Progettare un vero convertitore rms in dc usando ic ad736

Un True-RMS o TRMS è un tipo di convertitore che converte il valore RMS in un valore CC equivalente. In questo tutorial, impareremo a conoscere il vero convertitore da RMS a CC, come funziona e come i metodi di misurazione possono influenzare i risultati visualizzati.

Cos'è RMS?

RMS è l'abbreviazione di Root Mean Square. Per definizione, per la corrente elettrica alternata, il valore RMS è equivalente a una tensione CC che fornisce la stessa quantità di potenza a un resistore.

CI a vero valore RMS AD736

L'IC AD736 ha poche sottosezioni funzionali come l'amplificatore di ingresso, il raddrizzatore a onda intera (FWR), il nucleo RMS, l'amplificatore di uscita e la sezione di polarizzazione. L'amplificatore di ingresso è costruito con MOSFET, quindi è responsabile dell'alta impedenza di questo IC.

Dopo l'amplificatore di ingresso, c'è un raddrizzatore di precisione a onda intera che è responsabile del pilotaggio del nucleo RMS. Le operazioni RMS essenziali di squadratura, media e radicamento quadrato vengono eseguite nel nucleo con l'aiuto di un condensatore di media esterno CAV. Si noti che senza CAV, il segnale di ingresso rettificato viaggia attraverso il nucleo non elaborato.

Infine, un amplificatore di uscita bufferizza l'uscita dal nucleo RMS e consente di eseguire il filtraggio passa-basso opzionale tramite il condensatore esterno CF, che è collegato attraverso il percorso di feedback dell'amplificatore.

Caratteristiche di IC AD736

• Le caratteristiche dell'IC sono elencate di seguito
• Alta impedenza di ingresso: 10 ^ 12 Ω
• Bassa corrente di polarizzazione in ingresso: 25 pA massimo
• Alta precisione: ± 0,3 mV ± 0,3% della lettura
• Conversione RMS con fattori di cresta del segnale fino a 5
• Ampio intervallo di alimentazione: +2,8 V, da −3,2 V a ± 16,5 V
• Bassa potenza: 200 µA di corrente di alimentazione massima
• Uscita in tensione tamponata
• Nessun taglio esterno necessario per la precisione specificata

Nota: Si noti che lo schema a blocchi funzionali, la descrizione funzionale e l'elenco delle caratteristiche sono presi dal datasheet e modificati in base alle esigenze.

Metodi di misurazione da vero valore RMS a CC

Ci sono principalmente tre metodi disponibili che DVM usa per misurare AC, sono:

• Misurazione a vero valore efficace
• Misura rettificata media
• Misurazione CA + CC a vero valore efficace

Misurazione a vero valore efficace

True-RMS è un metodo piuttosto comune e popolare per misurare segnali dinamici di tutte le forme e dimensioni. In un multimetro True-RMS, il multimetro calcola il valore RMS del segnale di ingresso e mostra il risultato. Questo è il motivo per cui è un confronto molto accurato con un metodo di misurazione rettificato medio.

Misura rettificata media

In un DVM medio rettificato, prende la media o il valore medio del segnale di ingresso e lo moltiplica per 1,11 e visualizza il valore RMS. Quindi, possiamo dire che è un multimetro con display RMS rettificato nella media.

Misurazione CA + CC a vero valore efficace

Per superare le lacune in un multimetro True-RMS, esiste il metodo di misurazione True-RMS AC + DC. Se dovessi misurare un segnale PWM con un multimetro a vero valore efficace, leggerai il valore sbagliato. Comprendiamo questo metodo con alcune formule e video, trova il video alla fine di questo tutorial.

Calcolo per convertitore True RMS

Il valore RMS

La formula per calcolare il valore RMS è descritta come

Se facciamo il calcolo considerando

V (t) = Vm Sin (wt) 0

Questo si riduce a

Vm / (2) ^1/2

Il valore medio

La formula per calcolare il valore medio è descritta come

Se facciamo il calcolo considerando

V (t) = Vm Sin (wt) 0

Questo si riduce a

2Vm / ᴫ

Esempio di calcolo Convertitore da vero valore RMS a CC

Esempio 1

Se consideriamo la tensione da picco a picco di 1 V e la mettiamo nella formula per calcolare la tensione RMS che è, VRMS = Vm / √2 = 1 / √2 =.707V

Considerando ora una tensione da picco a picco di 1 V e inserendola nella formula per calcolare la tensione media che è, VAVE = 2VM / π = 2 * 1 / π = 2 / π = 0,637V

Pertanto, in un DVM a RMS non vero, il valore è calibrato di un fattore 1.11 che deriva da VRMS / VAVE = 0.707 / 637 = 1.11V

Esempio 2

Ora abbiamo un'onda sinusoidale AC pura da picco a picco di 5 V e la stiamo alimentando direttamente a un DVM che ha capacità RMS reali, per questo il calcolo sarebbe, VRMS = Vm / √2 = 5 / √2 = 3.535V

Ora abbiamo un'onda sinusoidale AC pura da picco a picco di 5 V e la stiamo alimentando direttamente a un DVM che è un DVM rettificato medio, per questo il calcolo sarebbe, VAVE = 2VM / π = 2 * 5 / π = 10 / π = 3,183V

A questo punto, il valore mostrato nel DVM medio non è uguale al DVM RMS, quindi i produttori codificano il fattore 1.11V per compensare l'errore.

Così diventa, VAVE = 3,183 * 1,11 = 3,535 V.

Quindi, dalle formule e dagli esempi precedenti, possiamo dimostrare che come un multimetro RMS non vero calcola la tensione CA.

Ma questo valore è accurato solo per la forma d'onda sinusoidale pura. Quindi possiamo vedere che abbiamo bisogno di un vero RMS DVM per misurare correttamente una forma d'onda non sinusoidale. Altrimenti, otterremo un errore.

Cose da tenere a mente

Prima di eseguire i calcoli per l'applicazione pratica, è necessario conoscere alcuni fatti per comprendere la precisione durante la misurazione delle tensioni RMS con l'aiuto dell'IC AD736.

Il datasheet dell'AD736 racconta i due fattori più importanti che dovrebbero essere presi in considerazione per calcolare la percentuale di errore che questo IC produrrà durante la misurazione del valore RMS, sono.

1. Risposta in frequenza
2. Fattore di cresta

Risposta in frequenza

Osservando le curve sul grafico, possiamo osservare che la risposta in frequenza non è costante con l'ampiezza ma minore è l'ampiezza misurata nell'ingresso del tuo convertitore IC, la risposta in frequenza diminuisce e negli intervalli di misurazione inferiori a circa 1mv, improvvisamente scende di alcuni kHz.

La scheda tecnica ci fornisce alcune cifre su questo argomento che puoi vedere di seguito

Il limite per una misurazione accurata è dell'1%

Quindi, possiamo vedere chiaramente che se la tensione di ingresso è 1mv e la frequenza è 1 kHz, raggiunge già il segno di errore aggiuntivo dell'1%. Suppongo che ora tu possa capire i valori del resto.

NOTA: la curva di risposta in frequenza e la tabella sono tratte dal foglio dati.

Fattore di cresta

In termini semplici, il fattore di cresta è il rapporto tra il valore di picco diviso per il valore RMS.

Fattore di cresta = VPK / VRMS

Ad esempio, se consideriamo un'onda sinusoidale pura con un'ampiezza di

VRMS = 10V

La tensione di picco diventa

VPK = VRMS * √2 = 10 * 1,414 = 14,14

Puoi vederlo chiaramente dall'immagine qui sotto presa da wikipedia

La tabella seguente dal datasheet ci dice che se il fattore di cresta calcolato è compreso tra 1 e 3, possiamo aspettarci un errore aggiuntivo dello 0,7% altrimenti dobbiamo considerare il 2,5% di errore aggiuntivo che è vero per un segnale PWM.

Schema per il vero convertitore RMS utilizzando IC AD736

Lo schema seguente per il convertitore RMS è tratto dalla scheda tecnica e modificato in base alle nostre esigenze.

Componenti richiesti

Sl.No	Parti	genere	Quantità
1	AD736	CIRCUITO INTEGRATO	1
2	100K	Resistore	2
3	10uF	Condensatore	2
4	100uF	Condensatore	2
5	33uF	Condensatore	1
6	9V	Batteria	1
7	Cavo a calibro singolo	Generico	8
8	Trasformatore	0-4,5 V.	1
9	Arduino Nano	Generico	1
10	Breadboard	Generico	1

Convertitore da vero valore RMS a CC - Calcoli e test pratici

Per la dimostrazione, viene utilizzato il seguente apparecchio

1. Multimetro Meco 108B + TRMS
2. Multimetro Meco 450B + TRMS
3. Oscilloscopio Hantek 6022BE

Come mostrato nello schema, viene utilizzato un attenuatore di ingresso che è fondamentalmente un circuito divisore di tensione per attenuare il segnale di ingresso dell'IC AD736 perché la tensione di ingresso a fondo scala di questo IC è 200 mV MAX.

Ora che abbiamo chiarito alcuni fatti di base sul circuito, iniziamo i calcoli per il circuito pratico.

Calcoli RMS per onda sinusoidale CA a 50 Hz

Tensione del trasformatore: 5,481 V RMS, 50 Hz

Valore del resistore R1: 50,45 K.

Valore del resistore R1: 220R

Tensione di ingresso del trasformatore

Ora, se inseriamo questi valori in un calcolatore di divisori di tensione online e li calcoliamo, otterremo la tensione di uscita di 0,02355 V O 23,55 mV

Ora è possibile vedere chiaramente l'ingresso e l'uscita del circuito.

Sul lato destro, il multimetro Meco 108B + TRMS mostra la tensione di ingresso. Questa è l'uscita del circuito divisore di tensione.

Sul lato sinistro, il multimetro Meco 450B + TRMS mostra la tensione di uscita. Questa è la tensione di uscita dall'IC AD736.

Ora puoi vedere che il calcolo teorico di cui sopra ed entrambi i risultati del multimetro sono vicini, quindi per un'onda sinusoidale pura, conferma la teoria.

L'errore di misura in entrambi i risultati del multimetro è dovuto alla loro tolleranza e per dimostrazione, sto usando l'ingresso di rete 230V AC, che cambia molto rapidamente nel tempo.

Se hai dei dubbi, puoi ingrandire l'immagine e vedere che il multimetro Meco 108B + TRMS è in modalità AC e il multimetro Meco 450B + TRMS è in modalità DC.

A questo punto, non mi sono preoccupato di usare il mio oscilloscopio hantek 6022BL perché l'oscilloscopio è praticamente inutile e mostra il rumore solo a questi livelli di bassa tensione.

Calcoli per il segnale PWM

A scopo dimostrativo, viene generato un segnale PWM con l'aiuto di un Arduino. La tensione della scheda Arduino è di 4,956 V e la frequenza è di quasi 1 kHz.

Tensione massima della scheda Arduino: 4,956 V, 989,3 Hz

Valore del resistore R1: 50,75 K.

Valore del resistore R1: 220R

Tensione di ingresso sulla scheda Arduino

Ora metti questi valori in un calcolatore di partitore di tensione online e calcola, otterremo la tensione di uscita di 0,02141 V O 21,41 mV.

Questa è la tensione di picco del segnale PWM in ingresso e per trovare la tensione RMS, dobbiamo semplicemente dividerla per √2 in modo che il calcolo diventi

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

In teoria, un multimetro a vero valore efficace sarà facilmente in grado di calcolare questo valore calcolato teoricamente, giusto?

In modalità DC

In modalità AC

Il trasformatore nell'immagine è seduto lì e non fa nulla. Detto questo, puoi vedere che sono una persona molto pigra.

Quindi qual'è il problema?

Prima che qualcuno salti e dica che abbiamo sbagliato i calcoli, lascia che ti dica che abbiamo fatto bene i calcoli, e il problema è nei multimetri.

In modalità DC il multimetro sta semplicemente prendendo la media del segnale in ingresso che possiamo calcolare.

Quindi, la tensione di ingresso è 0,02141 V e per ottenere la tensione media, moltiplica semplicemente il valore per 0,5.

Quindi il calcolo diventa, VAVE = 0,02141 * 0,5 = 0,010705 V o 10,70 mV

Ed è quello che stiamo ottenendo nel display del multimetro.

In modalità AC, il condensatore di ingresso del multimetro blocca i componenti CC del segnale di ingresso, quindi il calcolo diventa più o meno lo stesso.

Come puoi vedere chiaramente, in questa situazione entrambe le letture sono assolutamente sbagliate. Quindi, non puoi fidarti del display del multimetro. Questo è il motivo per cui esistono multimetri con capacità AC + DC a vero valore efficace che possono misurare facilmente questo tipo di forme d'onda con precisione. Ad esempio, extech 570A è un multimetro con funzionalità CA + CC a vero valore efficace.

L' AD736 è un tipo di IC utilizzato per misurare accuratamente questi tipi di segnali di ingresso. L'immagine sotto è la prova della teoria.

Ora abbiamo calcolato che la tensione RMS è di 15,14 mV. Ma il multimetro mostra 15.313 mV perché non abbiamo considerato il fattore di cresta e la risposta in frequenza dell'IC AD736.

Poiché abbiamo calcolato il fattore di cresta, è lo 0,7% del valore calcolato, quindi se facciamo i calcoli si riduce a 0,00010598 o 0,10598mV

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

O

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

Quindi il valore visualizzato dal multimetro Meco 450B + è chiaramente compreso nell'intervallo di errore dello 0,7%

Codice Arduino per la generazione PWM

Mi sono quasi dimenticato di dire che ho usato questo codice Arduino per generare il segnale PWM con un ciclo di lavoro del 50%.

int OUT_PIN = 2; // uscita a onda quadra con duty cycle del 50% void setup () {pinMode (OUT_PIN, OUTPUT); // definendo il pin come output} void loop () {/ * * se convertiamo 500 microsecondi in secondi otterremo 0.0005S * ora se lo mettiamo nella formula F = 1 / T * otterremo F = 1 / 0.0005 = 2000 * il pin è acceso per 500 uS e spento per 500 us quindi la * frequenza diventa F = 2000/2 = 1000Hz o 1 Khz * * / digitalWrite (OUT_PIN, HIGH); delayMicroseconds (500); digitalWrite (OUT_PIN, LOW); delayMicroseconds (500); }

Puoi saperne di più sulla generazione di PWM con Arduino qui.

Precauzioni

Il convertitore IC da vero RMS a CC AD736 è di gran lunga il più costoso IC PDIP a 8 PIN con cui ho lavorato.

Dopo averne completamente distrutto uno con ESD, ho preso le dovute precauzioni e mi sono legato a terra.

Miglioramenti del circuito

Per la dimostrazione, ho realizzato il circuito in una breadboard senza saldatura che è assolutamente sconsigliata. Ecco perché l'errore di misurazione aumenta dopo un certo intervallo di frequenza. Questo circuito ha bisogno di un PCB corretta con il buon s piano di catrame terra per poter funzionare correttamente.

Applicazioni del convertitore da vero valore RMS a CC

È usato in

• Voltmetri e multimetri di alta precisione.
• Misura di tensione non sinusoidale ad alta precisione.

Spero che questo articolo ti sia piaciuto e che abbia imparato qualcosa di nuovo da esso. Se hai qualche dubbio, puoi chiedere nei commenti qui sotto o puoi usare i nostri forum per una discussione dettagliata.

Di seguito viene fornito un video dettagliato che mostra il processo di calcolo completo.