- ¿Qué es RMS?
- Verdadero valor eficaz IC AD736
- Métodos de medición de verdadero valor eficaz a CC
- Cálculo del convertidor True RMS
- Ejemplo de cálculo de convertidor de verdadero valor eficaz a CC
- Cosas a tener en cuenta
- Esquema del convertidor RMS verdadero usando IC AD736
- Componentes requeridos
- Convertidor de verdadero valor eficaz a CC: cálculos y pruebas prácticos
- Cálculos RMS para onda sinusoidal de CA de 50 Hz
- Cálculos para la señal PWM
- ¿Entonces, cuál es el problema?
- Código Arduino para generación PWM
- Precauciones
- Mejoras de circuito
- Aplicaciones del convertidor de verdadero valor eficaz a CC
Un verdadero valor eficaz o TRMS es un tipo de convertidor que convierte el valor eficaz en valor de CC equivalente. Aquí, en este tutorial, aprenderemos sobre el verdadero convertidor de RMS a CC, cómo funciona y cómo los métodos de medición pueden afectar los resultados mostrados.
¿Qué es RMS?
RMS es la abreviatura de Root Mean Square. Por definición, para la corriente eléctrica alterna, el valor RMS es equivalente a un voltaje de CC que pone la misma cantidad de energía en una resistencia.
Verdadero valor eficaz IC AD736
El IC AD736 tiene pocas subsecciones funcionales como el amplificador de entrada, el rectificador de onda completa (FWR), el núcleo RMS, el amplificador de salida y la sección de polarización. El amplificador de entrada está construido con MOSFET, por lo que es responsable de la alta impedancia de este IC.
Después del amplificador de entrada, hay un rectificador de onda completa de precisión que es responsable de impulsar el núcleo RMS. Las operaciones esenciales de RMS de cuadratura, promediado y enraizamiento cuadrado se realizan en el núcleo con la ayuda de un capacitor de promediado externo CAV. Tenga en cuenta que sin CAV, la señal de entrada rectificada viaja a través del núcleo sin procesar.
Por último, un amplificador de salida amortigua la salida del núcleo RMS y permite realizar un filtrado de paso bajo opcional a través del condensador externo CF, que está conectado a través de la ruta de retroalimentación del amplificador.
Características de IC AD736
- Las características del IC se enumeran a continuación
- Impedancia de entrada alta: 10 ^ 12 Ω
- Corriente de polarización de entrada baja: 25 pA máximo
- Alta precisión: ± 0,3 mV ± 0,3% de lectura
- Conversión RMS con factores de cresta de señal de hasta 5
- Amplio rango de fuente de alimentación: +2,8 V, −3,2 V a ± 16,5 V
- Baja potencia: corriente de alimentación máxima de 200 µA
- Salida de voltaje con búfer
- No se necesitan ajustes externos para una precisión especificada
Nota: Tenga en cuenta que el diagrama de bloques funcional, la descripción funcional y la lista de características se toman de la hoja de datos y se modifican según las necesidades.
Métodos de medición de verdadero valor eficaz a CC
Hay principalmente tres métodos disponibles que los DVM utilizan para medir la CA, son:
- Medición de verdadero valor eficaz
- Medida rectificada promedio
- Medición de verdadero valor eficaz CA + CC
Medición de verdadero valor eficaz
True-RMS es un método bastante común y popular para medir señales dinámicas de todas las formas y tamaños. En un multímetro de verdadero valor eficaz, el multímetro calcula el valor eficaz de la señal de entrada y muestra el resultado. Por eso es una comparación muy precisa con un método de medición rectificado promedio.
Medida rectificada promedio
En un DVM rectificado promedio, toma el valor promedio o medio de la señal de entrada y lo multiplica por 1.11 y muestra el valor RMS. Entonces, podemos decir que es un multímetro de pantalla RMS rectificado promedio.
Medición de verdadero valor eficaz CA + CC
Para superar las lagunas en un multímetro True-RMS, existe el método de medición True-RMS AC + DC. Si tuviera que medir una señal PWM con un multímetro de verdadero valor eficaz, leerá el valor incorrecto. Entendamos este método con algunas fórmulas y video, encuentre el video al final de este tutorial.
Cálculo del convertidor True RMS
El valor RMS
La fórmula para calcular el valor RMS se describe como
Si hacemos el cálculo considerando
V (t) = Vm Sin (peso) 0
Esto se reduce a
Vm / (2) 1/2
El valor medio
La fórmula para calcular el valor promedio se describe como
Si hacemos el cálculo considerando
V (t) = Vm Sin (peso) 0
Esto se reduce a
2Vm / ᴫ
Ejemplo de cálculo de convertidor de verdadero valor eficaz a CC
Ejemplo 1
Si consideramos el voltaje pico a pico de 1V y lo ponemos en la fórmula para calcular el voltaje RMS, que es, VRMS = Vm / √2 = 1 / √2 =.707V
Ahora, considerando un voltaje pico a pico de 1V y poniéndolo en la fórmula para calcular el voltaje promedio, que es, VAVE = 2VM / π = 2 * 1 / π = 2 / π = 0.637V
Por lo tanto, en un DVM RMS no verdadero, el valor se calibra con un factor de 1,11 que proviene de VRMS / VAVE = 0,707 / 637 = 1,11 V
Ejemplo 2
Ahora tenemos una onda sinusoidal de CA pura de pico a pico de 5V y la estamos alimentando directamente a un DVM que tiene verdaderas capacidades RMS, para eso el cálculo sería, VRMS = Vm / √2 = 5 / √2 = 3.535V
Ahora tenemos una onda sinusoidal de CA pura de pico a pico de 5V, y la estamos alimentando directamente a un DVM que es un DVM rectificado promedio, para eso el cálculo sería, VAVE = 2VM / π = 2 * 5 / π = 10 / π = 3.183V
Ahora, en este punto, el valor que se muestra en el DVM promedio no es igual al DVM RMS, por lo que los fabricantes codifican el factor de 1,11 V para compensar el error.
Entonces se vuelve, VAVE = 3,183 * 1,11 = 3,535 V
Entonces, a partir de las fórmulas y ejemplos anteriores, podemos demostrar cómo un multímetro RMS no verdadero calcula el voltaje de CA.
Pero este valor solo es preciso para la forma de onda sinusoidal pura. Entonces podemos ver que necesitamos un verdadero RMS DVM para medir correctamente una forma de onda no sinusoidal. De lo contrario, obtendremos un error.
Cosas a tener en cuenta
Antes de hacer los cálculos para la aplicación práctica, es necesario conocer algunos hechos para comprender la precisión al medir voltajes RMS con la ayuda del IC AD736.
La hoja de datos del AD736 informa sobre los dos factores más importantes que deben tenerse en cuenta para calcular el porcentaje de error que producirá este IC al medir el valor RMS, son.
- Respuesta frecuente
- Factor de cresta
Respuesta frecuente
Al observar las curvas en el gráfico, podemos observar que la respuesta de frecuencia no es constante con la amplitud, pero cuanto menor es la amplitud que mide en la entrada de su convertidor IC, la respuesta de frecuencia cae, y en los rangos de medición más bajos alrededor de 1mv, de repente cae unos pocos kHz.
La hoja de datos nos da algunas cifras sobre este tema que puede ver a continuación.
El límite para una medición precisa es del 1%.
Entonces, podemos ver claramente que si el voltaje de entrada es de 1 mv y la frecuencia es de 1 kHz, ya alcanza la marca de error adicional del 1%. Supongo que ahora puedes entender los valores del resto.
NOTA: La curva de respuesta de frecuencia y la tabla se toman de la hoja de datos.
Factor de cresta
En términos simples, el factor de cresta es la relación entre el valor pico dividido por el valor RMS.
Factor de cresta = VPK / VRMS
Por ejemplo, si consideramos una onda sinusoidal pura con una amplitud de
VRMS = 10 V
El voltaje pico se convierte en
VPK = VRMS * √2 = 10 * 1.414 = 14.14
Puede ver claramente eso en la imagen de abajo tomada de wikipedia
La siguiente tabla de la hoja de datos nos dice que si el factor de cresta calculado está entre 1 y 3, podemos esperar un error adicional de 0.7%; de lo contrario, tenemos que considerar un 2.5% de error adicional que es cierto para una señal PWM.
Esquema del convertidor RMS verdadero usando IC AD736
El siguiente esquema para el convertidor RMS se toma de la hoja de datos y se modifica de acuerdo con nuestras necesidades.
Componentes requeridos
|
Si. No |
Partes |
Tipo |
Cantidad |
|
1 |
AD736 |
IC |
1 |
|
2 |
100 mil |
Resistor |
2 |
|
3 |
10uF |
Condensador |
2 |
|
4 |
100 uF |
Condensador |
2 |
|
5 |
33uF |
Condensador |
1 |
|
6 |
9V |
Batería |
1 |
|
7 |
Alambre de un solo calibre |
Genérico |
8 |
|
8 |
Transformador |
0 - 4,5 V |
1 |
|
9 |
Arduino Nano |
Genérico |
1 |
|
10 |
Tablero de circuitos |
Genérico |
1 |
Convertidor de verdadero valor eficaz a CC: cálculos y pruebas prácticos
Para la demostración, se utiliza el siguiente aparato
- Multímetro Meco 108B + TRMS
- Multímetro Meco 450B + TRMS
- Osciloscopio Hantek 6022BE
Como se muestra en el esquema, se usa un atenuador de entrada que es básicamente un circuito divisor de voltaje para atenuar la señal de entrada del IC AD736 porque el voltaje de entrada a escala completa de este IC es 200mV MAX.
Ahora que tenemos claros algunos hechos básicos sobre el circuito, comencemos los cálculos para el circuito práctico.
Cálculos RMS para onda sinusoidal de CA de 50 Hz
Voltaje del transformador: 5,481 V RMS, 50 Hz
Valor de la resistencia R1: 50,45 K
Valor de la resistencia R1: 220R
Voltaje de entrada del transformador
Ahora, si ponemos estos valores en una calculadora divisora de voltaje en línea y los calculamos, obtendremos el voltaje de salida de 0.02355V O 23.55mV
Ahora se puede ver claramente la entrada y la salida del circuito.
En el lado derecho, el multímetro Meco 108B + TRMS muestra el voltaje de entrada. Esa es la salida del circuito divisor de voltaje.
En el lado izquierdo, el multímetro Meco 450B + TRMS muestra el voltaje de salida. Ese es el voltaje de salida del AD736 IC.
Ahora puede ver que el cálculo teórico anterior y los resultados del multímetro están cerca, por lo que para una onda sinusoidal pura, confirma la teoría.
El error de medición en los resultados del multímetro se debe a su tolerancia y, para la demostración, estoy usando la entrada de red de 230 V CA, que cambia muy rápidamente con el tiempo.
Si tienes dudas, puedes hacer zoom en la imagen y ver que el multímetro Meco 108B + TRMS está en modo AC y el multímetro Meco 450B + TRMS está en modo DC.
En este punto, no me molesté en usar mi osciloscopio hantek 6022BL porque el osciloscopio es prácticamente inútil y solo muestra ruido en estos niveles de voltaje bajo.
Cálculos para la señal PWM
Para la demostración, se genera una señal PWM con la ayuda de un Arduino. El voltaje de la placa Arduino es 4.956V y la frecuencia es de casi 1 kHz.
Voltaje máximo de la placa Arduino: 4.956V, 989.3Hz
Valor de la resistencia R1: 50,75 K
Valor de la resistencia R1: 220R
Voltaje de entrada en la placa Arduino
Ahora coloque estos valores en una calculadora de divisor de voltaje en línea y calcule, obtendremos el voltaje de salida de 0.02141V O 21.41mV.
Este es el voltaje pico de la señal PWM de entrada y para encontrar el voltaje RMS, simplemente debemos dividirlo por √2 para que el cálculo sea
VRMS = Vm / √2 = 0.02141 / √2 = 0.01514V o 15.14mV
En teoría, un multímetro de verdadero valor eficaz podrá calcular fácilmente este valor calculado teóricamente, ¿verdad?
En modo DC
En modo AC
El transformador de la imagen está sentado allí y no hace nada. Con eso, puedes ver que soy una persona muy vaga.
¿Entonces, cuál es el problema?
Antes de que alguien salte y diga que hicimos mal los cálculos, déjame decirte que hicimos bien los cálculos y el problema está en los multímetros.
En el modo CC, el multímetro simplemente está tomando el promedio de la señal de entrada que podemos calcular.
Entonces, el voltaje de entrada es 0.02141V y para obtener el voltaje promedio, simplemente multiplica el valor por 0.5.
Entonces el cálculo se convierte en, VAVE = 0.02141 * 0.5 = 0.010705V o 10.70mV
Y eso es lo que estamos obteniendo en la pantalla del multímetro.
En el modo CA, el condensador de entrada del multímetro bloquea los componentes CC de la señal de entrada, por lo que el cálculo es prácticamente el mismo.
Ahora, como puede ver claramente, en esta situación, ambas lecturas son absolutamente incorrectas. Entonces, no puede confiar en la pantalla del multímetro. Es por eso que existen multímetros con capacidades True RMS AC + DC que pueden medir fácilmente este tipo de formas de onda con precisión. Por ejemplo, el extech 570A es un multímetro con capacidades True RMS AC + DC.
El AD736 es un tipo de IC que se utiliza para medir con precisión este tipo de señales de entrada. La siguiente imagen es una prueba de la teoría.
Ahora hemos calculado que el voltaje RMS es de 15,14 mV. Pero el multímetro muestra 15,313 mV porque no consideramos el factor de cresta y la respuesta de frecuencia del AD736 IC.
Como hemos calculado, el factor de cresta es el 0,7% del valor calculado, por lo que si hacemos los cálculos, se reduce a 0,00010598 o 0,10598mV.
Entonces, Vout = 15,14 + 0,10598 = 15,2459 mV
O
Vout = 15.14 - 0.10598 = 15.0340mV
Por tanto, el valor mostrado por el multímetro Meco 450B + está claramente dentro del rango de error del 0,7%
Código Arduino para generación PWM
Casi olvido mencionar que he usado este código Arduino para generar la señal PWM con un ciclo de trabajo del 50%.
int OUT_PIN = 2; // salida de onda cuadrada con 50% de ciclo de trabajo void setup () {pinMode (OUT_PIN, OUTPUT); // definiendo el pin como salida} void loop () {/ * * si convertimos 500 microsegundos a segundos obtendremos 0.0005S * ahora si lo ponemos en la fórmula F = 1 / T * obtendremos F = 1 / 0.0005 = 2000 * el pin está encendido por 500 uS y apagado por 500 us entonces la * frecuencia se convierte en F = 2000/2 = 1000Hz o 1Khz * * / digitalWrite (OUT_PIN, HIGH); delayMicroseconds (500); digitalWrite (OUT_PIN, BAJO); delayMicroseconds (500); }
Puede obtener más información sobre cómo generar PWM con Arduino aquí.
Precauciones
El CI convertidor AD736 True RMS a CC es, con mucho, el CI PDIP de 8 pines más caro con el que he trabajado.
Después de destruir por completo uno con ESD, tomé las precauciones adecuadas y me até al suelo.
Mejoras de circuito
Para la demostración, hice el circuito en una placa de prueba sin soldadura, lo cual no se recomienda en absoluto. Es por eso que el error de medición aumenta después de un cierto rango de frecuencia. Este circuito necesita un PCB adecuada con el buen s avión de alquitrán en tierra con el fin de funcionar correctamente.
Aplicaciones del convertidor de verdadero valor eficaz a CC
Se utiliza en
- Voltímetros y multímetros de alta precisión.
- Medición de tensión no sinusoidal de alta precisión.
Espero que les haya gustado este artículo y hayan aprendido algo nuevo de él. Si tiene alguna duda, puede preguntar en los comentarios a continuación o puede utilizar nuestros foros para una discusión detallada.
A continuación se muestra un video detallado que muestra el proceso de cálculo completo.