Créée le, 19/06/2015

 Mise à jour le, 02/09/2016

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Signets :
  Mesure du courant        Mesure de la tension      Mesure de la résistance
  Schéma électrique du contrôleur universel    Bas de page  


Les Mesures Électriques :



NOTE :

Dans les théories précédentes, nous avons introduit presque toutes les grandeurs électriques que l'on rencontre en électronique avec leurs unités de mesure respectives. Nous devons voir maintenant comment se mesurent ces grandeurs, c'est-à-dire comment, dans la pratique, on peut connaître leur valeur.

Dans ce but, précisons avant tout que, pour l'électronicien, il est essentiellement intéressant de mesurer le courant, la tension et la résistance. En effet, lorsqu'on connaît les valeurs prises par ces trois grandeurs en différents points du circuit, on peut déjà avoir une idée précise de son fonctionnement et donc identifier une de ses éventuelles défaillances.

Dans cette leçon, nous verrons les appareils et les circuits les plus couramment utilisés pour mesurer les courants, les tensions et les résistances.


HAUT DE PAGE 1. - MESURE DU COURANT

Occupons-nous d'abord de la mesure du courant car, comme nous le verrons par la suite, les mesures de la tension et de la résistance se font par l'intermédiaire de cette mesure.

Dans une des théories précédentes, nous vous avons dit que l'on pouvait mesurer le courant électrique en exploitant un des effets qu'il produit en traversant un conducteur ; généralement, on utilise l'effet magnétique du courant, c'est-à-dire la propriété qu'il a de produire un champ magnétique autour des conducteurs qu'il traverse.

Dans la pratique, le courant à mesurer passe dans une bobine et produit ainsi un champ magnétique dont les lignes de force, indiquées sur la figure 1-a, ont le sens déterminé par le sens de circulation du courant, conformément à la loi du tire-bouchon.

Nous observons que ces lignes de force sortent de l'extrémité droite de la bobine et rentrent par son extrémité gauche après avoir traversé l'espace extérieur, dans lequel elles progressent comme les lignes de force d'un aimant permanent (figure 1-b).

Equivalence_bobine_aimant

En ce qui concerne l'espace extérieur, la bobine se comporte donc comme un aimant permanent, et nous pouvons donc considérer comme pôle nord et pôle sud les extrémités de la bobine par lesquelles les lignes de force sortent et entrent.

Pour ces pôles, on peut également appliquer la loi générale que nous connaissons déjà, selon laquelle les pôles de même nom se repoussent, tandis que les pôles de nom contraire s'attirent ; on peut le constater, par exemple, grâce au dispositif de la figure 2, qui, avec des modifications particulières, sert aussi à mesurer les courants.

Comme on le voit sur cette figure, on a placé entre les pôles d'un aimant en forme de U, une bobine enroulée sur un petit châssis léger muni de deux pivots qui s'appuient sur des supports spéciaux, de façon à ce que la bobine soit libre de tourner autour d'un axe vertical.

Rotation_d_une_bobine_parcourue_par_un_courant

Supposons que l'enroulement soit parcouru par un courant qui circule dans un sens tel qu'il produise des lignes de force dirigées comme on le voit sur la figure 2-a ; le pôle nord et le pôle sud de la bobine sont dans les positions indiquées par cette figure.

Dans ces conditions, on constate que le pôle nord de la bobine est repoussé par le pôle nord de l'aimant et attiré par son pôle sud ; de la même façon, le pôle sud de la bobine est repoussé par le pôle sud de l'aimant et attiré par son pôle nord, en accord avec la loi dont nous avons parlé plus haut.

Par suite de ces répulsions et de ces attractions entre les pôles de l'aimant et de la bobine, celle-ci tourne dans le sens indiqué par la flèche de la figure 2-a, jusqu'à ce qu'elle s'arréte dans la position de la figure 2-b, portant ainsi son pôle nord près du pôle sud de l'aimant et son pôle sud près du pôle nord de cet aimant.

On a aussi constaté que les forces de répulsion et d'attraction qui s'exercent entre les pôles sont d'autant plus importantes que le courant qui parcourt la bobine est plus grand. Ce fait a permis d'utiliser le dispositif de la figure 2 pour la mesure du courant.

Pour cela, le dispositif est modifié comme sur la figure 3-a et l'on réalise ainsi un instrument de mesure du courant, appelé aussi galvanomètre à cadre mobile à cause de la rotation que sa bobine peut accomplir, rotation qui sert à déplacer en face d'un cadran gradué une aiguille fixée à cette bobine.

A l'intérieur de la bobine, on place un petit cylindre de fer doux qui est fixe, c'est-à-dire qui ne tourne pas avec la bobine, tandis que les extrémités des pôles de l'aimant sont profilées de façon à réduire au minimum l'entrefer (ou l'espace occupé par l'air) dans lequel la bobine se déplace durant sa rotation.

Instruments_de_mesure_du_courant 

Le galvanomètre à cadre mobile peut également être réalisé de manière différente bien que le principe reste identique. Au lieu d'être en forme de fer à cheval, l'aimant peut être de forme cylindrique et inséré à l'intérieur de la bobine mobile comme représenté sur la figure 3-b. Dans ce cas, un anneau de fer doux placé à l'extérieur de la bobine referme le circuit magnétique.

Avec les procédés adoptés, on obtient pour les deux types de galvanomètres un champ magnétique important et l'on peut mesurer ainsi des courants d'intensité très réduite, car les forces dues à ce champ important sont suffisantes pour déterminer la rotation de la bobine, même si le courant réduit qui la parcourt crée un champ très faible. De plus, les lignes de force du champ produit par l'aimant sont disposées uniformément autour de la bobine, ce qui permet d'obtenir un cadran avec des graduations équidistantes, comme on le voit sur la figure 3.

Notons enfin qu'autour des pivots de la bobine, il y a deux ressorts à spirale dont une extrémité est fixée aux pivots et l'autre aux supports ; ces ressorts sont disposés de façon à pouvoir entraver la rotation de la bobine et c'est pourquoi on les appelle des ressorts antagonistes.

Pour nous rendre compte de la fonction exécutée par les ressorts antagonistes, voyons le fonctionnement de l'instrument.

Quand aucun courant ne parcourt la bobine, les ressorts la maintiennent dans une position telle que son aiguille se trouve en face de l'extrémité gauche du cadran, où le zéro est inscrit ; ce zéro indique que le courant est nul. Dans ces conditions, on dit que l'aiguille se trouve dans la position de repos.

Quand un courant parcourt la bobine, elle tourne comme nous l'avons vu précédemment et son aiguille se déplace vers la droite en s'éloignant de la position de repos, comme on le voit sur la figure 3-a. La rotation de la bobine agit alors sur les ressorts fixés aux pivots en les faisant se tendre, ce qui donne naissance à des forces qui entravent cette rotation, car elles cherchent à repousser la bobine et son aiguille vers la gauche, c'est-à-dire vers la position de repos.

Au fur et à mesure que la bobine tourne, les ressorts se tendent de plus en plus et par conséquent les forces qui entravent la rotation augmentent jusqu'à ce qu'elles soient égales à celles qui déterminent cette rotation. Ainsi, la bobine s'arrête car il y a équilibre entre les forces dues au courant, qui tendent à la faire tourner vers la droite, et les forces dues aux ressorts, qui tendent à la ramener vers la gauche.

Supposons, par exemple, que la bobine et son aiguille se soient arrêtées dans la position indiquée figure 3-a ; si l'on augmente maintenant le courant qui parcourt la bobine, celle-ci se remet à tourner vers la droite car les forces qui déterminent la rotation dans ce sens augmentent aussi en même temps que le courant et l'équilibre est donc rompu. D'autre part, à cause de la nouvelle rotation, les ressorts se tendent encore et les forces qui leur sont dues augmentent à leur tour, jusqu'à ce qu'elles équilibrent de nouveau les forces dues au courant ; lorsque cela se produit, la bobine s'arrête dans une nouvelle position, plus éloignée que la précédente de la position de repos.

Nous voyons en somme qu'à chaque valeur du courant correspond une position bien déterminée prise par l'aiguille. Pour mesurer les courants avec ce galvanomètre, il suffit donc de connaître les valeurs du courant qui correspondent aux différentes positions de l'aiguille. Pour cela, on peut faire parcourir la bobine du galvanomètre par différents courants de valeur connue, soit d'abord par un courant de 1 mA, puis 2 mA, puis de 3 mA, etc... ; on marque ensuite ces valeurs sur le cadran en face de la position prise par l'aiguille pour chaque courant.

Quand ces valeurs sont inscrites sur le cadran, le galvanomètre peut servir pour la mesure d'un courant dont on ne connaît pas la valeur : en effet, on peut maintenant lire cette valeur directement sur le cadran d'après la position dans laquelle l'aiguille s'arrête lorsque le galvanomètre est traversé par le courant à mesurer.

Par exemple, les nombres reportés sur l'échelle graduée de la figure 3-b indiquent la valeur du courant en milliampères, comme on le voit sur l'inscription "mA", symbole du milliampère, que l'on trouve sous le cadran.

Si nous faisons donc traverser ce galvanomètre par un courant de valeur inconnue et si nous voyons son aiguille s'arrêter en face du nombre 1, comme sur la figure 3-a, nous pouvons dire que le courant a une valeur de 1 mA. Puisque cet instrument sert en somme à mesurer les milliampères, on l'appelle un milliampèremètre.

De tous les nombres inscrits sur le cadran d'un galvanomètre, le plus important est celui qui se trouve à l'extrémité droite, c'est-à-dire à la fin d'échelle, car il indique le calibre du galvanomètre, c'est-à-dire le courant maximum qu'il peut mesurer.

Les galvanomètres de la figure 3 ont un calibre de 10 mA car, comme nous le voyons sur cette figure, le nombre inscrit au bout du cadran est justement 10.

Chaque galvanomètre est caractérisé par son calibre, qui est une donnée dont on doit se souvenir lorsqu'on utilise un galvanomètre déterminé, pour éviter de le faire traverser par un courant supérieur au courant maximum qu'il peut mesurer. En effet, si cela se produisait, le galvanomètre pourrait se détériorer d'autant plus gravement que le courant qui le traverse est supérieur à son calibre.

Supposons, par exemple, que le galvanomètre de la figure 3-a soit traversé par erreur par un courant de 20 mA. Dans ce cas, les forces qui déterminent la rotation de la bobine vers la droite sont multipliées par deux par rapport à celles qui sont nécessaires pour porter l'aiguille à la fin d'échelle. Par conséquent, l'aiguille dépasse très vite la position terminale et peut être déformée par le choc violent contre la butée qui, comme on le voit sur la figure 3, est placée peu après la fin d'échelle, pour arrêter l'aiguille.

Une autre donnée caractéristique d'un galvanomètre à bobine mobile est sa résistance interne, c'est-à-dire la résistance que le courant à mesurer rencontre quand il passe dans ce galvanomètre ; cette résistance est due au conducteur enroulé qui constitue la bobine mobile et peut être comprise entre quelques dizaines et quelques centaines d'ohms, selon le type de galvanomètre.

Dans certains cas, la résistance interne peut avoir une influence sur la mesure ; nous pourrons le constater en examinant l'insertion d'un instrument de mesure du courant, c'est-à-dire la manière de le relier à un circuit pour mesurer le courant qui y circule.

Puisque le courant à mesurer doit traverser le galvanomètre, il est évident que celui-ci doit être relié en série avec le circuit dans lequel circule ce courant.

Supposons, par exemple, que l'on veuille mesurer le courant qui circule dans le circuit de la figure 4-a ; puisque ce circuit est alimenté par une tension de 20 V et qu'il présente une résistance de 2 kW, le courant qui y circule est de 20 / 2 = 10 mA.

Nous vous faisons observer que, comme on a exprimé la résistance en kilo-ohms, plutôt qu'en ohms, le courant est exprimé en milliampères au lieu de l'être en ampères. Ainsi les opérations sont plus simples, car elles peuvent être faites avec des nombres qui ne comportent pas trop de zéros ; si au contraire, on avait utilisé comme unité de mesure l'ohm et l'ampère, on aurait dû faire la division 20 / 2 000 = 0,01 Ampère = 10 mA.

Insertion_milliamperemetre 

Puisque le courant a une intensité de 10 mA, nous pouvons le mesurer avec un milliampèremètre d'un calibre de 10 mA, comme ceux de la figure 3.

Sur la figure 4-b, on voit l'insertion de ce galvanomètre représenté par un petit cercle à l'intérieur duquel l'inscription "mA" rappelle qu'il s'agit du milliampèremètre.

Sous le symbole graphique du galvanomètre, est indiqué le calibre 10 mA ; la résistance interne (r) du milliampèremètre est aussi indiquée, elle est de 500 W, c'est-à-dire de 0,5 kW.

Puisque le milliampèremètre est relié en série, sa résistance interne de 0,5 kW s'ajoute à celle de 2 kW de la résistance R et, après l'insertion du milliampèremètre, le circuit présente donc une résistance totale de 0,5 + 2 = 2,5 kW.

Dans ces conditions, le courant qui parcourt le circuit est de 20 / 2,5 = 8 mA. Nous voyons donc que l'insertion du milliampèremètre perturbe le fonctionnement du circuit, en faisant passer de 10 mA à 8 mA.

Le milliampèremètre indiquera un courant de 8 mA, tandis qu'en réalité le courant qui parcourt le circuit, quand l'instrument n'est pas inséré, est de 10 mA.

Nous ne pouvons donc pas connaître avec exactitude l'intensité du courant, car la résistance interne du galvanomètre accroît la résistance du circuit et par conséquent diminue le courant ; pour obtenir une mesure plus exacte, nous devons donc utiliser un galvanomètre qui ait une résistance interne bien plus faible.

Par exemple, si l'on insère dans le circuit un milliampèremètre dont la résistance interne n'est que de 10 W, c'est-à-dire de 0,01 kW, comme sur la figure 4-c, la résistance du circuit passera de 2 kW à 2,01 kW et le courant sera donc de 20 / 2,01 a_peu_pres_egal 9,95 mA.

Cette valeur ne diffère que de 0,05 mA de la valeur réelle du courant qui est de 10 mA, et dans ce cas, la mesure est suffisamment précise pour les études pratiques.

Ces exemples nous permettent donc de conclure qu'un instrument de mesure du courant fournit des indications d'autant plus exactes que sa résistance interne est plus faible.

Observons enfin que, pour l'insertion d'un instrument de mesure d'un courant, il faut tenir compte du sens de circulation dans lequel le courant doit parcourir la bobine mobile.

Nous avons vu en effet que le sens des lignes de force, et donc les pôles qui se créent aux extrémités de la bobine, dépendent du sens de circulation du courant ; s'il circulait dans le sens contraire de celui dans lequel il devrait circuler, les lignes de force seraient également dirigées en sens contraire ; à une extrémité de la bobine, on aurait donc le pôle sud au lieu du pôle nord et inversement.

Par suite de cette inversion des pôles, le sens dans lequel la bobine tournerait serait aussi inversé et l'aiguille se déplacerait donc à gauche de la position de repos, au lieu que ce soit à droite. Elle sortirait donc des limites de l'échelle et il ne serait pas possible de lire la valeur du courant.

Pour éviter que le galvanomètre ne soit inséré ainsi, le constructeur distingue les deux extrémités de la bobine en les marquant des signes + et -, pour indiquer que le courant doit parcourir la bobine de l'extrémité positive vers l'extrémité négative, en accord avec le sens conventionnel selon lequel le courant est dirigé du positif vers le négatif.

Ces signes sont aussi indiqués à côté du galvanomètre sur les schémas de la figure 4 ; on peut ainsi voir que le courant qui traverse le milliampèremètre est toujours dirigé du positif vers le négatif.

Le fait que le déplacement de l'aiguille dépende du sens dans lequel circule le courant dans la bobine mobile a pour conséquence qu'un instrument de ce type ne peut pas être utilisé pour mesurer les courants alternatifs. En effet, ces courants parcourraient la bobine mobile de son extrémité positive vers son extrémité négative pendant une demi-période et en sens contraire pendant la demi-période suivante ; à chaque cycle du courant, l'aiguille devrait d'abord se déplacer d'un côté de la position de repos puis de l'autre.

Prenons l'exemple du courant alternatif du secteur de fréquence 50 Hz. Puisqu'il accomplit 50 cycles par seconde, l'aiguille devrait répéter 50 fois par seconde ce déplacement autour de la position de repos. En réalité, l'aiguille ne peut accomplir des déplacements aussi rapides et elle reste dans la position de repos indiquant donc un courant nul.

Jusqu'à maintenant, nous avons examiné un milliampèremètre avec un calibre de 10 mA mais très souvent on doit mesurer des courants d'intensité plus grande, atteignant quelques centaines de milliampères. On peut mesurer ces courants avec le même galvanomètre que celui que nous venons de voir, en augmentant son calibre.

Référons-nous pour cela au circuit de la figure 5-a, où la batterie de 100 V fait circuler dans la résistance de 5 kW un courant de 100 / 5 = 20 mA et supposons que l'on veuille mesurer ce courant avec un galvanomètre qui ait justement un calibre de 10 mA.

Puisque le calibre du galvanomètre (10 mA) est égal à la moitié du courant à mesurer (20 mA), il faut qu'il n'y ait que la moitié du courant qui traverse le galvanomètre pour ne pas le surcharger.

Augmentation_du_calibre_milliamperemetre

On relie donc en parallèle au galvanomètre une résistance, appelée résistance shunt ou plus simplement un shunt, de façon à ce que l'autre moitié du courant, qui ne doit pas parcourir l'instrument, puisse y passer.

Pour cela, il faut que le shunt ait une résistance égale à la résistance interne de l'instrument ; puisque dans le cas de la figure 5-a, le milliampèremètre a une résistance interne (r) de 10 W, on a donc adopté pour la résistance Rs du shunt la valeur de 10 W. Ainsi, le courant (I) de 20 mA, arrivé au point A, se divise en deux courants égaux de 10 mA chacun ; l'un parcourt le shunt, tandis que l'autre traverse le galvanomètre, qui indique donc la valeur de 10 mA.

Le galvanomètre qui a un shunt relié à ses extrémités mesure donc la moitié du courant qui circule dans le circuit ; on peut donc en connaître la valeur en multipliant par deux la valeur lue sur le cadran.

Dans ce cas particulier, le shunt sert à multiplier par deux le calibre du milliampèremètre et permet de connaître la valeur des courants jusqu'à un maximum de 20 mA ; mais on peut aussi tripler, quadrupler, etc., le calibre d'un galvanomètre, en choisissant correctement la valeur du shunt.

Sur la figure 5-b, on voit par exemple, comment on peut quintupler le calibre du galvanomètre examiné plus haut pour pouvoir mesurer des courants jusqu'à un maximum de 50 mA.

Dans ce cas, pour qu'un courant maximal de 10 mA passe encore dans le galvanomètre, il faut que le shunt soit traversé par un courant de 40 mA, quatre fois plus intense. Ceci est obtenu en donnant au shunt une valeur quatre fois plus petite que celle de la résistance interne du galvanomètre, c'est-à-dire une valeur de 2,5 W (10 / 4 = 2,5 W). Ainsi, le galvanomètre ne mesure qu'un cinquième du courant qui circule dans le circuit et on obtient sa valeur en multipliant par cinq la valeur lue sur le cadran.

D'une façon générale, appelons Ig le courant maximal du galvanomètre et Ic le courant maximal que l'on veut mesurer, donc le calibre. La résistance Rs du shunt est parcourue par le courant Ic - Ig : on a la relation Rs (Ic - Ig) = r x Ig soit :

Rs = Ig / (Ic - Ig) x r

Cette formule permet donc le calcul de la résistance du shunt à partir de la résistance interne r du galvanomètre, de son courant maximal Ig et du calibre Ic désiré.

La possibilité d'augmenter facilement le calibre d'un galvanomètre grâce aux shunts permet d'utiliser non seulement les milliampèremètres mais aussi les microampèremètres, c'est-à-dire les instruments dont le calibre est de l'ordre des microampères. L'emploi d'instruments avec un courant de fin d'échelle très faible est utile en électronique pour la mesure des tensions, comme nous allons le voir.

HAUT DE PAGE 2. - MESURE DE LA TENSION

On peut mesurer la tension électrique avec le même galvanomètre à bobine mobile que celui qui a servi à la mesure du courant.

Pour nous en rendre compte, voyons la figure 6-a sur laquelle on a de nouveau reporté le circuit de la figure 4-c, avec la seule différence que la résistance R, au lieu d'avoir la valeur de 2 kW, c'est-à-dire de 2 000 W, a la valeur de 1 990 W. De cette façon, en tenant compte de la résistance interne du milliampèremètre, qui est de 10W, le circuit présente au total une résistance de : 1 990 + 10 = 2 000W, soit 2 kW ; il y circule donc un courant de 10 mA qui est exactement celui indiqué par le galvanomètre.

Notons maintenant que le galvanomètre indique le courant de 10 mA quand la pile applique une tension de 20 V à l'instrument et à la résistance en série, c'est-à-dire aux deux éléments compris entre les points indiqués par A et B sur la figure 6-a. En effet, d'après la loi d'OHM, la tension de 20 V de la pile doit être égale au produit du courant de 10 mA qui parcourt l'instrument par la "résistance" placée en série (la résistance de 2 kW présentée au total par ces deux éléments). On a bien alors : 10 x 2 = 20 V.

Voltmetre

On comprend donc pourquoi, même si nous ne connaissions pas la valeur de la tension de la pile, nous pourrions toujours la déterminer en multipliant le courant indiqué par le galvanomètre par la résistance de 2 kW.

Supposons par exemple que l'on remplace la pile de 20 V par une autre pile ayant une tension inconnue et que, dans ces conditions, le milliampèremètre indique un courant de 6 mA ; en multipliant ce courant par la résistance de 2 kW (6 x 2 = 12 V), nous trouvons que la nouvelle pile fournit une tension de 12 V.

L'ensemble formé par le galvanomètre et par la résistance mise en série peut donc servir pour mesurer la tension appliquée entre les extrémités A et B de ces deux éléments.

Comme nous l'avons vu, pour connaître la valeur de cette tension, il faut multiplier le courant indiqué par le galvanomètre par la résistance comprise entre les points A et B ; on peut toutefois éviter de faire cette multiplication en écrivant directement sur l'instrument les valeurs de la tension, comme sur la figure 6-b.

Au-dessus de l'échelle de l'instrument qui, comme nous l'avons vu sur la figure 3, sert à lire les milliampères, on a fait une seconde échelle. Chaque valeur de la tension y est inscrite en face de la valeur du courant indiquée par le galvanomètre quand elle est appliquée entre les points A et B.

Par exemple, la valeur de 20 V est inscrite en face de la valeur de 10 mA car le galvanomètre indique ce courant quand cette tension est appliquée entre A et B.

Puisque le galvanomètre indique directement la tension en volts, le milliampèremètre avec la résistance en série est appelé voltmètre.

Dans les schémas, on ne représente en général pas le voltmètre par le symbole du milliampèremètre avec une résistance en série, mais par celui indiqué sur la figure 6-c, c'est-à-dire par un petit cercle dans lequel est inscrite la lette V, symbole du volt. A côté du symbole graphique du voltmètre, on indique le calibre et la résistance interne.

Le calibre du voltmètre indique la tension maximale que l'on peut mesurer : le voltmètre de la figure 6 a un calibre de 20 V car avec cette tension, l'aiguille du milliampèremètre se trouve en fin d'échelle.

En ce qui concerne la résistance interne, on indique pour le voltmètre la résistance totale obtenue en faisant la somme de la résistance interne du milliampèremètre et de la résistance placée en série : le voltmètre de la figure 6 a donc une résistance interne de 2 kW.

La résistance que l'on relie en série au milliampèremètre pour pouvoir l'utiliser comme voltmètre est appelée résistance additionnelle. Sa valeur détermine le calibre du voltmètre.

Supposons, par exemple, que l'on veuille utiliser le milliampèremètre examiné jusqu'à maintenant pour réaliser un voltmètre de calibre 50 V.

Cela signifie qu'un courant de fin d'échelle de 10 mA doit passer dans le milliampèremètre quand on mesure une tension de 50 V ; selon la loi d'OHM, le voltmètre doit présenter une résistance interne de 50 / 10 = 5 kW, c'est-à-dire de 5 000 W.

Puisque le milliampèremètre a une résistance interne de 10 W, il faut utiliser une résistance additionnelle de 5 000 - 10 = 4 990 W.

Rappelons-nous donc que la valeur à donner à la résistance additionnelle s'obtient en divisant la tension maximale que l'on veut mesurer par le courant de fin d'échelle du galvanomètre et en soustrayant du résultat obtenu la résistance interne de l'instrument.

Notons enfin que, sur la figure 6-c les extrémités du voltmètre sont indiquées par les signes + et - car le courant qui passe dans celui-ci grâce à la tension que l'on mesure doit être dirigé du positif vers le négatif pour que l'aiguille se déplace vers la droite.

Évidemment, avec ce type de voltmètre, on ne peut pas mesurer des tensions alternatives car elles feraient circuler le courant non seulement du positif vers le négatif mais aussi du négatif vers le positif.

Puisqu'en électronique, il est intéressant de mesurer également des tensions alternatives, on les transforme en tensions continues à l'aide de diodes.

Un voltmètre peut servir à mesurer la tension non seulement aux extrémités d'une pile mais aussi entre deux points d'un circuit entre lesquels il existe une différence de potentiel.

Par exemple, la tension de 20 V qui existe aux extrémités de la résistance de 2 kW reliée entre les points A et B dans le circuit de la figure 7-a, peut aussi être mesurée avec le voltmètre de la figure 6, qui a justement un calibre de 20 V.

Insertion_voltmetre

Comme on le voit sur la figure 7-b, le voltmètre est relié en parallèle sur la résistance, c'est-à-dire entre les points A et B entre lesquels se trouve la tension que l'on veut mesurer.

La différence entre ce type d'insertion et celui qui sert à mesurer le courant est évidente : pour mesurer le courant qui traverse la résistance, le milliampèremètre doit être relié en série, tandis que pour mesurer la tension entre les extrémités de la même résistance, le voltmètre doit être relié en parallèle.

Quand on relie en parallèle sur la résistance de 2 kW le voltmètre dont la résistance interne est aussi de 2 kW, la conductance entre les points A et B de la figure 7-b est doublée. La résistance entre ces deux points est donc réduite de moitié, c'est-à-dire de 1 kW. En ajoutant cette résistance à celle de 4 kW de la résistance reliée entre les points B et C, on voit qu'après l'insertion du voltmètre, le circuit présente au total une résistance de 5 kW.

Dans ces conditions, un courant de 60 / 5 = 12 mA parcourt le circuit alors qu'avant l'insertion du voltmètre le courant était de 10 mA, comme on le voit sur la figure 7-a ; cela signifie que l'insertion du voltmètre perturbe le fonctionnement du circuit en faisant varier le courant qui y circule, car une partie de ce courant doit traverser le voltmètre.

Puisque le voltmètre a une résistance interne égale à celle de la résistance sur laquelle il est relié, le courant de 12 mA se divise en deux courants égaux de 6 mA chacun, dont l'un parcourt la résistance et l'autre le voltmètre.

Aux extrémités de la résistance de 2 kW dans laquelle passe le courant de 6 mA, on obtient donc une tension de 6 x 2 = 12 V, qui est indiquée par le voltmètre. Cela est confirmé par la figure 6-b qui montre que l'instrument indique une tension de 12 V lorsqu'il est traversé par un courant de 6 mA comme cela se produit justement dans ce cas.

Le voltmètre indique donc une tension de 12 V, inférieure de 8 V à celle que l'on a entre A et B quand le voltmètre n'est pas inséré dans le circuit (figure 7-a).

Comme on l'a dit, cette erreur dans la mesure est due au courant qui doit traverser le voltmètre, car si l'instrument n'absorbait pas de courant, il ne ferait pas varier celui qui circule dans le circuit avant son insertion.

Pour limiter l'erreur dans la mesure, il faut donc réduire le courant qui traverse le voltmètre ; on peut obtenir cela en employant un milliampèremètre avec un courant de fin d'échelle de faible intensité. C'est pourquoi en électronique, on utilise des milliampèremètres et des microampèremètres, comme nous vous l'avons déjà signalé.

Le voltmètre de la figure 7-b perturbe beaucoup le fonctionnement du circuit car il est constitué par un milliampèremètre d'un courant de fin d'échelle de 10 mA, égal à celui qui circule dans le circuit avant son insertion.

Si on utilisait, au contraire, un voltmètre constitué par un milliampèremètre avec un courant de fin d'échelle de 1 mA, c'est-à-dire égal au dixième de celui qui circulait normalement dans le circuit, son insertion en perturberait beaucoup moins le fonctionnement et rendrait la mesure plus juste.

Pour faire passer le courant de 1 mA dans cet instrument quand on mesure une tension de 20 V, il faut que le voltmètre ait une résistance interne de 20 / 1 = 20 kW, dix fois supérieure à celle du voltmètre de la figure 7-b.

Un voltmètre perturbe donc d'autant moins le circuit auquel il est relié et fournit ainsi des mesures d'autant plus justes que sa résistance interne est plus grande ; mais cette résistance dépend aussi du calibre du voltmètre, comme nous l'avons vu précédemment.

Pour pouvoir comparer deux voltmètres indépendamment de leur calibre, on indique la résistance interne qu'ils présentent pour chaque volt.

Cette donnée qui indique la sensibilité des voltmètres peut être facilement déterminée en divisant la résistance interne par le calibre : on exprime la sensibilité d'un voltmètre en ohms par volt (W / V).

Le voltmètre de la figure 7-b ayant une résistance interne de 2 kW, c'est-à-dire 2 000 W est un calibre de 20 V, présente une sensibilité de :

2 000 / 20 = 100 W / V

Au contraire, le voltmètre ayant une résistance interne de 20 kW, c'est-à-dire 20 000 W et un calibre de 20 V, a une sensibilité de 20 000 / 20 = 1 000 W / V. Elle est donc dix fois supérieure à la précédente.

Nous pouvons donc conclure qu'un voltmètre fournit des indications d'autant plus justes que sa sensibilité est plus grande.

Comme il est important d'introduire le moins de perturbation possible dans les circuits pour ne pas fausser les mesures, on utilise pas de voltmètres d'une sensibilité inférieure à 1 000 W / V en électronique et l'on a très souvent recours à des voltmètres ayant une sensibilité de 5 000 W / V à 10 000 W / V et même à 20 000 W / V, pour lesquels on emploie les microampèremètres.

HAUT DE PAGE 3. - MESURE DE LA RÉSISTANCE

Un galvanomètre à bobine mobile peut également servir à mesurer la résistance électrique, au moyen d'un circuit du type de celui représenté sur la figure 8-a. Comme nous le verrons, le galvanomètre indique sur un cadran spécial la valeur des résistances qui sont reliées aux extrémités A et B du circuit.

Les éléments de ce circuit sont choisis de façon à ce que l'aiguille de l'instrument soit en fin d'échelle quand on relie, un simple conducteur de résistance très faible (figure 8-b) entre les extrémités A et B, c'est-à-dire quand ces extrémités sont en court-circuit.

Circuit_pour_la_mesure_de_la_resistance

En utilisant une pile de 4,5 V et un galvanomètre de calibre 1 mA pour faire circuler ce courant et déterminer le déplacement de l'aiguille à la fin de l'échelle, il faut que la résistance du circuit, donnée par la tension de la pile divisée par le courant, soit de 4,5 kW (4,5 / 1 = 4,5). Puisqu'on suppose que l'instrument a une résistance interne de 0,1 kW, on lui a relié en série une résistance de 4,4 kW.

Si nous voulons que ce galvanomètre indique la résistance qui existe entre les points A et B, il faut donc inscrire le nombre zéro en fin d'échelle, comme on le voit sur la partie droite de la figure 8-b, puisque l'aiguille est justement dans cette position quand ces points sont en court-circuit et qu'il y a donc entre eux une résistance égale à zéro ohm.

Si au contraire, entre les points A et B on insère une résistance de 4,5 kW, comme sur la figure 8-c, on double la résistance du circuit et par conséquent, on divise par deux le courant ; l'aiguille arrive donc à la moitié du cadran, c'est-à-dire au milieu de l'échelle, comme indiqué dans la partie droite de la figure 8-c.

Nous devons donc inscrire le nombre 4 500 à cette position, il indique la valeur en ohms de la "résistance" reliée entre les points A et B.

Si aucune résistance n'est reliée entre A et B, comme sur la figure 8-a, l'aiguille de l'instrument reste dans sa position de repos (indiquée dans la partie gauche de la figure 8-a) car aucun courant ne circule dans le circuit. On peut donc retenir que, dans ces conditions, il y a entre A et B une résistance infiniment grande ; c'est pour cela qu'on met le signe en face de la position de repos de l'aiguille ; ce signe indique une valeur infiniment grande.

Si l'on insère entre A et B d'autres résistances de valeur connue, on peut marquer cette valeur sur le cadran en face de la graduation sur laquelle l'aiguille s'arrête ; ainsi, on pourra lire directement sur le cadran la valeur des résistances reliées entre A et B

Ainsi, on a réalisé un ohmmètre, c'est-à-dire un dispositif qui permet de mesurer la valeur des résistances en ohms.

On voit sur la figure 8 que le cadran de l'ohmmètre a son zéro à l'extrémité droite, à la différence des cadrans du milliampèremètre et du voltmètre qui ont leur zéro à l'extrémité gauche, comme on le voit sur la figure 6-b.

Le type d'ohmmètre ainsi décrit présente un inconvénient. En effet, au fur et à mesure de son emploi, la pile s'use et fournit une tension inférieure à 4,5 V ; par conséquent, le courant qui circule dans le circuit diminue et l'aiguille n'arrive plus à la fin d'échelle quand, entre A et B, il y a une résistance de valeur zéro.

Dans ces conditions, l'aiguille n'indique plus la valeur zéro marquée à la fin de l'échelle, bien que la résistance mesurée ait une valeur égale à zéro. On constate une erreur analogue sur tous les autres points du cadran.

Pour éliminer ces erreurs de mesure, il faut faire en sorte que l'aiguille puisse arriver à la fin de l'échelle même quand la tension de la pile diminue ; c'est pourquoi on modifie le circuit (figure 9).

La valeur de la résistance reliée en série à l'instrument a été réduite à 3,9 kW de façon à ce que la résistance totale du circuit soit de 4 kW et que le courant de 1 mA puisse donc y circuler, même quand la tension de la pile descend à 4 V (4 / 4 = 1).

Circuit_de_l_ohmmetre

Mais lorsque la pile est neuve, un courant supérieur à 1 mA circule dans le galvanomètre et l'aiguille se déplace alors plus loin que la fin de l'échelle. On y remédie en reliant en parallèle sur le galvanomètre une résistance ajustable, comme on le voit sur la figure 9. Ainsi, seulement une partie du courant traverse l'appareil.

Puisque la résistance est ajustable, on peut régler sa valeur de façon à ce que le courant dans l'instrument garde la valeur de 1 mA quand la tension de la pile diminue de 4,5 à 4 V.

Avant d'utiliser l'ohmmètre, il faut donc procéder à sa mise à zéro, qui consiste à mettre les extrémités A et B en court-circuit et à régler la résistance ajustable de façon à porter l'aiguille de l'instrument sur le zéro du cadran de l'ohmmètre. Dès lors, on peut supprimer le contact entre A et B et mettre entre ces points la résistance dont on veut mesurer la valeur ; celle-ci sera indiquée avec exactitude par cet instrument.

Nous observons enfin que, puisque la résistance du circuit a été réduite à 4 kW, l'aiguille est au milieu de l'échelle quand la valeur de la résistance placée entre A et B est de 4 kW, comme on le voit sur la figure 9, et non plus de 4,5 kW comme indiqué sur la figure 8-c.

Dans ce cas, on doit donc inscrire au milieu de l'échelle le nombre 4 000 (comme sur la figure 9) car ce nombre indique en ohms la valeur de la résistance placée entre A et B.

Rappelons-nous donc que la résistance marquée au milieu de l'échelle d'un ohmmètre indique également la résistance du circuit de l'ohmmètre lui-même.

Ainsi, nous avons vu que les mesures de courant, de tension et de la résistance peuvent s'effectuer en utilisant un seul galvanomètre à bobine mobile inséré dans un circuit adapté.

Pour les mesures en électronique, on utilise les contrôleurs universels qui comprennent, en plus du galvanomètre, les shunts et résistances additionnelles pour augmenter le calibre dans les mesures de courant et de tension, ainsi que la pile et la résistance ajustable nécessaire pour l'ohmmètre.

Ces éléments peuvent être reliés au galvanomètre pour réaliser un circuit adapté au type de mesure que l'on doit faire ; dans ce cas, le galvanomètre est muni de plusieurs échelles qui permettent de mesurer des courants, des tensions ou des résistances dans une large gamme de valeurs.

Pour terminer cette leçon, nous vous faisons apparaître un schéma électrique du contrôleur universel et qui vous permettra de bien comprendre afin de savoir lire sur celui-ci et maintenant, vous devez connaître tous les composants de ce dernier y compris son fonctionnement déjà expliqué plus haut.

Schema_controleur_universel.gif

Comparativement aux schémas partiels connus, celui de la figure 10 fait apparaître la présence du fusible de 1 A placé en série avec la douille "commun". Ce fusible protège l'ensemble du contrôleur.

Il apparaît également le condensateur C10 de 0,1 µF, placé en série avec la douille "BF", qui a pour rôle d'éliminer toute composante continue éventuellement superposée au signal basse fréquence contrôlé. La douille BF permet de mesurer le décibel c'est-à-dire l'intensité sonore en provenance par exemple des haut-parleurs.

Les caractéristiques électriques du galvanomètre ne vous sont pas inconnues, son courant de fin d'échelle est de 40 µA et sa résistance interne de 1 200 W.

Le galvanomètre ne doit donc pas être traversé par un courant supérieur à 40 µA.

Si suite à une erreur de liaison le galvanomètre était traversé par un courant très supérieur aux 40 µA, il en découlerait de graves dommages. Il est donc nécessaire de protéger le galvanomètre contre les surintensités au moyen de deux diodes au silicium. Comme le montre les figures 10 et 11, les diodes sont reliées tête-bêche aux bornes du galvanomètre.   

Diodes_protection_du_galvanometre

Pour comprendre comment ces composants remplissent leur rôle, il faut se rappeler que la pleine conduction d'une diode au silicium nécessite une différence de potentiel entre anode et sa cathode d'au moins 0,6 ŕ 0,7 V. Cette tension constitue le seuil de conduction de la diode ; au-dessous de cette valeur, la diode est bloquée et le courant qui la traverse peut être considéré comme négligeable.

Donc, en reliant deux diodes au silicium au galvanomètre selon le principe de la figure 11, on évite que la tension aux bornes du galvanomètre (entre les points A et B) excède 0,6 V.

Si entre A et B se manifeste une tension supérieure à 0,6 V et si le courant (I) circule de A vers B (figure 11-a), la diode D4 entre en conduction ; si par contre, le courant circule de B vers A (figure 11-b) la diode D3 conduit.

Dans l'un comme dans l'autre cas, la diode qui conduit se comporte comme une résistance shunt de faible valeur et limite la valeur maximale du courant qui circule dans la bobine mobile, lui évitant ainsi une détérioration certaine.

Pour des valeurs d'intensité inférieures ou égales à celle de fin d'échelle du galvanomètre (40 µA), la tension aux bornes de ce dernier est largement au-dessous du seuil de conduction des diodes et leur présence n'a aucune influence sur le fonctionnement du galvanomètre ni sur le résultat de la mesure (figure 11-c).

Nous vous reportons le schéma pratique du contrôleur universel (figure 12) afin que vous puissiez vous rendre compte au niveau de la pratique. Ce dernier varie entre 500,00 à 1500,00 francs selon la précision des composants ainsi de sa sensibilité. Entre outre, il existe des appareils à affichage digitaux, plus précis que le galvanomètre mais plus coûteux.

Ce schéma ci-dessous montre tous les composants montés et les différentes liaisons réalisées entre eux. Sur ce dernier apparaît également la pile de l'ohmmètre.

A l'aide du schéma pratique, il est possible d'effectuer une ultime vérification du montage.

Schema_pratique_du_controleur_universel.jpg

Dans la prochaine, nous continuerons la suite des leçons de semi-conducteurs (Voir le Sommaire électronique fondamental) pour compléter nos connaissances en électronique, concernant tous les semi-conducteurs, transistors NPN ou PNP, circuits intégrés, diodes, etc. ...

 

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