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Electronique > Réalisations > Affichage / mesures > Ampèremètre 001

Dernière mise à jour : 16/01/2011

Présentation

Cet ampèremètre, simple à réaliser, permet de s'initier à la mesure de courants de faibles valeurs, compris entre 1 nA et 100 mA. Sa précision modeste ne lui permet pas de rivaliser avec les appareils de laboratoire, ce n'est pas son but. Il s'agit juste de montrer comment procéder pour perturber le moins possible le circuit dans lequel on effectue la mesure de courant, tout en bénéficiant d'une bonne précision de mesure. La visualisation de la valeur du courant mesuré s'effectue sur un galvanomètre ou sur un voltmètre bénéficiant d'une pleine échelle de 1 V. Un autre mesureur de même type mais pouvant grimper à 1 A et mettant en oeuvre un circuit spécialisé de type INA168 est présenté en page Ampèremètre 002.

Mesure d'une intensité

Il ne semble pas raisonnable de montrer le schéma retenu avant d'avoir fait un petit rappel sur la façon de mesurer l'intensité qui circule dans un circuit, et de rappeler les limites d'un tel procédé. Je vous invite donc à consulter tout d'abord la page Théorie - Mesure d'un courant, si vous en ressentez le besoin.

Schéma

Il est composé de deux parties, dont une est totalement optionnelle et qui ne sert que d'indicateur grossier de dépassement de gamme.

Le mesureur en lui-même

Partie inférieure du schéma
La résistance shunt RS insérée entre l'alimentation du circuit sous mesure et le circuit sous mesure lui-même, et sur laquelle la mesure de tension est faite pour en déduire le courant qui la traverse, est constituée d'une ou plusieurs des résistances RS1 à RS8. Par exemple sur le calibre 100 mA pour lequel le commutateur K2 est sur la position 8, seule la résistance RS8 de 0,11 ohm est dans le circuit de mesure. Sur le calibre 1 mA pour lequel le commutateur K2 est sur la position 6, les trois résistances RS6, RS7 et RS8 (valeur totale 11,11 ohms) sont en service. Et pour la gamme des plus faibles valeurs (10 nA, K2 en position 1), toutes les résistances RS1 à RS8 sont en circuit (valeur totale de 1,111111 MO). Comme vous pouvez le constater, on dispose pour chaque calibre d'une résistance shunt dont la valeur est de type "1,1". Cela signifie que pour un courant de 1 mA, et si la résistance RS vaut 11,11 ohms, on dispose d'une tension de mesure d'entrée de 11,11 mV. Cette tension d'entrée, pour être portée à la valeur de 1,0 V (valeur pleine échelle de la gamme), doit être amplifiée dans un rapport de 90. Quelle chance, il s'agit précisement du gain de l'amplificateur en tension constitué de U1:A, première moitié du TL072. Ce gain est en effet défini par le rapport des résistances R2 et R3, selon la formule suivante :
Gain = (R3 / R2) + 1 = (89000 / 1000) + 1 = 89 + 1 = 90
La résistance R1 et le condensateur C1 forment un filtre passe-bas destiné à absorber les variations rapides de la tension développée aux bornes des résistances shunt, c'est en quelque sorte un circuit de "freinage" ou de moyennage du courant mesuré. Un courant légèrement fluctuant sera donc visualisé de façon assez stable sur le voltmètre de sortie. La résistance R1 limite également le courant sur l'entrée non inverseuse de l'AOP en cas d'application d'une tension un peu trop élevée sur l'entrée de mesure PT+, par rapport à PT- (masse).

Circuit d'affichage

Il s'agit d'un simple voltmètre à aiguille ou numérique, dont la pleine échelle est de 1,0 V. Il est cependant tout à fait possible d'utiliser un modèle dont la pleine échelle est de 2,0 V, il sera simplement "utilisé à moitié". L'important est que l'appareil utilisé, quel qu'il soit, présente une résistance d'entrée d'au moins 1 KO. Ce qui heureusement est le cas de bon nombre d'appareils.

Indicateur de dépassement de gamme

Partie supérieure du schéma
Il s'agit d'un simple comparateur de tension, doté de deux leds rouge et verte. Tant que la tension mesurée aux bornes de RS reste en-dessous de 20 mV, la led verte est allumée et la led rouge est éteinte. Au dessus de ce seuil, la led rouge s'allume. La tension de seuil de 20 mV, qui pourra éventuellement être abaissée à 15 mV, est obtenue grâce à la diode D3 polarisée en directe et qui offre donc une tension voisine de 0,6 V, et le diviseur de tension constitué de R7 et R8 qui fait suite. Ces deux résistances ont en effet des valeurs respectives de 330 kO et 10 kO, ce qui permet d'écrire la formule suivante (issue de la formule du diviseur de tension résistif) :
Useuil = UR8 = UD3 * 10000 / (330000 + 10000)
Useuil = UR8 = 0,6 * 10000 / 340000
Useuil = UR8 = 0,017 A = 17 mA
Je vous avais dit que c'était approximatif, de toute façon la tension d'entrée en conduction de la diode D3 n'est que rarement de 0,6 V pile. Si vous voulez une grande précision au niveau du déclanchement de l'indicateur de dépassement de gamme (allumage led rouge), vous pouvez remplacer la résistance R8 par une résistance fixe de 4,7 kO en série avec un potentiomètre ajustable de 10 kO linéaire.

Choix du commutateur de gamme

Si une seule gamme de mesure vous intéresse, alors inutile de disposer du commutateur de gamme K1 et ce dernier peut être simplement supprimé. Les résistances situées "au-dessus" et "en-dessous" du point de gamme choisi devront être conservées, mais rien bien sûr ne vous empêche d'en utiliser une seule dont la valeur correspond à la somme de celles à remplacer. L'intérêt de conserver toutes les résistances de gamme est de pouvoir changer facilement d'avis plus tard. Le commutateur K1 est un modèle quelconque permettant de commuter un point parmi 12, plus facile à trouver qu'un modèle un point parmi 9. Vous pouvez par exemple utiliser un modèle LORLIN 1 galette 12 positions (modèle 1 x 12), dont la photo ci-après donne un bon aperçu.



Le modèle choisi doit avoir un seul plot au centre du cercle de plots à souder. S'il en possède deux, trois ou quatre, c'est qu'il ne s'agit pas du bon modèle (il s'agit surement de modèles 2 x 6 positions, 3 x 4 positions ou 4 x 3 positions). Pour plus de détails, voir page Commutateurs.

Extension de gamme

Est-il possible d'ajouter un calibre 200 mA ? Si on veut ajouter un calibre, il faut recalculer l'ensemble des résistances RS1 à RS8 et en ajouter une RS9. Comme les composants du circuit sont calculés pour un affichage "plein" sur des plages de mesures évoluant de l'une à l'autre avec un facteur 10, on pourrait prévoir un calibre 1 A mais pas un calibre 200 mA ni 500 mA. Si vous avez bien compris le principe de la mesure et bien regardé le schéma, vous avez constaté que la valeur de la résistance du circuit de mesure RSx possédait une valeur diminuant dans un rapport de 10 à chaque montée de gamme. La résistance RS9 devrait donc en théorie posséder une valeur proche de 0,01 ohms pour le calibre 1 A. Il est malheureusement très difficile de trouver une résistance de si faible valeur avec une bonne précision, et il faudrait sans doute la fabriquer soi-même (morceau de cuivre auquel on enlève des bouts jusqu'à obtenir la résistivité ohmique désirée). La modification de cet ampèremètre en vue d'ajouter une gamme de calibre supérieur est donc déconseillée dans le cas présent, mais cet avertissement n'est pas une interdiction (vous avez le droit de tester tout ce que vous voulez).

Alimentation

L'alimentation de l'ampèremètre est confiée à deux piles plates de 4,5 V, de façon à garder toute indépendance vis à vis du circuit sous mesure.



Afin de minimiser la consommation globale, vous avez tout interêt à utiliser pour D1 et D2, des leds haute luminosité ou faible consommation, avec des résistances série R5 et R4 de valeur au moins dix fois supérieurs aux valeurs indiquées sur le schéma (vous pouvez essayer des valeurs comprises entre 2K2 et 10K).

Amélioration possible

L'AOP du TL072 de la section mesureur peut avantageusement être remplacé par un TL071, qui offre en supplément la possibilité d'ajuster sa tension d'offset. Cela permet de calibrer l'appareil et de disposer d'un affichage réellement à "0,00" quand les deux pointes de touche restent en l'air (ne sont connectées nulle part). Si vous optez pour cette "option", adoptez le montage suivant :



Le réglage est simple et consiste simplement à ajuster RV1 pour que l'affichage indique "0,00" quand les deux pointes de touches PT+ et PT- ne sont reliées à rien ou mieux quand elles sont en court-circuit.

Corrections et remarques diverses

16/01/2011
- Ajout de précisions sur le choix du commutateur de gamme K1 (qui auparavant s'appelait K2/K9P pour une raison inavouable).
- Ajout d'informations concernant l'extension de gammes.
15/06/2009
- Correction valeur de R3 sur le premier schéma : cette résistance est bien une 89 KO comme indiqué dans le texte, et non une 99 KO.