Chapitre 7 - Appareils de mesure pour courant continu
Mon premier cours en électronique
voir aussi :
Le Multimètre et Comment utiliser un multimètre
Les mesures de résistances, de courants et de tensions se font généralement à l'aide d'un appareil combiné volt-ohm-milliampèremètre (VOM) comme celui de la figure 7-1.
Figure 7-1
Utilisation d'un appareil combiné (voltmètre-ohmmètre-milliampèremètre) pour les mesures de tensions et de résistances:
(a) pour obtenir la tension, brancher les fils de test du voltmètre aux bornes de la différence de potentiel à mesure. Noter la polarité de la tension;
(b) pour obtenir la résistance, brancher les fils de test de l'ohmmètre aux bornes de R, l'alimentation étant coupée. La polarité des fils de l'appareil n'intervient pas dans le cas de la résistance.
Pour mesurer la tension, on doit brancher les fils de mesure du voltmètre aux bornes des points dont on veut mesurer la différence de potentiel, comme en (a).
De même, si on utilise l'ohmmètre, il faut brancher les deux connexions d'essai aux bornes de la résistance à mesurer, comme en (b), mais l'alimentation doit être débranchée.
En effet, la résistance à mesurer est alimentée directement par la propre pile interne de l'ohmmètre. Pour mesurer le courant, l'appareil de mesure est connecté comme un composant monté en série dans le circuit.
Un appareil de mesure combiné s'emploie en général comme un appareil contrôleur multiple pour vérifier V, I et R, afin de dépanner les circuits électroniques. Des détails sur ces appareils de mesure sont donnés dans les sections suivantes:
7.1 Appareil de mesure à cadre mobile
7.2 Mesure de courant
7.3 Shunts d'appareil de mesure
7.4 Shunt universel
7.5 Voltmètres
7.6 Effet de charge d'un voltmètre
7.7 Ohmmètres
7.8 Multimètres
7.9 Appareils de mesure numériques
7.10 Applications des appareils de mesure
7.11 Vérification de la continuité avec un ohmmètre
7.1 APPAREIL DE MESURE À CADRE MOBILE
Ce type d'équipage mobile, illustré à la figure 7-2, s'utilise en général dans un appareil de mesure universel (VOM).
Figure 7-2 Réalisation d'un appareil de mesure à cadre mobile. (Weston Eïectrical Instrument Corporation)
Sa construction comporte principalement une bobine (appelée cadre) de fil fin placée sur un tambour et montée entre les pôles d'un aimant permanent. Lorsque le courant continu passe dans le cadre, le champ magnétique du courant réagit au champ de l'aimant.
La force qui en résulte fait tourner le tambour avec son aiguille. L'importance de la déviation indique la valeur du courant dans la bobine. Une polarité correcte permet à l'aiguille de se déplacer vers le haut de l'échelle graduée vers la droite, une polarité inverse force l'aiguille vers la gauche, au bas de l'échelle.
La déviation de l'aiguille est directement proportionnelle à l'intensité de courant dans la bobine.
Si le courant nécessaire à une déviation complète sur l'échelle graduée est de 100 µA, 50 µA dans la bobine produiront une déviation de la moitié de l'échelle graduée.
La précision du mécanisme de l'appareil de mesure à cadre mobile est de 0,1 % à 2 %.
Le principe du cadre mobile s'applique à différents types d'appareils de mesure portant des dénominations différentes. Un galvanomètre est un instrument extrêmement sensible destiné à mesurer des valeurs de courant extrêmement faibles.
Des galvanomètres de laboratoire comprennent un cadre mobile suspendu muni d'un système optique pour amplifier une petite déviation, et sont capables de mesurer une faible fraction de microampère. Un galvanomètre balistique s'utilise pour lire la valeur d'un faible courant momentané afin de mesurer une charge électrique.
On appelle souvent équipage d'Arsonval l'arrangement du cadre suspendu dans un galvanomètre d'après son inventeur qui breveta cet équipage de mesure en 1881. L'appareil de mesure à cadre mobile pratique et courant de la figure 7-2 est un équipage Weston.
Valeur de IM Le courant
IM provoquant le déplacement de l'aiguille sur toute l'échelle représente la quantité nécessaire pour dévier l'aiguille complètement sur la droite jusqu'à la dernière marque de l'échelle graduée.
Les valeurs caractéristiques de IM pour les équipages Weston vont d'environ 10 µA à 30 mA.
Des courants plus faibles exigent plus de fil dans le cadre mobile pour que le champ magnétique du courant soit assez fort, afin de pouvoir réagir sur le champ de l'aimant permanent pour mettre l'aiguille en mouvement. Il faut utiliser du fil fin pour diminuer le poids du cadre mobile.
Dans le cas contraire, des courants plus forts exigent un fil plus épais, ce qui peut alourdir le cadre. Toutefois, il est possible d'accroître la gamme de courant de l'équipage jusqu'à presque n'importe quelle valeur en utilisant les shunts d'appareils de mesure, comme l'explique la section 7.3.
Par exemple, IM vaut 50 µA pour le microampèremètre de la figure 7-3.
Figure 7-3 Microampèremètre dont la graduation est munie d'un miroir pour minimiser l'erreur de parallaxe:
(a) photographie de l'appareil de mesure;
(b) symbole pour les schémas. (Weston Electrical Instrument Corporation)
Remarquez le miroir le long de l'échelle graduée destiné à éliminer l'erreur de parallaxe. On lit l'appareil lorsque l'aiguille et son image dans le miroir sont confondues. On élimine ainsi l'erreur optique de parallaxe si on regarde l'appareil de mesure latéralement.
Dans les schémas, le symbole de cet appareil de mesure de courant est un cercle, comme en (b).
Valeurs de rM
II s'agit de la résistance interne du fil du cadre mobile. Les valeurs caractéristiques s'étalent de 1,2 Ω pour un équipage mobile de 30 mA jusqu'à 2000 Ω pour un équipage mobile de 50 µA.
Un équipage mobile ayant un IM plus faible a une résistance rM plus élevée car il faut de nombreux tours de fil fin. La valeur moyenne de rM pour un équipage mobile de 1 mA est de 120 Ω environ.
Appareils de mesure à bande tendue
L'équipage mobile de l'appareil de mesure peut être construit en suspendant le cadre mobile et l'aiguille au moyen d'une bande métallique, remplaçant le pivot et le rubis avec un ressort de rappel.
Ces deux types d'équipages mobiles ont des caractéristiques identiques de fonctionnement.
Mais, en général, les appareils de mesure à bande tendue ont des résistances rM plus faibles car il est possible d'utiliser un cadre plus petit pour entraîner l'aiguille vers le haut de l'échelle graduée.
Problèmes pratiques 7.1 (réponses à la fin du chapitre)
(a) Comment doit-on brancher un voltmètre: en parallèle ou en série?
(b) Comment doit-on brancher un milliampèremètre: en parallèle ou en série?
7.2 MESURE DE COURANT
II ne faut jamais oublier les deux faits suivants très importants, que l'on mesure des ampères, des milliampères ou des microampères:
1. L'équipage mobile doit être branché en série dans le circuit parcouru par le courant à mesurer. La valeur de la déviation est fonction du courant traversant l'équipage.
Dans un circuit série, l'intensité de courant est la même dans tous les composants successifs. C'est pourquoi le courant à mesurer doit passer par l'appareil de mesure comme un composant en série du circuit.
2. Un ampèremètre pour courant continu doit être branché sur la bonne polarité permettant de lire l'appareil de mesure vers le haut de l'échelle.
Une polarité inversée donne une lecture vers le bas de l'échelle, coinçant l'aiguille contre la butée placée à gauche, ce qui pourrait courber l'aiguille.
Comment connecter en série un ampèremètre
Comme l'indique la figure 7-4, le circuit doit être ouvert à un certain point pour permettre de monter l'ampèremètre en série dans le circuit.
Figure 7-4 Montage d'un ampèremètre en série dans un circuit:
(a) circuit sans l'appareil de mesure;
(b) ouverture du circuit entre les points b et c pour montage de l'ampèremètre;
(c) appareil branché entre R1 et R2, en série dans le circuit.
Étant donné que les résistances R1, R2 et R3 ainsi que l'ampèremètre sont en série, le courant sera le même dans chaque élément et l'appareil de mesure indiquera quel est le courant en tous points du circuit série.
Si la tension VT est de 150 V avec une résistance en série globale de 1500 Ω, le courant sera de 0,1 A ou de 100 m A. Cette valeur représente le courant traversant R1, R2 et R3 et la batterie comme on le montre en (a).
Remarquons qu'en (b) le circuit est ouvert au point de liaison de R1 et R2 pour permettre l'insertion de l'appareil de mesure.
En (c), l'appareil de mesure complète le circuit série permettant de lire un courant de 100 mA. Un appareil de mesure inséré en série en un point quelconque du circuit indiquera un courant identique.
Comment connecter un appareil de mesure pour courant continu selon la bonne polarité
Un appareil de mesure pour courant continu possède des bornes dont la polarité est indiquée soit à l'aide d'un signe + et d'un signe -, soit à l'aide de la couleur rouge pour indiquer + et de la couleur noire pour indiquer - .
Les électrons circulent dans l'équipage mobile en entrant par le côté négatif et sortant du côté positif, ce qui permet ainsi la lecture de l'appareil de mesure dans le sens croissant de l'échelle graduée.
Pour obtenir une polarité correcte de l'appareil de mesure, il faut toujours brancher sa borne négative au point du circuit relié au côté négatif de la source de tension sans passer par l'appareil de mesure.
De même, la borne positive de l'appareil de mesure retourne à la borne positive de la source de tension (figure 7-5).
Figure 7-5 Branchement correct d'un appareil de mesure en respectant les polarités.
On voit que la borne négative de l'appareil de mesure est reliée à la résistance R2 car ce parcours, qui comprend la résistance R1, la relie à la borne négative de la batterie.
La borne positive de l'appareil de mesure est connectée à la résistance R3.
Les électrons du circuit iront vers le côté négatif de l'appareil de mesure en passant par les résistances R1 et R2, ils circuleront dans l'équipage mobile et sortiront de l'appareil de mesure en retournant par la résistance R3 vers la borne positive de la batterie.
Un ampèremètre doit présenter une très faible résistance
Reportons-nous à la figure 7-4. Le milliampèremètre de la figure c indique 100 mA, car sa résistance est négligeable par rapport à la résistance en série totale R de 1500 Ω. Dans ce cas, le courant I est le même avec ou sans appareil de mesure.
En général, la résistance d'un ampèremètre doit être très faible par rapport à la résistance R du circuit dont on mesure le courant.
Nous la prendrons arbitrairement égale au 1/100 de la résistance du circuit.
Ainsi, dans le circuit de la figure 7-4, la résistance de l'ampèremètre devra être inférieure à 1500/100 = 15 Ω. En réalité, un ampèremètre devant mesurer 100 mA aura une résistance interne R d'environ 1 Ω ou moins du fait de la résistance de son shunt interne.
Plus la gamme des courants de l'ampèremètre est élevée, plus sa résistance est petite.
La figure 7-6 illustre le cas extrême d'un ampèremètre à résistance R beaucoup trop élevée.
Figure 7-6 Exemple d'un microampèremètre à trop grande résistance:
(a) sans l'appareil de mesure, le circuit est parcouru par un courant I de 50 µA;
(b) l'insertion du microampèremètre réduit I à 25 µA.
Dans ce cas, l'insertion de l'ampèremètre dans le circuit double la valeur de la résistance série RT. Il en résultera un courant égal à la moitié de celui circulant sans l'ampèremètre.
Problèmes pratiques 7.2 (réponses à la fin du chapitre)
(a) Soit le circuit de la figure 7-4. Déterminer l'indication du milliampèremètre branché au point a.
(b) Soit le circuit de la figure 7-5. On veut que l'aiguille du milliampèremètre dévie à pleine échelle. Calculer la résistance R à brancher au côté positif de l'appareil de mesure.
(c) La résistance d'un ampèremètre doit-elle être très faible ou très élevée?
(d) La résistance d'un voltmètre doit-elle être très élevée ou très faible?
7.3 SHUNTS D'APPAREIL DE MESURE
Un shunt d'appareil de mesure est une résistance de précision reliée en parallèle à l'équipage mobile d'un appareil de mesure en vue de shunter ou de dériver une fraction donnée du courant d'un circuit au niveau de l'équipage mobile de l'appareil de mesure.
Cette combinaison fournit alors un ampèremètre de plus grand calibre. Les shunts sont généralement placés à l'intérieur du boîtier de l'appareil de mesure. En outre, le symbole utilisé pour les appareils de mesure de courant n'indique généralement pas le shunt.
Pour des mesures de courant, l'équipage mobile et son shunt restent connectés comme un ampèremètre en série dans le circuit (figure 7-6).
Figure 7-6 Exemple d'un microampèremètre à trop grande résistance:
(a) sans l'appareil de mesure, le circuit est parcouru par un courant I de 50 µA;
(b) l'insertion du microampèremètre réduit I à 25 mA.
Il faut souligner qu'un appareil de mesure à shunt interne a une échelle étalonnée qui tient compte du courant passant par le shunt. Par conséquent, cette échelle donne le courant total du circuit.
Résistance du shunt de l'appareil de mesure
Selon la figure 7-6b, l'équipage mobile 25 mA a une résistance de 1,2 Ω qui représente la résistance de la bobine rM.
Pour doubler le calibre, la résistance Rs du shunt est rendue égale à la résistance de 1,2 Ω de l'équipage mobile.
Lorsque l'appareil de mesure est relié en série dans un circuit parcouru par un courant de 50 mA, ce courant total pénétrant dans une des bornes de l'appareil de mesure se répartit également entre le shunt et l'équipage mobile de l'appareil de mesure.
À la borne opposée de l'appareil de mesure, ces deux courants de branche se combinent pour donner un courant de 50 mA égal au courant du circuit.
À l'intérieur de l'appareil de mesure, le courant passant par le shunt est de 25 mA et celui passant par le cadre mobile, de 25 mA.
Comme il s'agit d'un équipage mobile de 25 mA, ce courant entraîne une déviation complète. Toutefois, on double l'échelle qui indiquera alors 50, mA car on tient compte des 25 mA additionnels passant par le shunt.
De ce fait, la lecture de l'échelle indique le courant total au niveau des bornes de l'appareil de mesure et non pas seulement le courant de la bobine.
L'équipage mobile avec son shunt sera un appareil de mesure pour 50 mA avec une résistance intérieure de 1,2 x 0,5 = 0.6 Ω.
La figure 7-7 nous donne un nouvel exemple.
Figure 7-7 Le shunt dérive le courant traversant normalement l'appareil de mesure; ceci permet d'étendre sa gamme de mesures de 25 mA à 50 mA:
(a) schéma de câblage;
(b) schéma indiquant l'effet du shunt Rs. Lorsque Rs = Rm, la gamme de mesures du courant est doublée;
(c) circuit comportant un ampèremètre de 50 mA.
On peut généralement calculer la résistance du shunt pour un calibre quelconque par la loi d'Ohm à partir de la formule:
Rs = Vm / Is (7.1)
Rs est la résistance du shunt et Is le courant le traversant.
Vm est égal à Im x rm.
Ceci est la tension aux bornes du shunt et de l'équipage mobile de l'appareil de mesure qui sont en parallèle.
Calcul de Is Ce courant qui ne passe que par le shunt est la différence entre le courant total IT traversant l'appareil et le courant dérivé Im traversant l'équipage ou:
Is = IT - Im (7.2)
Utilisons les valeurs de courant correspondant à la déviation totale.
Selon la figure 7-8, Is = 50 - 10 = 40 mA ou 0,04 A.
Calcul de Rs
La méthode complète d'utilisation de la formule Rs = Vm / Is peut être la suivante:
1. Trouvez Vm. Calculez-le pour la déviation totale comme Im x rm.
Sur la figure 7-8 avec un courant de 10 mA (correspondant à la déviation totale) traversant l'équipage 8 Ω, Vm est
0,01 x 8 = 0,08 V.
2. Trouvez Is. Sur la figure 7-8, Is = 50 - 10 = 40 mA = 0,04 A.
3. Divisez Vm par Is pour trouver Rs. Ici, Rs = 0,08 / 0,04 = 2 0.
Ce shunt permet au courant traversant l'équipage (10 m A) d'être utilisé pour augmenter l'échelle (0 à 50 mA).
Remarquons que Rs et rm sont inversement proportionnels à leurs courants à la déviation totale.
La résistance de 2 Ω pour Rs équivaut à un quart de la résistance de 8 Cl de rm parce que le courant shunt de 40 mA est égale à quatre fois le courant de 10 mA traversant l'équipage pour une déviation maximale.
Exemple 1
Un shunt fait passer le calibre d'un équipage d'un appareil de mesure de 50 µA à 1 mA. Quel sera le courant passant par le shunt pour la déviation maximale?
Réponse
Tous les courants doivent être exprimés dans les mêmes unités pour l'équation (7-2). Pour éviter les fractions, utilisons 1000 µA pour exprimer le courant IT de 1 mA.
Donc:
Is = IT - Im = 1000 µA - 50 µA = 950 µA
Exemple 2
Un équipage d'appareil de mesure de 50 µA a une résistance de 1000 Ω.
Quelle résistance Rs sera nécessaire pour étendre son calibre à 500 µA ?
Réponse
Le courant traversant le shunt Is est de 500 - 50 ou 450 µA.
Donc:
Rs = Vm / Is = (50 x 10-6 x 103) / (450 x 10-6) = 50000 / 450 = 1000 / 9 = 111.1 Ω
En général, les shunts sont des résistances du type à spires bobinées avec précision.
Pour des valeurs très faibles, on peut utiliser un fil court d'une dimension déterminée.
Problèmes pratiques 7.3 (réponses à la fin du chapitre)
Un cadre mobile de 50 µA de résistance rm de 900 Ω a une résistance de shunt Rs telle que la gamme est de 500 µA:
(a) Calculer Is;
(b) Calculer VM.
7.4 SHUNT UNIVERSEL
À la figure 7-9, R1; R2 et R3 sont utilisés dans des combinaisons mixtes avec l'équipage de l'appareil pour différentes gammes de courant.
Figure 7-9 Shunt universel pour trois gammes de courants.
Valeurs de courant pour une déviation correspondant à toute l'échelle:
(a) circuit réel comportant le commutateur S permettant de choisir les différentes gammes; (b) circuit pour la gamme de 2 mA;
(c) circuit pour la gamme de 10 mA; (d) circuit pour la gamme de 100 mA.
Le circuit est alors un shunt universel.
Cette méthode s'utilise le plus souvent pour des multiples gammes de courant dans un VOM car le circuit mixte fournit une méthode sûre pour commuter entre les gammes de courant sans encourir le risque de provoquer de surintensité dans l'équipage de l'appareil.
Le large contact sur le bras commutateur en (a) montre que celui-ci établit la connection suivante avant d'interrompre le contact précédent.
Ce commutateur de type à court-circuit protège l'équipage de l'appareil en fournissant un shunt permanent pendant la commutation de changement de gamme.
Le shunt universel se compose des résistances R1, R2 et R3 de la figure 7-9.
On détermine leur branchement en shunt par le commutateur S qui permet de couvrir les différentes gammes de courant.
Leur résistance totale (RST) est de 40 + 9 + 1 = 50 Ω. Cette résistance est utilisée en tant que shunt en parallèle avec rM pour la gamme de 2 m A en (b).
Pour des gammes de courant plus élevé en (c) et (d), une partie de la résistance RST est connectée en série avec rM tandis que le reste de la résistance RST est en parallèle pour former une dérivation.
Les valeurs de la figure 7-9 sont calculées de la manière suivante: étant donné que la gamme de 2 mA en (b) correspond au double de l'intensité nominale de 1 m A de l'équipage de l'appareil, la résistance shunt doit égaler la résistance rM de 50 Ω de telle sorte que 1 mA puisse circuler dans chacun des deux parcours parallèle.
Par conséquent, la résistance RST est égale à la résistance rM de 50 Ω.
En ce qui concerne la gamme de 10 mA en (c), 9 mA doivent traverser le shunt et 1 mA le cadre mobile.
Or, la résistance rM comporte une résistance R1 en série avec elle dans le parcours bad. Le shunt comprend maintenant R2 en série avec R3 dans le parcours bcd.
Rappelons-nous que la tension est la même aux bornes des deux parcours parallèle bad et bcd.
Le courant est de 1 mA dans un parcours et de 9 mA dans l'autre parcours.
Pour calculer R1, nous pouvons exprimer l'égalité de la tension aux bornes des deux parcours:
1 mA x (R1 + rM) = 9 mA x (R2 + R3)
Nous savons que rM vaut 50 Ω.
Nous savons également que RST vaut 50 Ω.
Les résistances R1, R2 ou R3 sont inconnues mais (R2 + R3) doit être de 50 Ω moins R1.
Par conséquent:
1 mA x (R1 + 50) = 9 mA x (50 - R1)
Solution pour R1.
R1 + 50 = 450 - 9R1
R1 + 9R1 = 450 - 50
10R1 = 400
R1 = 40 Ω
Non seulement nous savons maintenant que R1 vaut 40 Ω, mais la résistance (R2 + R3) doit être de 10 Ω, car leur somme doit être égale à 50 Ω.
Cette valeur de 10 Ω pour (R2 + R3) est utilisée pour la deuxième étape des calculs.
Pour la gamme de 100 mA en (d), un courant de 1 mA passe par R1, R2 et rM dans le parcours cbad, et un courant de 99 m A passe par R3 dans le parcours cd.
La tension est la même aux bornes des deux parcours.
Pour calculer R2, par conséquent:
1 mA x (R1 + R2 + rM) = 99 mA x (R3)
Nous savons que R1 vaut 40 Ω.
Alors: 40 + R2 + 50 = 99 R3
Si (R2 + R3) vaut 10 Ω, R3 devra valoir (10 - R2).
En remplaçant R3 par (10 - R2), l'équation deviendra:
Finalement, R3 doit valoir 1 Ω.
La somme R1+ R2 + R3 égale 40 + 9 + 1, ce qui correspond à la valeur de 50 Ω de RST.
Pour prouver les valeurs de résistance, remarquons que en (b) un courant de 1 mA circulant dans chacune des branches de 50 Ω produit une tension de 50 mV aux bornes des deux branches parallèle.
En (c), un courant de 1 mA dans la branche de 90 Ω avec l'appareil produit une tension de 90 mV entre b et d, tandis que le courant de 9 mA traversant les 10 Cl de i?!+/?2 produit la même chute de tension de 90 mV.
En (d), le courant de 99 mA traversant la résistance R3 de 1 Ω produit une chute de tension de 99 mV, tandis que le courant de 1 mA traversant la résistance de 99 Ω dans le parcours cbad produit la même chute de tension (99 mV).
Problèmes pratiques 7.4 (réponses à la fin du chapitre)
Se reporter à la figure 7-9 et déterminer le courant I à pleine échelle à travers le cadre mobile pour:
(a) une gamme de 2 mA;
(b) une gamme de 100 mA.
7.5 VOLTMÈTRES