- Què és RMS?
- IC RMS True AD736
- Mètodes de mesura de RMS a CC reals
- Càlcul del convertidor True RMS
- Exemple de càlcul Convertidor de veritable RMS a CC
- Coses a tenir en compte
- Esquema del convertidor RMS real mitjançant IC AD736
- Components necessaris
- Convertidor real de RMS a CC: càlculs i proves pràctiques
- Càlculs RMS per ona sinusoïdal AC de 50 Hz
- Càlculs del senyal PWM
- Quin és el problema, doncs?
- Codi Arduino per a la generació de PWM
- Precaucions
- Millores de circuits
- Aplicacions del convertidor True RMS a DC
Un True-RMS o TRMS és un tipus de convertidor que converteix el valor RMS en un valor CC equivalent. Aquí, en aquest tutorial, coneixerem el convertidor real de RMS a CC, com funciona i com els mètodes de mesura poden afectar els resultats mostrats.
Què és RMS?
RMS és l’abreviatura de Root Mean Square. Per definició, per al corrent elèctric altern, el valor RMS és equivalent a una tensió de corrent continu que posa la mateixa quantitat de potència en una resistència.
IC RMS True AD736
L'IC AD736 té poques subseccions funcionals com l'amplificador d'entrada, el rectificador d'ona completa (FWR), el nucli RMS, l'amplificador de sortida i la secció de polarització. L’amplificador d’entrada està construït amb MOSFET, de manera que és responsable de l’alta impedància d’aquest CI.
Després de l'amplificador d'entrada, hi ha un rectificador d'ona completa de precisió que s'encarrega de conduir el nucli RMS. Les operacions RMS essencials de quadratura, mitjana i arrelament quadrat es realitzen al nucli amb l'ajut d'un condensador CAV de mitjana extern. Tingueu en compte que sense CAV, el senyal d’entrada rectificat viatja pel nucli sense processar.
Finalment, un amplificador de sortida emmagatzema la sortida del nucli RMS i permet realitzar un filtratge de pas baix opcional a través del condensador extern CF, que està connectat a través del camí de retroalimentació de l’amplificador.
Característiques d'IC AD736
- Les funcions de l’IC es detallen a continuació
- Alta impedància d'entrada: 10 ^ 12 Ω
- Corrent de biaix d'entrada baix: 25 pA com a màxim
- Alta precisió: ± 0,3 mV ± 0,3% de lectura
- Conversió RMS amb factors de cresta de senyal fins a 5
- Àmplia gamma d'alimentació: +2,8 V, −3,2 V a ± 16,5 V
- Baixa potència: 200 µA de corrent de subministrament màxim
- Sortida de tensió emmagatzemada
- No es necessiten retalls externs per a una precisió especificada
Nota: Tingueu en compte que el diagrama de blocs funcionals, la descripció funcional i la llista de funcions s’extreuen del full de dades i es modifiquen segons les necessitats.
Mètodes de mesura de RMS a CC reals
Hi ha principalment tres mètodes disponibles que el DVM utilitza per mesurar la CA.
- Mesura True-RMS
- Mesura mitjana rectificada
- Mesura True-RMS AC + DC
Mesura True-RMS
True-RMS és un mètode força comú i popular per mesurar senyals dinàmics de totes les formes i mides. En un multímetre True-RMS, el multímetre calcula el valor RMS del senyal d’entrada i mostra el resultat. Per això, és una comparació molt precisa amb un mètode de mesura rectificat mitjà.
Mesura mitjana rectificada
En un DVM mitjà rectificat, pren la mitjana o el valor mitjà del senyal d’entrada i el multiplica per 1,11 i mostra el valor RMS. Per tant, podem dir que és un multímetre de pantalla RMS rectificat mitjà.
Mesura True-RMS AC + DC
Per superar les escletxes d’un multímetre True-RMS, existeix el mètode de mesura True-RMS AC + DC. Si mesuréssiu un senyal PWM amb un multímetre True-RMS, llegireu el valor incorrecte. Anem a entendre aquest mètode amb algunes fórmules i un vídeo; trobem el vídeo al final d’aquest tutorial.
Càlcul del convertidor True RMS
El valor RMS
La fórmula per calcular el valor RMS es descriu com
Si fem el càlcul tenint en compte
V (t) = Vm Sin (wt) 0
Això es resumeix en
Vm / (2) 1/2
El valor mitjà
La fórmula per calcular el valor mitjà es descriu com
Si fem el càlcul tenint en compte
V (t) = Vm Sin (wt) 0
Això es resumeix en
2 Vm / ᴫ
Exemple de càlcul Convertidor de veritable RMS a CC
Exemple 1
Si considerem la tensió de pic a pic de 1V i el posem a la fórmula per calcular la tensió RMS que és, VRMS = Vm / √2 = 1 / √2 =.707V
Ara considerem un voltatge màxim a màxim d’1V i el posem a la fórmula per calcular el voltatge mitjà que és, VAVE = 2VM / π = 2 * 1 / π = 2 / π = 0,637V
Per tant, en un DVM RMS no veritable, el valor es calibra amb un factor de 1,11 que prové de VRMS / VAVE = 0,707 / 637 = 1,11V
Exemple 2
Ara tenim una ona sinusoïdal pura de pico a pic de 5V i l’alimentem directament a un DVM que té autèntiques capacitats RMS, per la qual cosa el càlcul seria, VRMS = Vm / √2 = 5 / √2 = 3.535V
Ara tenim una ona sinusoïdal pura de pico a pic de 5V, i l'estem alimentant directament a un DVM que és un DVM mitjà rectificat, per la qual cosa el càlcul seria, VAVE = 2VM / π = 2 * 5 / π = 10 / π = 3,183V
Ara, en aquest punt, el valor que es mostra al DVM mitjà no és igual al RMS DVM, de manera que els fabricants codifiquen el factor 1,11V per compensar l’error.
Així es converteix, VAVE = 3,183 * 1,11 = 3,535V
Per tant, a partir de les fórmules i exemples anteriors, podem demostrar que com un multímetre RMS no vertader calcula la tensió de corrent altern.
Però aquest valor només és precís per a la forma d'ona sinusoïdal pura. Així doncs, podem veure que necessitem un veritable DVM RMS per mesurar adequadament una forma d’ona no sinusoïdal. En cas contrari, obtindrem un error.
Coses a tenir en compte
Abans de fer els càlculs per a l’aplicació pràctica, cal conèixer alguns fets per entendre la precisió mentre es mesuren les tensions RMS amb l’ajut de l’AD736 IC.
El full de dades de l'AD736 explica els dos factors més importants que s'han de tenir en compte per calcular el percentatge d'error que produirà aquest CI mentre es mesura el valor del RMS.
- Resposta de freqüència
- Factor de cresta
Resposta de freqüència
En observar les corbes del gràfic, podem observar que la resposta de freqüència no és constant amb l’amplitud, sinó que com més baixa sigui l’amplitud que mesureu a l’entrada del vostre convertidor IC, la resposta de freqüència disminueix i als intervals de mesura més baixos al voltant d’1mv, cau sobtadament uns quants kHz.
El full de dades ens proporciona algunes xifres sobre aquest tema que podeu veure a continuació
El límit per a la mesura precisa és de l’1%
Per tant, podem veure clarament que si el voltatge d’entrada és d’1mv i la freqüència és d’1 kHz, ja arriba a l’1% d’error addicional. Suposo que ara podeu entendre els valors de la resta.
NOTA: La corba de resposta de freqüència i la taula es prenen del full de dades.
Factor de cresta
En termes senzills, el factor cresta és la proporció del valor màxim dividit pel valor RMS.
Factor de cresta = VPK / VRMS
Per exemple, si considerem una ona sinusoïdal pura amb una amplitud de
VRMS = 10V
Es fa la tensió màxima
VPK = VRMS * √2 = 10 * 1.414 = 14.14
Ho podeu veure clarament a la imatge següent extreta de la viquipèdia
La taula següent del full de dades ens indica que si el factor de cresta calculat oscil·la entre l’1 i el 3, podem esperar un error addicional del 0,7%; en cas contrari, hem de considerar el 2,5% de l’error addicional, que és cert per a un senyal PWM.
Esquema del convertidor RMS real mitjançant IC AD736
L'esquema següent per al convertidor RMS es pren del full de dades i es modifica segons les nostres necessitats.
Components necessaris
|
Sl.No |
Parts |
Tipus |
Quantitat |
|
1 |
AD736 |
I C |
1 |
|
2 |
100K |
Resistència |
2 |
|
3 |
10uF |
Condensador |
2 |
|
4 |
100uF |
Condensador |
2 |
|
5 |
33uF |
Condensador |
1 |
|
6 |
9V |
Bateria |
1 |
|
7 |
Filferro de calibre únic |
Genèric |
8 |
|
8 |
Transformador |
0 - 4,5V |
1 |
|
9 |
Arduino Nano |
Genèric |
1 |
|
10 |
Taula de pa |
Genèric |
1 |
Convertidor real de RMS a CC: càlculs i proves pràctiques
Per a la demostració, s’utilitza l’aparell següent
- Multímetre Meco 108B + TRMS
- Multímetre Meco 450B + TRMS
- Oscil·loscopi Hantek 6022BE
Com es mostra a l’esquema, s’utilitza un atenuador d’entrada que bàsicament és un circuit divisor de tensió per atenuar el senyal d’entrada de l’AD736 IC perquè el voltatge d’entrada a escala completa d’aquest IC és de 200 mV MÀX.
Ara que tenim clars alguns fets bàsics sobre el circuit, comencem els càlculs del circuit pràctic.
Càlculs RMS per ona sinusoïdal AC de 50 Hz
Voltatge del transformador: 5,481 V RMS, 50 Hz
Valor de la resistència R1: 50,45 K
Valor de la resistència R1: 220R
Voltatge d'entrada del transformador
Ara, si posem aquests valors en una calculadora divisora de tensió en línia i calculem, obtindrem el voltatge de sortida de 0,02355V O 23,55mV
Ara es pot veure clarament l’entrada i la sortida del circuit.
A la part dreta, el multímetre Meco 108B + TRMS mostra la tensió d’entrada. Aquesta és la sortida del circuit divisor de tensió.
A la part esquerra, el multímetre Meco 450B + TRMS mostra la tensió de sortida. Aquest és el voltatge de sortida de l’AD736 IC.
Ara podeu veure que el càlcul teòric anterior i els resultats del multímetre són a prop, de manera que per a una ona sinusoïdal pura, confirma la teoria.
L'error de mesura en els dos resultats del multímetre es deu a la seva tolerància i, per demostració, estic utilitzant l'entrada de corrent de 230V, que canvia molt ràpidament amb el temps.
Si teniu cap dubte, podeu ampliar la imatge i veure que el multímetre Meco 108B + TRMS està en mode CA i el multímetre Meco 450B + TRMS està en mode CC.
En aquest moment, no em vaig molestar a utilitzar el meu oscil·loscopi hantek 6022BL perquè l’oscil·loscopi és pràcticament inútil i només mostra soroll en aquests nivells de baixa tensió.
Càlculs del senyal PWM
Per a la demostració, es genera un senyal PWM amb l'ajut d'un Arduino. La tensió de la placa Arduino és de 4.956V i la freqüència és de gairebé 1 kHz.
Voltatge màxim de la placa Arduino: 4.956V, 989,3Hz
Valor de la resistència R1: 50,75 K
Valor de la resistència R1: 220R
Voltatge d'entrada a la placa Arduino
Ara poseu aquests valors en una calculadora divisora de tensió en línia i calculeu, obtindrem el voltatge de sortida de 0,02141V O 21,41mV.
Aquest és el voltatge màxim del senyal PWM d’entrada i, per trobar el voltatge RMS, hem de dividir-lo simplement per √2, de manera que el càlcul es converteixi en
VRMS = Vm / √2 = 0,02141 / √2 = 0,01514V o 15,14mV
En teoria, un multímetre True-RMS serà capaç de calcular fàcilment aquest valor calculat teòricment, oi?
En mode CC
En mode AC
El transformador de la imatge està allà assegut i no fa res. Amb això, es pot veure que sóc una persona molt mandrosa.
Quin és el problema, doncs?
Abans que ningú salti i digui que hem fet els càlculs malament, permeteu-me que us digui que hem fet els càlculs correctament i el problema està en els multímetres.
En mode CC, el multímetre simplement pren la mitjana del senyal d'entrada que podem calcular.
Per tant, la tensió d’entrada és de 0,02141V i, per obtenir la tensió mitjana, simplement multiplica el valor per 0,5.
Així, el càlcul es converteix en:
VAVE = 0,02141 * 0,5 = 0,010705V O 10,70mV
I això és el que obtenim a la pantalla multímetre.
En mode de corrent altern, el condensador d'entrada del multímetre bloqueja els components de CC del senyal d'entrada, de manera que el càlcul esdevé pràcticament el mateix.
Ara, com es pot veure clarament, en aquesta situació les dues lectures són absolutament equivocades. Per tant, no es pot confiar en la pantalla del multímetre. És per això que existeixen multímetres amb funcions True RMS AC + DC que poden mesurar fàcilment aquest tipus de formes d’ona amb precisió. Per exemple, l'extech 570A és un multímetre amb funcions True RMS AC + DC.
L’ AD736 és un tipus de CI que s’utilitza per mesurar amb precisió aquest tipus de senyals d’entrada. La imatge següent és una prova de la teoria.
Ara hem calculat que el voltatge RMS és de 15,14 mV. Però el multímetre mostra 15,313 mV perquè no hem tingut en compte el factor cresta i la resposta en freqüència de l' AD736 IC.
Com hem calculat el factor de cresta, és el 0,7% del valor calculat, de manera que si fem les matemàtiques es redueix a 0,00010598 o 0,10598mV
Tan, Vout = 15,14 + 0,10598 = 15,2459 mV
O bé
Vout = 15,14 - 0,10598 = 15,0340mV
Per tant, el valor que mostra el multímetre Meco 450B + està clarament dins del 0,7% d’errors
Codi Arduino per a la generació de PWM
Quasi em vaig oblidar d’esmentar que he utilitzat aquest codi Arduino per generar el senyal PWM amb un cicle de treball del 50%.
int OUT_PIN = 2; // sortida quadrada d'ona amb configuració del buit del cicle de treball del 50% () {pinMode (OUT_PIN, OUTPUT); // definició del pin com a sortida} bucle buit () {/ * * si convertim 500 microsegons a segons obtindrem 0.0005S * ara si el posem a la fórmula F = 1 / T * obtindrem F = 1 / 0.0005 = 2000 * el pin està activat per 500 uS i apagat per 500 us, de manera que la * freqüència es converteix en F = 2000/2 = 1000Hz o 1Khz * * / digitalWrite (OUT_PIN, HIGH); delayMicroseconds (500); digitalWrite (OUT_PIN, BAIX); delayMicroseconds (500); }
Podeu obtenir més informació sobre la generació de PWM amb Arduino aquí.
Precaucions
L'AD736 True IC RMS a CC convertidor és, amb diferència, l'IC PDIP de 8 PIN més car amb el qual he treballat.
Després de destruir-ne un completament amb ESD, vaig prendre les precaucions adequades i em vaig lligar a terra.
Millores de circuits
Per a la demostració, he realitzat el circuit en una placa de soldadura sense soldadura que no és absolutament recomanable. És per això que l’error de mesura augmenta després d’un cert interval de freqüència. Aquest circuit necessita un PCB adequada amb el bon s avió de quitrà en terra per tal de funcionar.
Aplicacions del convertidor True RMS a DC
S'utilitza a
- Voltímetres i multímetres d'alta precisió.
- Mesura de tensió no sinusoïdal d’alta precisió.
Espero que aquest article us hagi agradat i n’hagueu après alguna cosa nova. Si teniu algun dubte, podeu demanar-los als comentaris següents o fer servir els nostres fòrums per a una discussió detallada.
A continuació es mostra un vídeo detallat que mostra el procés de càlcul complet.