Conception d'un véritable convertisseur RMS en CC à l'aide d'IC ​​AD736

Un True-RMS ou TRMS est un type de convertisseur qui convertit la valeur RMS en valeur DC équivalente. Ici, dans ce didacticiel, nous allons en apprendre davantage sur le véritable convertisseur RMS en CC, son fonctionnement et comment les méthodes de mesure peuvent affecter les résultats affichés.

Qu'est-ce que RMS?

RMS est l'abréviation de Root Mean Square. Par définition, pour le courant électrique alternatif, la valeur RMS est équivalente à une tension continue qui met la même quantité de puissance dans une résistance.

True RMS IC AD736

L'IC AD736 comporte quelques sous-sections fonctionnelles telles que l'amplificateur d'entrée, le redresseur pleine onde (FWR), le noyau RMS, l'amplificateur de sortie et la section de polarisation. L'amplificateur d'entrée est construit avec des MOSFET, il est donc responsable de la haute impédance de ce circuit intégré.

Après l'amplificateur d'entrée, il existe un redresseur pleine onde de précision qui est responsable de la commande du noyau RMS. Les opérations RMS essentielles de quadrillage, de moyennage et d'enracinement carré sont effectuées dans le cœur à l'aide d'un condensateur de moyennage externe CAV. Veuillez noter que sans CAV, le signal d'entrée redressé traverse le cœur sans être traité.

Enfin, un amplificateur de sortie met en mémoire tampon la sortie du noyau RMS et permet d'effectuer un filtrage passe-bas en option via le condensateur externe CF, qui est connecté sur le chemin de rétroaction de l'amplificateur.

Caractéristiques de IC AD736

• Les caractéristiques du CI sont énumérées ci-dessous
• Impédance d'entrée élevée: 10 ^ 12 Ω
• Courant de polarisation d'entrée faible: 25 pA maximum
• Haute précision: ± 0,3 mV ± 0,3% de la lecture
• Conversion RMS avec des facteurs de crête de signal jusqu'à 5
• Large plage d'alimentation: +2,8 V, −3,2 V à ± 16,5 V
• Faible puissance: courant d'alimentation maximal de 200 µA
• Sortie de tension tamponnée
• Aucune garniture externe nécessaire pour la précision spécifiée

Remarque: veuillez noter que le schéma fonctionnel, la description fonctionnelle et la liste des fonctionnalités sont extraits de la fiche technique et modifiés en fonction des besoins.

Méthodes de mesure True RMS vers DC

Il existe principalement trois méthodes disponibles que DVM utilise pour mesurer le courant alternatif, elles sont:

• Mesure True-RMS
• Mesure rectifiée moyenne
• Mesure True-RMS AC + DC

Mesure True-RMS

True-RMS est une méthode assez courante et populaire pour mesurer des signaux dynamiques de toutes formes et tailles. Dans un multimètre True-RMS, le multimètre calcule la valeur RMS du signal d'entrée et affiche le résultat. C'est pourquoi il s'agit d'une comparaison très précise avec une méthode de mesure rectifiée moyenne.

Mesure rectifiée moyenne

Dans un DVM redressé moyen, il prend la moyenne ou la valeur moyenne du signal d'entrée et la multiplie par 1,11 et affiche la valeur RMS. On peut donc dire qu'il s'agit d'un multimètre à affichage RMS rectifié moyen.

Mesure True-RMS AC + DC

Pour surmonter les failles d'un multimètre True-RMS, il existe la méthode de mesure True-RMS AC + DC. Si vous deviez mesurer un signal PWM avec un multimètre True-RMS, vous lirez la mauvaise valeur. Comprenons cette méthode avec quelques formules et vidéo, retrouvez la vidéo à la fin de ce tutoriel.

Calcul du convertisseur True RMS

La valeur RMS

La formule pour calculer la valeur RMS est décrite comme

Si nous faisons le calcul en considérant

V (t) = Vm Sin (poids) 0

Cela se résume à

Vm / (2) ^1/2

La valeur moyenne

La formule pour calculer la valeur moyenne est décrite comme

Si nous faisons le calcul en considérant

V (t) = Vm Sin (poids) 0

Cela se résume à

2Vm / ᴫ

Exemple de calcul Convertisseur True RMS vers DC

Exemple 1

Si nous considérons la tension crête à crête de 1 V et la mettons dans la formule pour calculer la tension RMS qui est, VRMS = Vm / √2 = 1 / √2 = 0,707 V

Considérant maintenant une tension de crête à crête de 1 V et la mettant dans la formule pour calculer la tension moyenne qui est, VAVE = 2VM / π = 2 * 1 / π = 2 / π = 0,637 V

Par conséquent, dans un DVM RMS non vrai, la valeur est étalonnée par un facteur de 1,11 qui provient de VRMS / VAVE = 0,707 / 637 = 1,11V

Exemple 2

Maintenant, nous avons une onde sinusoïdale CA pure crête à crête de 5V et nous la transmettons directement à un DVM qui a de vraies capacités RMS, pour cela le calcul serait, VRMS = Vm / √2 = 5 / √2 = 3,535 V

Maintenant, nous avons une onde sinusoïdale CA pure crête à crête de 5V, et nous la transmettons directement à un DVM qui est un DVM rectifié moyen, pour cela le calcul serait, VAVE = 2VM / π = 2 * 5 / π = 10 / π = 3,183 V

À ce stade, la valeur indiquée dans le DVM moyen n'est pas égale à celle du DVM RMS, de sorte que les fabricants codent en dur le facteur 1,11V pour compenser l'erreur.

Alors ça devient, VAVE = 3,183 * 1,11 = 3,535 V

Ainsi, à partir des formules et des exemples ci-dessus, nous pouvons prouver que comment un multimètre RMS non vrai calcule la tension alternative.

Mais cette valeur n'est précise que pour la forme d'onde sinusoïdale pure. Nous pouvons donc voir que nous avons besoin d'un vrai DVM RMS pour mesurer correctement une forme d'onde non sinusoïdale. Sinon, nous obtiendrons une erreur.

Choses à garder à l'esprit

Avant de faire les calculs pour l'application pratique, certains faits doivent être connus pour comprendre la précision lors de la mesure des tensions RMS à l'aide du circuit intégré AD736.

La fiche technique de l'AD736 indique les deux facteurs les plus importants à prendre en compte pour calculer le pourcentage d'erreur que ce circuit intégré produira lors de la mesure de la valeur RMS.

1. Fréquence de réponse
2. Facteur de crête

Fréquence de réponse

En observant les courbes sur le graphique, nous pouvons observer que la réponse en fréquence n'est pas constante avec l'amplitude mais plus l'amplitude que vous mesurez dans l'entrée de votre convertisseur IC, la réponse en fréquence diminue, et dans les plages de mesure inférieures à environ 1mv, il tombe soudainement de quelques kHz.

La fiche technique nous donne quelques chiffres sur ce sujet que vous pouvez voir ci-dessous

La limite pour une mesure précise est de 1%

Ainsi, nous pouvons clairement voir que si la tension d'entrée est de 1 mv et la fréquence de 1 kHz, elle atteint déjà la marque d'erreur supplémentaire de 1%. Je suppose que maintenant vous pouvez comprendre les autres valeurs.

REMARQUE: La courbe de réponse en fréquence et le tableau sont tirés de la fiche technique.

Facteur de crête

En termes simples, le facteur de crête est le rapport entre la valeur de crête et la valeur RMS.

Facteur de crête = VPK / VRMS

Par exemple, si nous considérons une onde sinusoïdale pure avec une amplitude de

VRMS = 10 V

La tension de crête devient

VPK = VRMS * √2 = 10 * 1,414 = 14,14

Vous pouvez clairement le voir sur l'image ci-dessous tirée de wikipedia

Le tableau ci-dessous de la fiche technique nous indique que si le facteur de crête calculé est compris entre 1 et 3, nous pouvons nous attendre à une erreur supplémentaire de 0,7% sinon nous devons considérer 2,5% d'erreur supplémentaire ce qui est vrai pour un signal PWM.

Schéma du vrai convertisseur RMS utilisant IC AD736

Le schéma ci-dessous pour le convertisseur RMS est extrait de la fiche technique et modifié en fonction de nos besoins.

Composants requis

Sl.Non	les pièces	Type	Quantité
1	AD736	IC	1
2	100 000	Résistance	2
3	10uF	Condensateur	2
4	100uF	Condensateur	2
5	33uF	Condensateur	1
6	9V	Batterie	1
sept	Fil de calibre unique	Générique	8
8	Transformateur	0 à 4,5 V	1
9	Arduino Nano	Générique	1
dix	Planche à pain	Générique	1

Convertisseur True RMS vers DC - Calculs et tests pratiques

Pour la démonstration, l'appareil suivant est utilisé

1. Multimètre Meco 108B + TRMS
2. Multimètre Meco 450B + TRMS
3. Oscilloscope Hantek 6022BE

Comme le montre le schéma, un atténuateur d'entrée est utilisé, qui est essentiellement un circuit diviseur de tension pour atténuer le signal d'entrée du circuit intégré AD736, car la tension d'entrée à pleine échelle de ce circuit intégré est de 200 mV MAX.

Maintenant que nous avons des faits de base clairs sur le circuit, commençons les calculs pour le circuit pratique.

Calculs RMS pour une onde sinusoïdale CA de 50 Hz

Tension du transformateur: 5,481 V RMS, 50 Hz

Valeur de la résistance R1: 50,45 K

Valeur de la résistance R1: 220R

Tension d'entrée du transformateur

Maintenant, si nous mettons ces valeurs dans un calculateur de diviseur de tension en ligne et calculons, nous obtiendrons la tension de sortie de 0,02355 V OU 23,55 mV

Maintenant, l'entrée et la sortie du circuit sont clairement visibles.

Sur le côté droit, le multimètre Meco 108B + TRMS affiche la tension d'entrée. C'est la sortie du circuit diviseur de tension.

Sur le côté gauche, le multimètre Meco 450B + TRMS affiche la tension de sortie. C'est la tension de sortie du circuit intégré AD736.

Vous pouvez maintenant voir que le calcul théorique ci-dessus et les résultats du multimètre sont proches, donc pour une onde sinusoïdale pure, cela confirme la théorie.

L'erreur de mesure dans les résultats du multimètre est due à leur tolérance et pour la démonstration, j'utilise l'entrée secteur 230V AC, qui change très rapidement avec le temps.

En cas de doute, vous pouvez zoomer sur l'image et voir que le multimètre Meco 108B + TRMS est en mode AC et le multimètre Meco 450B + TRMS est en mode DC.

À ce stade, je n'ai pas pris la peine d'utiliser mon oscilloscope hantek 6022BL car l'oscilloscope est pratiquement inutile et ne montre que du bruit à ces faibles niveaux de tension.

Calculs pour le signal PWM

Pour la démonstration, un signal PWM est généré à l'aide d'un Arduino. La tension de la carte Arduino est de 4,956V et la fréquence est de presque 1 kHz.

Tension maximale de la carte Arduino: 4,956 V, 989,3 Hz

Valeur de la résistance R1: 50,75 K

Valeur de la résistance R1: 220R

Tension d'entrée sur la carte Arduino

Maintenant, mettez ces valeurs dans un calculateur de diviseur de tension en ligne et calculez, nous obtiendrons la tension de sortie de 0,02141 V OU 21,41 mV.

C'est la tension de crête du signal PWM d'entrée et pour trouver la tension RMS, nous devons simplement la diviser par √2 afin que le calcul devienne

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

En théorie, un multimètre True-RMS pourra facilement calculer cette valeur théoriquement calculée, n'est-ce pas?

En mode DC

En mode AC

Le transformateur de l'image est assis là et ne fait rien. Avec cela, vous pouvez voir que je suis une personne très paresseuse.

Alors quel est le problème?

Avant que quiconque saute et dise que nous avons mal fait les calculs, laissez-moi vous dire que nous avons bien fait les calculs et que le problème réside dans les multimètres.

En mode DC, le multimètre prend simplement la moyenne du signal d'entrée que nous pouvons calculer.

Ainsi, la tension d'entrée est de 0,02141V et pour obtenir la tension moyenne, il multiplie simplement la valeur par 0,5.

Alors le calcul devient, VAVE = 0,02141 * 0,5 = 0,010705 V ou 10,70 mV

Et c'est ce que nous obtenons dans l'affichage du multimètre.

En mode CA, le condensateur d'entrée du multimètre bloque les composants CC du signal d'entrée, de sorte que le calcul devient à peu près le même.

Maintenant, comme vous pouvez le voir clairement, dans cette situation, les deux lectures sont absolument fausses. Ainsi, vous ne pouvez pas faire confiance à l'affichage du multimètre. C'est pourquoi il existe des multimètres avec des capacités True RMS AC + DC qui peuvent facilement mesurer ce type de formes d'onde avec précision. Par exemple, l'extech 570A est un multimètre avec des capacités True RMS AC + DC.

L' AD736 est une sorte de circuit intégré utilisé pour mesurer avec précision ces types de signaux d'entrée. L'image ci-dessous est la preuve de la théorie.

Nous avons maintenant calculé que la tension RMS était de 15,14 mV. Mais le multimètre affiche 15,313 mV car nous n'avons pas pris en compte le facteur de crête et la réponse en fréquence du circuit intégré AD736.

Comme nous avons calculé le facteur de crête, il est de 0,7% de la valeur calculée, donc si nous faisons le calcul, il se résume à 0,00010598 ou 0,10598 mV

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

Ou

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

Ainsi, la valeur affichée par le multimètre Meco 450B + se situe clairement dans la plage d'erreur de 0,7%

Code Arduino pour la génération PWM

J'ai presque oublié de mentionner que j'ai utilisé ce code Arduino pour générer le signal PWM avec un cycle de service de 50%.

int OUT_PIN = 2; // onde carrée avec 50% de cycle d'utilisation void setup () {pinMode (OUT_PIN, OUTPUT); // définissant la broche comme sortie} void loop () {/ * * si nous convertissons 500 microsecondes en secondes, nous obtiendrons 0,0005S * maintenant si nous le mettons dans la formule F = 1 / T * nous obtiendrons F = 1 / 0,0005 = 2000 * la broche est allumée pendant 500 uS et désactivée pendant 500 us donc la * fréquence devient F = 2000/2 = 1000Hz ou 1Khz * * / digitalWrite (OUT_PIN, HIGH); delayMicrosecondes (500); digitalWrite (OUT_PIN, LOW); delayMicrosecondes (500); }

Vous pouvez en savoir plus sur la génération de PWM avec Arduino ici.

Précautions

Le circuit intégré de conversion AD736 True RMS vers DC est de loin le circuit intégré PDIP à 8 broches le plus cher avec lequel j'ai travaillé.

Après en avoir complètement détruit un avec ESD, j'ai pris les précautions nécessaires et je me suis attaché au sol.

Améliorations du circuit

Pour la démonstration, j'ai réalisé le circuit dans une maquette sans soudure, ce qui n'est absolument pas recommandé. C'est pourquoi l'erreur de mesure augmente après une certaine plage de fréquences. Ce circuit a besoin d' un PCB bon avec le bon de plan de goudron au sol afin de fonctionner correctement.

Applications du convertisseur True RMS vers DC

Il est utilisé dans

• Voltmètres et multimètres de haute précision.
• Mesure de tension non sinusoïdale de haute précision.

J'espère que vous avez aimé cet article et en avez appris quelque chose de nouveau. Si vous avez le moindre doute, vous pouvez demander dans les commentaires ci-dessous ou utiliser nos forums pour une discussion détaillée.

Une vidéo détaillée montrant le processus de calcul complet est donnée ci-dessous.