Proiectarea unui adevărat convertor RM-DC folosind ic ad736

Un True-RMS sau TRMS este un tip de convertor care convertește valoarea RMS în valoare DC echivalentă. Aici, în acest tutorial, vom afla despre adevăratul convertor RMS-DC, modul în care funcționează și modul în care metodele de măsurare pot afecta rezultatele afișate.

Ce este RMS?

RMS este abrevierea Root Mean Square. Prin definiție, pentru curentul electric alternativ, valoarea RMS este echivalentă cu o tensiune continuă care pune aceeași cantitate de putere într-un rezistor.

Adevărat IC RMS AD736

IC AD736 are câteva subsecțiuni funcționale, cum ar fi amplificatorul de intrare, redresorul cu undă completă (FWR), nucleul RMS, amplificatorul de ieșire și secțiunea de polarizare. Amplificatorul de intrare este construit cu MOSFET-uri, deci este responsabil pentru impedanța ridicată a acestui IC.

După amplificatorul de intrare, există un redresor de undă completă de precizie, care este responsabil pentru conducerea miezului RMS. Operațiunile esențiale RMS de pătrat, mediu și înrădăcinare pătrată sunt efectuate în miez cu ajutorul unui condensator CAV extern de mediere. Vă rugăm să rețineți că, fără CAV, semnalul de intrare rectificat circulă prin nucleu neprelucrat.

În cele din urmă, un amplificator de ieșire tamponează ieșirea din nucleul RMS și permite filtrarea opțională low-pass să fie efectuată prin condensatorul extern CF, care este conectat pe calea de feedback a amplificatorului.

Caracteristici ale IC AD736

Caracteristicile IC sunt enumerate mai jos
Impedanță mare de intrare: 10 ^ 12 Ω
Curent de polarizare scăzut la intrare: maxim 25 pA
Precizie ridicată: ± 0,3 mV ± 0,3% din citire
Conversia RMS cu factori de creștere a semnalului până la 5
Gama largă de alimentare: +2,8 V, −3,2 V la ± 16,5 V
Putere redusă: 200 µA curent de alimentare maxim
Ieșire de tensiune tamponată
Nu sunt necesare ajustări externe pentru precizia specificată

Notă: Vă rugăm să rețineți că diagrama bloc funcțională, descrierea funcțională și lista de caracteristici sunt preluate din foaia tehnică și modificate în funcție de necesități.

Metode de măsurare RMS-DC adevărate

Există în principal trei metode disponibile pe care DVM le folosește pentru a măsura AC, acestea fiind-

Măsurare True-RMS
Măsurarea medie rectificată
Măsurare True-RMS AC + DC

Măsurare True-RMS

True-RMS este o metodă destul de comună și populară pentru a măsura semnale dinamice de toate formele și dimensiunile. Într-un multimetru True-RMS, multimetrul calculează valoarea RMS a semnalului de intrare și arată rezultatul. Acesta este motivul pentru care este o comparație foarte precisă cu o metodă de măsurare rectificată medie.

Măsurarea medie rectificată

Într-un DVM rectificat mediu, ia media sau valoarea medie a semnalului de intrare și îl înmulțește cu 1,11 și afișează valoarea RMS. Deci, putem spune că este un multimetru de afișare RMS rectificat mediu.

Măsurare True-RMS AC + DC

Pentru a depăși lacunele dintr-un multimetru True-RMS, există metoda de măsurare True-RMS AC + DC. Dacă ați măsura un semnal PWM cu un multimetru True-RMS, veți citi valoarea greșită. Să înțelegem această metodă cu câteva formule și videoclipuri, găsiți videoclipul la sfârșitul acestui tutorial.

Calcul pentru convertorul True RMS

Valoarea RMS

Formula pentru a calcula valoarea RMS este descrisă ca

Dacă facem calculul luând în considerare

V (t) = Vm Sin (wt) 0

Acest lucru se reduce la

Vm / (2) ^1/2

Valoarea medie

Formula pentru a calcula valoarea medie este descrisă ca

Dacă facem calculul luând în considerare

V (t) = Vm Sin (wt) 0

Acest lucru se reduce la

2Vm / ᴫ

Exemplu de calcul Convertor RMS-DC adevărat

Exemplul 1

Dacă luăm în considerare tensiunea de vârf la vârf de 1V și o punem în formula pentru a calcula tensiunea RMS care este, VRMS = Vm / √2 = 1 / √2 =.707V

Acum, luând în considerare o tensiune de vârf la vârf de 1V și punându-l în formula pentru a calcula tensiunea medie care este, VAVE = 2VM / π = 2 * 1 / π = 2 / π = 0,637V

Prin urmare, într-un DVS RMS nerealist, valoarea este calibrată cu un factor de 1,11 care provine de la VRMS / VAVE = 0,707 / 637 = 1,11V

Exemplul 2

Acum avem o undă sinusoidală pură de vârf la vârf de 5V și o alimentăm direct către un DVM care are adevărate capacități RMS, pentru care calculul ar fi, VRMS = Vm / √2 = 5 / √2 = 3,535V

Acum avem o undă sinusoidală pură de vârf la vârf de 5V și o alimentăm direct către un DVM care este un DVM mediu rectificat, pentru care calculul ar fi, VAVE = 2VM / π = 2 * 5 / π = 10 / π = 3,183V

Acum, în acest moment, valoarea afișată în DVM mediu nu este egală cu RMS DVM, astfel încât producătorii codifică hard factorul de 1,11 V pentru a compensa eroarea.

Deci devine, VAVE = 3,183 * 1,11 = 3,535V

Deci, din formulele și exemplele de mai sus, putem demonstra că modul în care un multimetru RMS nerealist calculează tensiunea AC.

Dar această valoare este precisă doar pentru forma de undă sinusoidală pură. Deci, putem vedea că avem nevoie de un adevărat DVS RMS pentru a măsura corect o formă de undă non-sinusoidală. În caz contrar, vom primi o eroare.

Lucruri de reținut

Înainte de a face calculele pentru aplicația practică, trebuie cunoscute unele fapte pentru a înțelege acuratețea în timpul măsurării tensiunilor RMS cu ajutorul AD736 IC.

Fișa tehnică a AD736 spune despre cei mai importanți doi factori care ar trebui luați în considerare pentru a calcula procentul de eroare pe care acest IC îl va produce în timpul măsurării valorii RMS.

Răspuns în frecvență
Factorul de creastă

Răspuns în frecvență

Observând curbele de pe grafic, putem observa că răspunsul în frecvență nu este constant cu amplitudinea, dar cu cât este mai mică amplitudinea pe care o măsurați în intrarea convertorului dvs. IC, răspunsul în frecvență scade și în intervalele de măsurare mai mici la aproximativ 1mv, scade brusc câțiva kHz.

Fișa tehnică ne oferă câteva cifre despre acest subiect pe care le puteți vedea mai jos

Limita pentru măsurarea precisă este de 1%

Deci, putem vedea clar că, dacă tensiunea de intrare este de 1mv și frecvența este de 1 kHz, aceasta atinge deja valoarea de eroare suplimentară de 1%. Presupun că acum puteți înțelege valorile restului.

NOTĂ: Curba de răspuns în frecvență și tabelul sunt preluate din foaia de date.

Factorul de creastă

În termeni simpli, factorul de creastă este raportul dintre valoarea de vârf împărțită la valoarea RMS.

Crest-Factor = VPK / VRMS

De exemplu, dacă avem în vedere o undă sinusoidală pură cu o amplitudine de

VRMS = 10V

Tensiunea de vârf devine

VPK = VRMS * √2 = 10 * 1.414 = 14.14

Puteți vedea clar acest lucru din imaginea de mai jos luată din Wikipedia

Tabelul de mai jos din foaia de date ne spune că, dacă factorul de creastă calculat este între 1 și 3, ne putem aștepta la o eroare suplimentară de 0,7%, altfel trebuie să luăm în considerare 2,5% din eroarea suplimentară, care este adevărată pentru un semnal PWM.

Schema pentru convertorul RMS adevărat folosind IC AD736

Schema de mai jos pentru convertorul RMS este preluată din foaia tehnică și modificată în funcție de nevoile noastre.

Componente necesare

Sl. Nu	Părți	Tip	Cantitate
1	AD736	IC	1
2	100K	Rezistor	2
3	10uF	Condensator	2
4	100uF	Condensator	2
5	33uF	Condensator	1
6	9V	Baterie	1
7	Sârmă cu ecartament unic	Generic	8
8	Transformator	0 - 4,5V	1
9	Arduino Nano	Generic	1
10	Breadboard	Generic	1

Convertor RMS-DC adevărat - Calcule practice și testare

Pentru demonstrație, se folosește următorul aparat

Multimetru Meco 108B + TRMS
Multimetru Meco 450B + TRMS
Osciloscop Hantek 6022BE

Așa cum se arată în schemă, se utilizează un atenuator de intrare, care este în esență un circuit divizor de tensiune pentru a atenua semnalul de intrare al IC AD736, deoarece tensiunea de intrare la scară completă a acestui IC este de 200mV MAX.

Acum, că avem clare câteva fapte de bază despre circuit, să începem calculele pentru circuitul practic.

Calcule RMS pentru unda sinusoidală AC de 50Hz

Tensiunea transformatorului: 5,481 V RMS, 50Hz

Valoarea rezistorului R1: 50,45K

Valoarea rezistorului R1: 220R

Tensiunea de intrare a transformatorului

Acum, dacă punem aceste valori într-un calculator de divizare a tensiunii online și calculăm, vom obține tensiunea de ieșire de 0,02355V SAU 23,55mV

Acum intrarea și ieșirea circuitului pot fi văzute clar.

În partea dreaptă, multimetrul Meco 108B + TRMS arată tensiunea de intrare. Aceasta este ieșirea circuitului divizor de tensiune.

În partea stângă, multimetrul Meco 450B + TRMS arată tensiunea de ieșire. Aceasta este tensiunea de ieșire de la AD736 IC.

Acum puteți vedea că calculul teoretic de mai sus și ambele rezultate ale multimetrului sunt apropiate, deci pentru o undă sinusoidală pură, aceasta confirmă teoria.

Eroarea de măsurare în ambele rezultate ale multimetrului se datorează toleranței lor și, pentru demonstrare, folosesc intrarea de rețea 230V AC, care se schimbă foarte rapid în timp.

Dacă aveți nelămuriri, puteți mări imaginea și puteți vedea că multimetrul Meco 108B + TRMS este în modul AC și multimetrul Meco 450B + TRMS este în modul DC.

În acest moment, nu m-am deranjat să folosesc osciloscopul meu hantek 6022BL, deoarece osciloscopul este destul de inutil și arată doar zgomot la aceste niveluri de joasă tensiune.

Calcule pentru semnalul PWM

Pentru demonstrație, un semnal PWM este generat cu ajutorul unui Arduino. Tensiunea plăcii Arduino este de 4.956V, iar frecvența este de aproape 1 kHz.

Tensiunea maximă a plăcii Arduino: 4.956V, 989.3Hz

Valoarea rezistorului R1: 50,75K

Valoarea rezistorului R1: 220R

Tensiunea de intrare pe placa Arduino

Acum puneți aceste valori într-un calculator de divizare a tensiunii online și calculați, vom obține tensiunea de ieșire de 0,02141V SAU 21,41mV.

Aceasta este tensiunea de vârf a semnalului PWM de intrare și pentru a găsi tensiunea RMS, trebuie să o împărțim pur și simplu la √2, astfel încât calculul să devină

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

În teorie, un multimetru True-RMS va putea cu ușurință să calculeze această valoare calculată teoretic, nu?

În modul DC

În modul AC

Transformatorul din imagine stă acolo și nu face nimic. Cu asta, puteți vedea că sunt o persoană foarte leneșă.

Deci care este problema?

Înainte ca cineva să sară și să spună că am făcut greșit calculele, permiteți-mi să vă spun că am făcut calculele corect și problema este în multimetre.

În modul DC, multimetrul ia pur și simplu media semnalului de intrare pe care o putem calcula.

Deci, tensiunea de intrare este de 0,02141V și pentru a obține tensiunea medie, pur și simplu înmulțește valoarea cu 0,5.

Deci calculul devine, VAVE = 0,02141 * 0,5 = 0,010705V Sau 10,70mV

Și asta este ceea ce obținem pe afișajul multimetru.

În modul AC, condensatorul de intrare al multimetrului blochează componentele de curent continuu ale semnalului de intrare, astfel încât calculul devine cam același.

Acum, după cum puteți vedea clar, în această situație ambele citiri sunt absolut greșite. Deci, nu puteți avea încredere în afișajul multimetru. De aceea există multimetre cu capabilități True RMS AC + DC care pot măsura cu ușurință acest tip de forme de undă cu precizie. De exemplu, extech 570A este un multimetru cu capacități True RMS AC + DC.

AD736 este un fel de IC, care este utilizat pentru a măsura aceste tipuri de semnale de intrare cu acuratețe. Imaginea de mai jos este o dovadă a teoriei.

Acum am calculat tensiunea RMS ca fiind 15,14mV. Multimetrul arată însă 15,313mV deoarece nu am luat în considerare factorul de creastă și răspunsul în frecvență al IC-ului AD736.

După cum am calculat factorul de creastă, acesta este de 0,7% din valoarea calculată, deci, dacă facem calculul, se reduce la 0,00010598 sau 0,10598mV

Asa de, Vout = 15,14 + 0,10598 = 15,2459 mV

Sau

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

Deci, valoarea afișată de multimetrul Meco 450B + este în mod clar în intervalul de eroare de 0,7%

Cod Arduino pentru generarea PWM

Aproape că am uitat să menționez că am folosit acest cod Arduino pentru a genera semnalul PWM cu un ciclu de funcționare de 50%.

int OUT_PIN = 2; // undă pătrată cu 50% setarea nulă a ciclului de funcționare () {pinMode (OUT_PIN, OUTPUT); // definirea pinului ca ieșire} bucla nulă () {/ * * dacă convertim 500 de microsecunde în secunde vom obține 0.0005S * acum dacă îl punem în formula F = 1 / T * vom obține F = 1 / 0.0005 = 2000 * pinul este pornit pentru 500 uS și oprit pentru 500 us, astfel încât frecvența * devine F = 2000/2 = 1000Hz sau 1Khz * * / digitalWrite (OUT_PIN, HIGH); delayMicroseconds (500); digitalWrite (OUT_PIN, LOW); delayMicroseconds (500); }

Puteți afla mai multe despre generarea PWM cu Arduino aici.

Precauții

AD736 True RMS to DC converter IC este de departe cel mai scump IC cu 8 PIN-uri PDIP cu care am lucrat.

După ce am distrus-o complet cu ESD, am luat măsurile de precauție adecvate și m-am legat de pământ.

Îmbunătățiri ale circuitului

Pentru demonstrație, am realizat circuitul într-o placă fără sudură, ceea ce nu este absolut recomandat. De aceea eroarea de măsurare crește după un anumit interval de frecvență. Acest circuit are nevoie de un PCB adecvat cu propriu - zis s planul de gudron de la sol pentru a funcționa corect.

Aplicații ale convertorului True RMS to DC

Este folosit în

Voltmetre și multimetre de înaltă precizie.
Măsurarea tensiunii non-sinusoidale de înaltă precizie.

Sper că ți-a plăcut acest articol și ai învățat ceva nou din el. Dacă aveți vreo îndoială, puteți întreba în comentariile de mai jos sau puteți folosi forumurile noastre pentru discuții detaliate.

Un videoclip detaliat care arată procesul complet de calcul este prezentat mai jos.