Convertidor True RMS

Para la medición de una corriente alterna, la señal se suele convertir en una corriente continua de valor equivalente, el valor eficaz (RMS). Los instrumentos y convertidores de señal sencillos realizan esta conversión filtrando la señal para obtener un valor rectificado promedio y aplicando un factor de corrección. El valor del factor de corrección aplicado solo es correcto si la señal de entrada es sinusoidal .

El valor RMS verdadero proporciona un valor más preciso, proporcional a la raíz cuadrada del promedio del cuadrado de la curva, y no al promedio del valor absoluto. Para cualquier forma de onda dada , la relación entre estos dos promedios es constante y, dado que la mayoría de las mediciones se realizan sobre ondas (nominalmente) sinusoidales, el factor de corrección asume esta forma de onda; sin embargo, cualquier distorsión o desviación generará errores. Para lograr esto , un convertidor RMS verdadero requiere un circuito más complejo.

Si una forma de onda se ha digitalizado, se puede calcular directamente el valor RMS correcto. La mayoría de los osciloscopios digitales y basados ​​en PC incluyen una función para obtener el valor RMS de una forma de onda. La precisión y el ancho de banda de la conversión dependen completamente de la conversión analógica a digital. En la mayoría de los casos, las mediciones RMS reales se realizan en formas de onda repetitivas, y en tales condiciones, los osciloscopios digitales (y algunos multímetros de muestreo sofisticados) pueden alcanzar anchos de banda muy altos, ya que muestrean a una frecuencia mucho mayor que la frecuencia de la señal para obtener un efecto estroboscópico.

La potencia disipada a través de una carga resistiva es la misma para cualquier forma de onda de un voltaje RMS dado. Por ejemplo, cualquier señal RMS de 1 V   disipará exactamente1  W de potencia a través de unResistencia de 1  Ω independientemente de si se trata de una tensión continua constante de 1 V ,   una onda sinusoidal con una tensión pico de √2 V o cualquier otra forma de onda, por compleja o simple que sea. Este es el principio que utilizan los convertidores térmicos para medir la tensión eficaz de las señales.

La señal bajo prueba (SUT) se aplica a través de un elemento calefactor resistivo y el aumento de temperatura resultante se compara con una señal conocida para obtener una medición de la tensión RMS. Esto se suele realizar mediante un segundo elemento calefactor idéntico controlado por un amplificador diferencial en retroalimentación, con el objetivo de aplicarle una tensión tal que su temperatura se mantenga siempre igual a la del calentador alimentado por la SUT ^{[ 1 ]} . La tensión resultante del amplificador es el equivalente en CC de la tensión RMS de la SUT ^{[ 2 ] .}

Los convertidores RMS térmicos, cuando están correctamente construidos, presentan un error extremadamente bajo incluso en anchos de banda y formas de onda extremos. ^{[ 3 ]} Por esta razón, los convertidores RMS térmicos son utilizados frecuentemente por organizaciones de normalización como el NIST ^{[ 4 ]} para medir señales de CA con extrema precisión. Debido a su tamaño físico y a la complejidad de su diseño y construcción, este tipo de convertidor RMS rara vez se encuentra en voltímetros digitales portátiles , pero los medidores de potencia RMS basados ​​en tecnología térmica se utilizan a menudo en equipos de prueba de microondas y son la norma en frecuencias de ondas milimétricas (MMW) .

Los circuitos electrónicos analógicos pueden utilizar:

• Un multiplicador analógico en una configuración específica que multiplica la señal de entrada por sí misma (la eleva al cuadrado), promedia el resultado con un condensador y luego calcula la raíz cuadrada del valor (a través de un circuito multiplicador/elevador al cuadrado en el bucle de retroalimentación de un amplificador operacional ).
• Un circuito rectificador de precisión de onda completa para crear el valor absoluto de la señal de entrada, que se alimenta a un amplificador logarítmico , se duplica y se alimenta a un amplificador exponencial como medio para derivar la función de transferencia de ley cuadrática x ² = e ^{2 ln | x |} , y luego se realiza el promedio temporal y la raíz cuadrada, de manera similar a lo anterior.
• Un detector de precisión en el dominio logarítmico ( detector RMS de Blackmer ) también calcula el logaritmo del valor absoluto de la señal de entrada; sin embargo, el promedio temporal se realiza sobre el logaritmo, en lugar del cuadrado, de la entrada. La salida es logarítmica (escala de decibelios), con un ataque rápido pero una atenuación lenta y lineal. ^{[ 5 ]}
• Se puede utilizar un transistor de efecto de campo para crear directamente la función de transferencia cuadrática, antes de promediar en el tiempo.

A diferencia de los convertidores térmicos, están sujetos a limitaciones de ancho de banda , lo que los hace inadecuados para la mayoría de las aplicaciones de radiofrecuencia . El circuito previo al promedio temporal es crucial para un rendimiento óptimo en altas frecuencias. La limitación de la velocidad de respuesta del amplificador operacional utilizado para generar el valor absoluto (especialmente a bajos niveles de señal de entrada) tiende a hacer que el segundo método sea el menos eficiente en altas frecuencias, mientras que el método FET puede funcionar cerca de VHF.

Circuito detector de verdadero valor eficaz (PDF) (Informe técnico). Texas Instruments / National Semiconductor . Junio ​​de 1973. pág. 2. SNOA690, Resumen lineal 25.