Projetando um verdadeiro conversor rms para dc usando ic ad736

Um True-RMS ou TRMS é um tipo de conversor que converte o valor RMS em valor DC equivalente. Aqui neste tutorial, aprenderemos sobre o verdadeiro conversor RMS para DC, como ele funciona e como os métodos de medição podem afetar os resultados exibidos.

O que é RMS?

RMS é a abreviatura de Root Mean Square. Por definição, para corrente elétrica alternada, o valor RMS é equivalente a uma tensão DC que coloca a mesma quantidade de energia em um resistor.

True RMS IC AD736

O IC AD736 tem poucas subseções funcionais como o amplificador de entrada, retificador de onda completa (FWR), núcleo RMS, amplificador de saída e seção de polarização. O amplificador de entrada é construído com MOSFETs, portanto, é responsável pela alta impedância deste IC.

Após o amplificador de entrada, existe um retificador de onda completa de precisão que é responsável por conduzir o núcleo RMS. As operações RMS essenciais de quadratura, média e enraizamento quadrático são realizadas no núcleo com a ajuda de um capacitor externo de média CAV Observe que, sem CAV, o sinal de entrada retificado viaja através do núcleo não processado.

Finalmente, um amplificador de saída armazena em buffer a saída do núcleo RMS e permite que a filtragem passa-baixa opcional seja realizada por meio do capacitor externo CF, que é conectado ao caminho de feedback do amplificador.

Características do IC AD736

• Os recursos do IC estão listados abaixo
• Alta impedância de entrada: 10 ^ 12 Ω
• Baixa corrente de polarização de entrada: 25 pA máximo
• Alta precisão: ± 0,3 mV ± 0,3% da leitura
• Conversão RMS com fatores de crista de sinal de até 5
• Ampla faixa de fonte de alimentação: +2,8 V, -3,2 V a ± 16,5 V
• Baixa potência: corrente de alimentação máxima de 200 µA
• Saída de tensão com buffer
• Nenhum trim externo necessário para a precisão especificada

Nota: Observe que o diagrama de bloco funcional, a descrição funcional e a lista de recursos são retirados da folha de dados e modificados de acordo com as necessidades.

Métodos de medição True RMS para DC

Existem basicamente três métodos disponíveis que os DVMs usam para medir AC, eles são-

• Medição True-RMS
• Medição Retificada Média
• Medição True-RMS AC + DC

Medição True-RMS

True-RMS é um método bastante comum e popular para medir sinais dinâmicos de todas as formas e tamanhos. Em um multímetro True-RMS, o multímetro calcula o valor RMS do sinal de entrada e mostra o resultado. É por isso que é uma comparação muito precisa com um método de medição retificado médio.

Medição Retificada Média

Em um DVM retificado médio, ele pega a média ou o valor médio do sinal de entrada e o multiplica por 1,11 e exibe o valor RMS. Portanto, podemos dizer que é um multímetro de display RMS retificado médio.

Medição True-RMS AC + DC

Para superar as lacunas em um multímetro True-RMS, existe o método de medição True-RMS AC + DC. Se você for medir um sinal PWM com um multímetro True-RMS, irá ler o valor errado. Vamos entender este método com algumas fórmulas e vídeo, encontre o vídeo no final deste tutorial.

Cálculo para conversor True RMS

O valor RMS

A fórmula para calcular o valor RMS é descrita como

Se fizermos o cálculo considerando

V (t) = Vm Sin (wt) 0

Isso se resume a

Vm / (2) ^1/2

O valor médio

A fórmula para calcular o valor médio é descrita como

Se fizermos o cálculo considerando

V (t) = Vm Sin (wt) 0

Isso se resume a

2Vm / ᴫ

Cálculo de Exemplo True RMS para conversor DC

Exemplo 1

Se considerarmos a tensão de pico a pico de 1V e colocá-la na fórmula para calcular a tensão RMS que é, VRMS = Vm / √2 = 1 / √2 =.707V

Agora, considerando uma tensão de pico a pico de 1V e colocando-a na fórmula para calcular a tensão média que é, VAVE = 2VM / π = 2 * 1 / π = 2 / π = 0,637V

Portanto, em um DVM RMS não verdadeiro, o valor é calibrado por um fator de 1,11 que vem de VRMS / VAVE = 0,707 / 637 = 1,11 V

Exemplo 2

Agora temos uma onda senoidal pura de pico a pico de 5 V e estamos alimentando-a diretamente para um DVM que tem recursos RMS verdadeiros, para isso o cálculo seria, VRMS = Vm / √2 = 5 / √2 = 3,535V

Agora temos uma onda senoidal CA pura de pico a pico de 5V, e a estamos alimentando diretamente para um DVM que é um DVM retificado médio, para que o cálculo seria

VAVE = 2VM / π = 2 * 5 / π = 10 / π = 3,183V

Agora, neste ponto, o valor mostrado no DVM médio não é igual ao DVM RMS, então os fabricantes codificam o fator de 1,11 V para compensar o erro.

Então se torna, VAVE = 3,183 * 1,11 = 3,535V

Portanto, a partir das fórmulas e exemplos acima, podemos provar que é como um multímetro RMS não verdadeiro calcula a tensão CA.

Mas esse valor só é preciso para forma de onda senoidal pura. Portanto, podemos ver que precisamos de um verdadeiro RMS DVM para medir adequadamente uma forma de onda não senoidal. Caso contrário, obteremos um erro.

Coisas para manter em mente

Antes de fazer os cálculos para a aplicação prática, alguns fatos precisam ser conhecidos para entender a precisão ao medir tensões RMS com a ajuda do IC AD736.

A folha de dados do AD736 fala sobre os dois fatores mais importantes que devem ser levados em consideração para calcular a porcentagem de erro que este IC irá produzir ao medir o valor RMS.

1. Resposta de frequência
2. Fator de crista

Resposta de frequência

Ao observar as curvas no gráfico, podemos observar que a resposta de frequência não é constante com a amplitude, mas quanto menor a amplitude medida na entrada do IC do conversor, a resposta de frequência cai e nas faixas de medição mais baixas em torno de 1mv, cai de repente alguns kHz.

A folha de dados nos dá alguns números sobre este assunto que você pode ver abaixo

O limite para medição precisa é 1%

Portanto, podemos ver claramente que se a tensão de entrada for 1mv e a frequência for 1 kHz, ela já atinge a marca de 1% de erro adicional. Presumo que agora você possa entender os valores restantes.

NOTA: A curva de resposta de frequência e a tabela foram retiradas da folha de dados.

Fator de crista

Em termos simples, o fator de crista é a proporção do valor de pico dividido pelo valor RMS.

Fator de crista = VPK / VRMS

Por exemplo, se considerarmos uma onda senoidal pura com uma amplitude de

VRMS = 10V

A tensão de pico torna-se

VPK = VRMS * √2 = 10 * 1,414 = 14,14

Você pode ver claramente que na imagem abaixo tirada da wikipedia

A tabela abaixo da folha de dados nos diz que se o fator de crista calculado estiver entre 1 e 3, podemos esperar um erro adicional de 0,7%, caso contrário, temos que considerar 2,5% de erro adicional, o que é verdadeiro para um sinal PWM.

Esquema para o conversor RMS verdadeiro usando IC AD736

O esquema abaixo para o conversor RMS foi retirado da folha de dados e modificado de acordo com nossas necessidades.

Componentes necessários

Sim. Não	Peças	Tipo	Quantidade
1	AD736	IC	1
2	100K	Resistor	2
3	10uF	Capacitor	2
4	100uF	Capacitor	2
5	33uF	Capacitor	1
6	9V	Bateria	1
7	Fio de bitola única	Genérico	8
8	Transformador	0 - 4,5 V	1
9	Arduino Nano	Genérico	1
10	Tábua de pão	Genérico	1

Conversor True RMS para DC - Cálculos e testes práticos

Para a demonstração, o seguinte aparelho é usado

1. Meco 108B + multímetro TRMS
2. Multímetro Meco 450B + TRMS
3. Osciloscópio Hantek 6022BE

Conforme mostrado no esquema, um atenuador de entrada é usado que é basicamente um circuito divisor de tensão para atenuar o sinal de entrada do IC AD736, porque a tensão de entrada em escala real deste IC é 200mV MAX.

Agora que já esclarecemos alguns fatos básicos sobre o circuito, vamos começar os cálculos para o circuito prático.

Cálculos RMS para onda sinusoidal CA de 50 Hz

Tensão do transformador: 5,481 V RMS, 50 Hz

Valor do resistor R1: 50,45K

Valor do resistor R1: 220R

Tensão de entrada do transformador

Agora, se colocarmos esses valores em uma calculadora do divisor de tensão online e fizermos o cálculo, obteremos a tensão de saída de 0,02355V OU 23,55mV

Agora a entrada e a saída do circuito podem ser vistas claramente.

No lado direito, o multímetro Meco 108B + TRMS mostra a tensão de entrada. Essa é a saída do circuito divisor de tensão.

No lado esquerdo, o multímetro Meco 450B + TRMS mostra a tensão de saída. Essa é a tensão de saída do IC AD736.

Agora você pode ver que o cálculo teórico acima e os resultados do multímetro estão próximos, portanto, para uma onda senoidal pura, isso confirma a teoria.

O erro de medição em ambos os resultados do multímetro deve-se à sua tolerância e, para demonstração, estou usando a entrada da rede elétrica de 230 Vca, que muda muito rapidamente com o tempo.

Se você tiver alguma dúvida, pode ampliar a imagem e ver que o multímetro Meco 108B + TRMS está no modo AC e o multímetro Meco 450B + TRMS está no modo DC.

Neste ponto, eu não me preocupei em usar meu osciloscópio hantek 6022BL porque o osciloscópio é praticamente inútil e só mostra ruído nesses níveis de baixa tensão.

Cálculos para o sinal PWM

Para demonstração, um sinal PWM é gerado com a ajuda de um Arduino. A tensão da placa Arduino é de 4,956 V e a frequência é de quase 1 kHz.

Tensão máxima da placa Arduino: 4,956 V, 989,3 Hz

Valor do resistor R1: 50,75K

Valor do resistor R1: 220R

Tensão de entrada na placa Arduino

Agora coloque esses valores em uma calculadora do divisor de tensão online e calcule, teremos a tensão de saída de 0,02141 V OU 21,41 mV.

Esta é a tensão de pico do sinal PWM de entrada e para encontrar a tensão RMS, precisamos simplesmente dividi-la por √2 para que o cálculo se torne

VRMS = Vm / √2 = 0,02141 / √2 = 0,01514V ou 15,14mV

Em teoria, um multímetro True-RMS será facilmente capaz de calcular esse valor calculado teoricamente certo?

Em modo DC

Em modo AC

O transformador da imagem está parado e não faz nada. Com isso, você pode ver que sou uma pessoa muito preguiçosa.

Então qual é o problema?

Antes que alguém pule e diga que fizemos os cálculos errados, deixe-me dizer que fizemos os cálculos certos e que o problema está nos multímetros.

No modo DC, o multímetro simplesmente mede a média do sinal de entrada que podemos calcular.

Portanto, a tensão de entrada é 0,02141V e para obter a tensão média, basta multiplicar o valor por 0,5.

Então o cálculo se torna, VAVE = 0,02141 * 0,5 = 0,010705V ou 10,70mV

E é isso que estamos obtendo no visor do multímetro.

No modo CA, o capacitor de entrada do multímetro está bloqueando os componentes CC do sinal de entrada, então o cálculo torna-se praticamente o mesmo.

Agora, como você pode ver claramente, nesta situação ambas as leituras estão absolutamente erradas. Portanto, você não pode confiar no visor do multímetro. É por isso que existem multímetros com recursos True RMS AC + DC que podem medir facilmente esse tipo de forma de onda com precisão. Por exemplo, o extech 570A é um multímetro com recursos True RMS AC + DC.

O AD736 é um tipo de IC usado para medir esses tipos de sinais de entrada com precisão. A imagem abaixo é uma prova da teoria.

Agora calculamos a tensão RMS como 15,14mV. Mas o multímetro mostra 15,313mV porque não consideramos o fator de crista e a resposta de frequência do IC AD736.

Como calculamos o fator de crista, ele é 0,7% do valor calculado, então, se fizermos as contas, ele se reduz a 0,00010598 ou 0,10598mV

Então, Vout = 15,14 + 0,10598 = 15,2459 mV

Ou

Vout = 15,14 - 0,10598 = 15,0340mV

Portanto, o valor exibido pelo multímetro Meco 450B + está claramente dentro da faixa de erro de 0,7%

Código Arduino para geração PWM

Quase esqueci de mencionar que usei esse código do Arduino para gerar o sinal PWM com ciclo de trabalho de 50%.

int OUT_PIN = 2; // onda quadrada com 50% do ciclo de trabalho void setup () {pinMode (OUT_PIN, OUTPUT); // definindo o pino como saída} void loop () {/ * * se convertermos 500 microssegundos em segundos, obteremos 0,0005S * agora se colocarmos na fórmula F = 1 / T * teremos F = 1 / 0,0005 = 2000 * o pino está ativado para 500 uS e desativado para 500 us, então a * frequência torna-se F = 2000/2 = 1000Hz ou 1Khz * * / digitalWrite (OUT_PIN, HIGH); atraso Microssegundos (500); digitalWrite (OUT_PIN, LOW); atraso Microssegundos (500); }

Você pode aprender mais sobre como gerar PWM com Arduino aqui.

Precauções

O IC conversor AD736 True RMS para DC é de longe o IC PDIP de 8 pinos mais caro com o qual trabalhei.

Depois de destruir completamente um com ESD, tomei as devidas precauções e me prendi ao solo.

Melhorias de circuito

Para a demonstração, fiz o circuito em uma placa de ensaio sem solda, o que não é absolutamente recomendado. É por isso que o erro de medição aumenta após uma certa faixa de frequência. Este circuito precisa de um PCB adequada com o bom s avião tar-chão, a fim de funcionar corretamente.

Aplicações do conversor True RMS para DC

É usado em

• Voltímetros e multímetros de alta precisão.
• Medição de tensão não sinusoidal de alta precisão.

Espero que tenha gostado deste artigo e aprendido algo novo com ele. Se você tiver alguma dúvida, pode perguntar nos comentários abaixo ou pode usar nossos fóruns para uma discussão detalhada.

Um vídeo detalhado mostrando o processo de cálculo completo é fornecido abaixo.