True RMS převodník pro voltmetr

Číslicový multimetr patří do výbavy téměř každého (i začínajícího) elektrotechnika. Nejjednodušší typy jsou poměrně levné a při měření v obvodech stejnosměrného proudu dokáží s danou přesností odvést svoji práci podobně jako dražší přístroje.

Rozdíl se však projeví při měření střídavých napětí či proudů, kdy potřebujeme znát efektivní hodnotu. Levný přístroj je obvykle schopen měření vyšší hodnoty harmonického proudu s frekvencí 50 Hz. Jakmile požadujeme měření na jiné frekvenci nebo jiném průběhu vstupního signálu, museli bychom sáhnout po lepším přístroji s funkcí měření "True RMS" (TRMS). Převodník, který by doplnil levný multimetr pro TRMS měření, není příliš složitý. A přitom může mít parametry dokonce lepší než některé mnohem dražší přístroje.

Parametry převodníku

Zapojení převodníku TRMS

Obvod je jednoduchý. Vychází z doporučeného zapojení podle obr. č. 28 v technickém listu [1] k integrovanému obvodu AD737:

Jak již bylo řečeno, jádrem celého přípravku je integrovaný obvod AD737. Změny proti katalogovému zapojení se lehce dotkly 4 částí:

1. U vstupního děliče se změnila hodnota kondenzátoru C1 na 22 nF. Vstupní dělič tvoří s tímto kondenzátorem horní propust. Aby byla dělicí frekvence propusti co nejmenší, měla by být kapacita C1 co největší. Lepší by byla hodnota kolem 100 nF, ale kondenzátor na alespoň 630 V je již větších rozměrů a byl by problém s místem v krabičce. Zvolená hodnota je jistým kompromisem. Máte-li k dispozici kondenzátor na 630 s vyšší kapacitou, než je uvedená a který se vleze do krabičky, použijte jej. Aby vstupní dělič pracoval i při vyšších frekvencích, jsou paralelně k rezistorům děliče doplněny kondenzátory, které na vyšších frekvencích pomáhají zajistit funkci děliče.
2. Výstupní filtr R7 a C9 byl upraven tak, aby umožňoval připojit k přípravku i voltmetry s vnitřním odporem např. 10 MΩ bez ovlivnění výsledku měření.
3. Napájení je zajištěno z 9 V baterie. Přes R8 a D3 je vytvořena "umělá zem" na napětí asi 5,1 V. Diody D1 a D4 se pak otevírají při velkém kladném napětí na vstupu a spolu s R6 chrání vstup integrovaného obvodu proti kladnému přepětí. Podobně by měly zafungovat D2, D3 a R6 při záporné špičce na vstupu.
4. Přístroj napájený z baterií, je vhodné po použití vypnout, aby se baterie zbytečně nevybíjely. Obsluha má přehled o zapnutí přístroje díky LED D5. Na jejím místě je vhodné použít samoblikající typ, protože blikající kontrolka je výraznější než obyčejná LED. Rezistor R9 snižuje proud přes D5 na přijatelnou úroveň, aby kontrolka nevybíjela baterii mnohokrát více než vlastní převodník.

Z uvedených součástek jsou kritické především součástky vstupního děliče C2 až C6 a R1 až R5. Měly by být vybrány pomocí přesnějšího měřiče tak, aby poměr jejich hodnot byl 1:9:90:900:9000 (pro kondenzátory počítejte s hodnotami 1/C). Kromě rezistoru s nejnižší hodnotou je potřeba další rezistory složit ze dvou či více kusů v sérii. Na R1 jsou kladeny také napěťové požadavky, protože musí snést pracovní napětí alespoň 600V a je nutné jej složit sériově z více kusů, na které se napětí rozdělí.

Kondenzátory v děliči by měly být teplotně stabilní typy. Pro C2 a C3 jsou vhodné keramické NP0 na vyšší napětí (C2 alespoň 1000V a C3 na 500V). Na pozice C4 až C6 použijte kvalitní fóliové typy. Běžná keramika používaná na blokovací účely je teplotně nestabilní a tedy nevhodná.

Konstrukce převodníku

Když pomineme vstupní dělič a obvod kontrolky, zůstane nám jednoduché jádro tvořené vlastním IO doplněným několika součástkami. Protože jde o jednoduchý obvod, nebyl pro převodník navržen plošný spoj. Konstrukce využila jako nosič součástek vstupního děliče otočný přepínač. Obvod AD737 v SMD provedení byl připájen na malou univerzální destičku používanou jako redukce z pouzdra SOIC8 na DIL8. Tato destička je pak připájena ke kousku univerzálního plošného spoje přichyceného jedním vrutem do krabičky. Další součástky se pak umístily stylem "vrabčí hnízdo" na vhodné plošky obou destiček.

Před vlastní stavbou převodníku doporučuji si nachystat součástky vstupního děliče. U nich není důležitá hodnota jednotlivých členů děliče, je však potřeba aby odpor rezistorů a 1/C u kondenzátorů bylo v poměru zmíněném výše a nelišily se od tohoto poměru o více než 1%. Součástky požadovaných hodnot a tolerance asi nekoupíte. Nejlepší je použít kvalitní měřič R a C a vybrat vhodné součástky z většího počtu kusů.

Stavbu pak zahajte mechanickým upevněním dílů do krabičky. Vstupní zdířky, otočný přepínač a kontrolní LED vyžadují vyvrtání odpovídající dírky do krabičky. Po uchycení těchto dílů a připevnění pl. spoje s AD737, můžete začít pájet další součástky. Kolem C1, C2, R1 a R6 je potřeba pohlídat izolační mezery, případně je dát do izolační bužírky. Na těchto součástkách se může objevit vyšší napětí.

Převodník nevyžaduje žádné nastavování. Při použití kvalitních změřených součástek by měl fungovat na první zapojení. Po sestavení můžete pouze zkontrolovat, zda je na D3 kolem 5,1 V.

Závěr

Seženete-li obvod AD737, můžete si snadno doplnit svůj starší a jednoduchý voltmetr o funkci měření efektivní hodnoty napětí. Uplatnění může přípravek najít např. při měření nf zesilovače na různých frekvencích apod.

Literatura:

[1] Analog Devices: Low Cost, Low Power True RMS-to-DC Converter AD737, 10/08 Rev. H