Projeto de Medidores de Tensão e Corrente AC: Da Retificação à Medição True-RMS

Movimentos de medidores eletromecânicos para corrente alternada são geralmente divididos em dois grupos: adaptações de projetos de corrente contínua (DC) e unidades especificamente projetadas para medição AC.

Movimentos de bobina móvel com ímã permanente (PMMC) não podem ser conectados diretamente a AC. O ponteiro oscilaria a cada meio ciclo, produzindo vibração inútil (veja figura abaixo).

Dispositivos de ímã permanente, como motores, dependem da polaridade da tensão aplicada ou direção da corrente. Quando AC é aplicado, a polaridade inverte a cada meio ciclo, causando movimento de vai-e-vem do ponteiro.

Passando AC através de movimento de medidor D'Arsonval produz vibração rápida e ineficaz do ponteiro.

Para empregar movimento estilo DC como o design D'Arsonval, o sinal AC deve primeiro ser retificado para DC. O método mais comum usa diodos, que atuam como válvulas unidirecionais para fluxo de corrente. Quatro diodos em configuração ponte garantem que a corrente através do movimento do medidor sempre flua em única direção, independentemente do ciclo AC.

AC retificado aplicado a movimento de medidor com retificação ponte aciona ponteiro consistentemente em uma direção.

Alternativamente, movimentos de medidor específicos para AC podem ser projetados para evitar sensibilidade de polaridade inerente a tipos DC. Abordagem comum usa palheta de ferro não magnetizada atraída para bobina estacionária energizada pela grandeza AC medida, como ilustrado abaixo.

Movimento eletromecânico de medidor palheta de ferro.

Atração eletrostática entre duas placas metálicas separadas por gap de ar oferece outro mecanismo para gerar força movendo ponteiro proporcional à tensão aplicada. Embora este método funcione igualmente bem para AC e DC, as forças são tipicamente muito pequenas, tornando tais movimentos frágeis e suscetíveis a perturbação. No entanto, medidores eletrostáticos são atraentes para aplicações AC de alta tensão devido à sua impedância de entrada extremamente alta e capacidade de medir grandes tensões sem resistores de faixa externos.

Quando movimento de medidor eletrostático ou outro básico precisa ser calibrado para uso AC, resistores "multiplicadores" em série ou divisores de tensão resistivos são empregados, assim como no projeto de medidores DC:

Resistor multiplicador (a) ou divisor resistivo (b) escala faixa do movimento básico do medidor.

Usar capacitores em vez de resistores para o divisor oferece solução não-dissipativa, eliminando geração de calor. Esta técnica é particularmente vantajosa para medições AC de alta tensão.

Voltímetro AC empregando divisor capacitivo.

Para movimentos de medidor eletrostáticos — que são inerentemente capacitivos — um único capacitor "multiplicador" pode ser adicionado em série para estender faixa de tensão mensurável, análogo a resistor multiplicador para medidores de bobina móvel.

Movimento de medidor eletrostático pode usar multiplicador capacitivo para aumentar sua faixa.

A abordagem de medição por tubo de raios catódicos (CRT), descrita no capítulo DC, também é bem adequada para medição de tensão AC. Varendo feixe de elétrons lateralmente pela tela enquanto sinal AC aciona deflexão vertical, o dispositivo pode exibir forma de onda, não apenas leitura de magnitude. No entanto, CRTs são volumosos, consomem potência significativa, e são frágeis devido à construção de vidro evacuado, limitando seu uso prático.

Movimentos de medidores eletromecânicos AC ainda desempenham papel essencial em muitas aplicações. Consideração crítica para projetistas e usuários é a medição de valores RMS (raiz quadrada média), que fornecem comparação significativa entre potência AC e DC.

Enquanto medidores D'Arsonval retificados, palheta de ferro e eletrostáticos naturalmente entregam valor médio do sinal instantâneo, esta média não é equivalente a RMS. A tabela a seguir ilustra a relação entre RMS, média e valores pico-a-pico para ondas senoidal, quadrada e triangular:

Valores RMS, médios e pico-a-pico para ondas senoidal, quadrada e triangular.

Como medidores eletromecânicos inerentemente reportam valores médios, projetistas frequentemente "trapaceiam" assumindo forma de onda senoidal pura. Para onda senoidal, RMS iguala 0,707 vezes valor de pico, enquanto média iguala 0,637 vezes pico. Dividindo estes obtém fator de conversão média-para-RMS de 1,109:

Consequentemente, o movimento do medidor é calibrado para indicar aproximadamente 1,11 vezes a leitura natural, alinhando com valor RMS verdadeiro para ondas senoidais. Esta abordagem falha para formas de onda não-senoidais como triangular ou quadrada, onde razões RMS-para-média diferem significativamente.

Para ondas quadradas, RMS iguala média, mas para ondas triangulares o fator de conversão difere. Estas discrepâncias tornam-se críticas em sistemas de potência modernos onde distorção harmônica é comum.

Medidores CRT, que exibem pico ou pico-a-pico da forma de onda, também enfrentam esta limitação; determinar RMS a partir de medição de pico requer conhecimento da forma de onda.

Solução mais robusta é projetar medidor que meça RMS diretamente explorando definição de RMS como valor de aquecimento de sinal AC em carga resistiva. Conectando fonte AC através de resistor de valor conhecido e medindo calor resultante com termopar, o medidor pode fornecer leitura true-RMS independente de forma de onda:

Voltímetro RMS térmico de leitura direta acomoda qualquer forma de onda.

Embora o conceito seja direto, implementação prática apresenta desafios de engenharia. No entanto, o princípio — converter potência elétrica em calor e medir esse calor — foi adotado em multímetros portáteis de alta gama para capacidade true-RMS.

Calibrar voltímetros e amperímetros AC através de diferentes faixas segue mesmos princípios usados para instrumentos DC: resistores multiplicadores em série (ou capacitores) estendem faixas de tensão, enquanto resistores shunt em paralelo acomodam correntes maiores. Adicionalmente, transformadores — particularmente transformadores de potencial (PTs) e transformadores de corrente (CTs) — permitem escalonamento eletromagnético de faixas, permitindo pequenos movimentos de medidor medirem grandes tensões ou correntes com isolamento elétrico.

CT escala corrente para baixo; PT escala tensão para baixo.

Em painel AC trifásico típico, CTs toroidais são colocados atrás da carcaça do medidor, enquanto três amperímetros AC de fundo de escala 5 A indicam corrente em cada condutor através dos CTs. Quando painel é descomissionado, CTs permanecem, mas condutores não estão mais presentes:

CTs toroidais escalam níveis altos de corrente para amperímetros AC de 5 A.

Como transformadores de instrumento são caros e frequentemente grandes, são reservados para aplicações de alta tensão ou alta corrente. Para medições de faixa menor — como escalar miliamperímetro para 120 V ou 5 A — resistores de precisão (multiplicadores e shunts) são usados, assim como com medidores DC.

REVISÃO:

• Movimentos de medidores polarizados (DC) requerem diodos para medir grandezas AC.
• Movimentos de medidores eletromecânicos — sejam eletromagnéticos ou eletrostáticos — naturalmente fornecem valores médios; podem ser calibrados para indicar RMS apenas se forma de onda for conhecida antecipadamente.
• Medidores true-RMS empregam tecnologia especializada para entregar indicações RMS precisas independentemente de forma de onda.