш ніж удвічі, і, з огляду на те, що цей струм тече з мережі, він може створювати проблеми у відношенні до потужності, що розсіюється резисторами на вході схеми.

Якщо вам потрібно більш висока точність оцінки вхідної напруги, за допомоги деяких удосконалень характеристики схеми можна поліпшити. Основним джерелом похибки є стабілітрон, напруга стабілізації якого має розкид 5%. Ці 5% можуть породжувати вельми значну похибку визначення вхідної амплітуди. Поліпшити точність схеми можна вибором більш точного стабілітрона, або ж калібруванням кожної плати шляхом подачі на її вхід відомої напруги і запису цих параметрів в пам'ять в якості постійних коефіцієнтів.