Conception du voltmètre

Comme indiqué précédemment, la plupart des mouvements de compteurs sont des dispositifs sensibles. Certains mouvements D'Arsonval ont des courants de déviation à pleine échelle aussi faibles que 50 µA, avec une résistance de fil (interne) inférieure à 1000 Ω. Cela donne un voltmètre avec une valeur nominale à pleine échelle de seulement 50 millivolts (50 µA X 1000 Ω) ! Afin de construire des voltmètres avec des échelles pratiques (tension plus élevée) à partir de mouvements aussi sensibles, nous devons trouver un moyen de réduire la quantité de tension mesurée à un niveau que le mouvement peut gérer.

Compteur de mouvement D'Arsonval

Commençons nos exemples de problèmes avec un mouvement de compteur D'Arsonval ayant une valeur de déviation à pleine échelle de 1 mA et une résistance de bobine de 500 Ω :

À l'aide de la loi d'Ohm (E =IR), nous pouvons déterminer la quantité de tension qui entraînera ce mouvement de compteur directement à pleine échelle :

E =je R E =(1 mA)(500 ) E =0,5 volt

Si tout ce que nous voulions était un mètre qui pourrait mesurer 1/2 de volt, le mouvement de mètre nu que nous avons ici suffirait. Mais pour mesurer des niveaux de tension plus élevés, il faut quelque chose de plus. Pour obtenir une plage de voltmètre efficace supérieure à 1/2 volt, nous devrons concevoir un circuit permettant uniquement à une proportion précise de la tension mesurée de chuter à travers le mouvement du mètre.

Cela étendra la plage de mouvement du compteur à des tensions plus élevées. En conséquence, nous devrons ré-étiqueter l'échelle sur la face du compteur pour indiquer sa nouvelle plage de mesure avec ce circuit de dosage connecté.

Mais comment créer le circuit de dosage nécessaire ? Eh bien, si notre intention est de permettre à ce mouvement de compteur de mesurer une plus grande tension qu'aujourd'hui, nous avons besoin d'un diviseur de tension circuit pour répartir la tension totale mesurée en une fraction moindre entre les points de connexion du mouvement du compteur. Sachant que les circuits diviseurs de tension sont construits à partir de série résistances, nous allons connecter une résistance en série avec le mouvement du compteur (en utilisant la propre résistance interne du mouvement comme deuxième résistance dans le diviseur) :

Résistances multiplicatrices

La résistance série est appelée résistance « multiplicatrice » car elle multiplie la plage de fonctionnement du mouvement du compteur car il divise proportionnellement la tension mesurée à ses bornes. Déterminer la valeur de résistance multiplicatrice requise est une tâche facile si vous êtes familiarisé avec l'analyse de circuits en série.

Par exemple, déterminons la valeur du multiplicateur nécessaire pour que ce mouvement de 1 mA, 500 soit lu exactement à pleine échelle à une tension appliquée de 10 volts. Pour ce faire, nous devons d'abord mettre en place une table E/I/R pour les deux composants de la série :

Sachant que le mouvement sera à pleine échelle avec 1 mA de courant qui le traverse, et que nous voulons que cela se produise à une tension appliquée (circuit en série totale) de 10 volts, nous pouvons remplir le tableau comme tel :

Il existe plusieurs façons de déterminer la valeur de résistance du multiplicateur. Une façon consiste à déterminer la résistance totale du circuit en utilisant la loi d'Ohm dans la colonne « total » (R=E/I), puis soustraire les 500  du mouvement pour arriver à la valeur du multiplicateur :

Une autre façon de calculer la même valeur de résistance serait de déterminer la chute de tension à travers le mouvement à la déviation à pleine échelle (E =IR), puis de soustraire cette chute de tension du total pour arriver à la tension aux bornes de la résistance multiplicatrice. Enfin, la loi d'Ohm pourrait être à nouveau utilisée pour déterminer la résistance (R=E/I) pour le multiplicateur :

L'une ou l'autre manière fournit la même réponse (9,5 kΩ), et une méthode pourrait être utilisée comme vérification pour l'autre, pour vérifier l'exactitude du travail.

Avec exactement 10 volts appliqués entre les fils de test du compteur (à partir d'une batterie ou d'une alimentation de précision), il y aura exactement 1 mA de courant à travers le mouvement du compteur, comme limité par la résistance "multiplicateur" et la propre résistance interne du mouvement. Exactement 1/2 volt tombera sur la résistance de la bobine de fil du mouvement, et l'aiguille pointera précisément à pleine échelle. Après avoir ré-étiqueté la balance pour lire de 0 à 10 V (au lieu de 0 à 1 mA), toute personne regardant la balance interprétera son indication comme dix volts.

Veuillez noter que l'utilisateur du compteur n'a pas du tout besoin de savoir que le mouvement lui-même ne mesure en fait qu'une fraction de ces dix volts de la source externe. Tout ce qui compte pour l'utilisateur, c'est que le circuit dans son ensemble fonctionne pour afficher avec précision la tension totale appliquée.

C'est ainsi que les compteurs électriques pratiques sont conçus et utilisés :un mouvement de compteur sensible est conçu pour fonctionner avec le moins de tension et de courant possible pour une sensibilité maximale, puis il est « trompé » par une sorte de circuit diviseur constitué de résistances de précision afin qu'il indique la pleine échelle lorsqu'une tension ou un courant beaucoup plus important est appliqué sur l'ensemble du circuit. Nous avons examiné ici la conception d'un simple voltmètre. Les ampèremètres suivent la même règle générale, sauf que des résistances « shunt » connectées en parallèle sont utilisées pour créer un diviseur de courant circuit par opposition au diviseur de tension connecté en série résistances "multiplicateurs" utilisées pour les conceptions de voltmètres.

Généralement, il est utile d'avoir plusieurs plages établies pour un compteur électromécanique comme celui-ci, lui permettant de lire une large plage de tensions avec un seul mécanisme de mouvement. Ceci est accompli grâce à l'utilisation d'un interrupteur multipolaire et de plusieurs résistances multiplicatrices, chacune dimensionnée pour une plage de tension particulière :

Le commutateur à cinq positions n'entre en contact qu'avec une seule résistance à la fois. En position inférieure (à fond dans le sens des aiguilles d'une montre), il n'entre en contact avec aucune résistance, offrant un réglage « off ». Chaque résistance est dimensionnée pour fournir une plage de pleine échelle particulière pour le voltmètre, le tout basé sur la valeur nominale particulière du mouvement du compteur (1 mA, 500 Ω). Le résultat final est un voltmètre avec quatre plages de mesure pleine échelle différentes. Bien entendu, pour que cela fonctionne judicieusement, l'échelle du mouvement du compteur doit être équipée d'étiquettes adaptées à chaque gamme.

Avec une telle conception de compteur, chaque valeur de résistance est déterminée par la même technique, à l'aide d'une tension totale connue, d'une valeur nominale de déviation à pleine échelle et d'une résistance au mouvement. Pour un voltmètre avec des plages de 1 volt, 10 volts, 100 volts et 1 000 volts, les résistances multiplicatrices seraient les suivantes :

Notez les valeurs de résistance multiplicatrice utilisées pour ces plages et à quel point elles sont étranges. Il est hautement improbable qu'une résistance de précision de 999,5 kΩ soit jamais trouvée dans un bac de pièces, donc les concepteurs de voltmètres optent souvent pour une variante de la conception ci-dessus qui utilise des valeurs de résistance plus courantes :

Avec chaque plage de tension successivement plus élevée, davantage de résistances multiplicatrices sont mises en service par le sélecteur, ce qui fait que leurs résistances en série s'ajoutent pour le total nécessaire. Par exemple, avec le sélecteur de gamme réglé sur la position 1000 volts, nous avons besoin d'une valeur de résistance multiplicatrice totale de 999,5 kΩ. Avec cette conception de compteur, c'est exactement ce que nous obtiendrons :

R_Total =R4 + R3 + R2 + R1 R_Total =900 kΩ + 90 kΩ + 9 kΩ + 500 R_Total =999,5 kΩ

L'avantage, bien sûr, est que les valeurs de résistance multiplicatrice individuelles sont plus courantes (900k, 90k, 9k) que certaines des valeurs impaires de la première conception (999,5k, 99,5k, 9,5k). Du point de vue de l'utilisateur du compteur, cependant, il n'y aura pas de différence perceptible dans la fonction.

AVIS :

• Les plages de voltmètre étendues sont créées pour les mouvements de compteur sensibles en ajoutant des résistances « multiplicatrices » en série au circuit de mouvement, fournissant un rapport de division de tension précis.

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Fiche de conception du voltmètre
• Fiche de travail du voltmètre