Impact du voltmètre sur le circuit mesuré

Chaque compteur a un impact sur le circuit qu'il mesure dans une certaine mesure, tout comme n'importe quelle jauge de pression des pneus modifie légèrement la pression des pneus mesurée car de l'air est libéré pour faire fonctionner la jauge. Bien qu'un certain impact soit inévitable, il peut être minimisé grâce à une bonne conception du compteur.

Circuit diviseur de tension

Étant donné que les voltmètres sont toujours connectés en parallèle avec le ou les composants testés, tout courant traversant le voltmètre contribuera au courant global dans le circuit testé, affectant potentiellement la tension mesurée. Un voltmètre parfait a une résistance infinie, de sorte qu'il ne tire aucun courant du circuit testé. Cependant, les voltmètres parfaits n'existent que dans les pages des manuels, pas dans la vraie vie ! Prenez le circuit diviseur de tension suivant comme exemple extrême de l'impact d'un voltmètre réaliste sur le circuit et sa mesure :

Sans voltmètre connecté au circuit, il devrait y avoir exactement 12 volts sur chaque résistance de 250 MΩ dans le circuit en série, les deux résistances de valeur égale divisant la tension totale (24 volts) exactement par deux. Cependant, si le voltmètre en question a une résistance fil à fil de 10 MΩ (une quantité courante pour un voltmètre numérique moderne), sa résistance créera un sous-circuit parallèle avec la résistance inférieure du diviseur lorsqu'il est connecté :

Cela réduit efficacement la résistance inférieure de 250 MΩ à 9,615 MΩ (250 MΩ et 10 MΩ en parallèle), modifiant considérablement les chutes de tension dans le circuit. La résistance inférieure aura maintenant beaucoup moins de tension qu'auparavant, et la résistance supérieure beaucoup plus.

Diviseur de tension mesuré

Un diviseur de tension avec des valeurs de résistance de 250 MΩ et 9,615 MΩ divisera 24 volts en portions de 23,111 volts et 0,8889 volts, respectivement. Étant donné que le voltmètre fait partie de cette résistance de 9,615 MΩ, c'est ce qu'il indiquera :0,8889 volts.

Désormais, le voltmètre ne peut indiquer que la tension à laquelle il est connecté. Il n'a aucun moyen de « savoir » qu'il y a eu une chute de potentiel de 12 volts sur la résistance inférieure de 250 MΩ avant il était connecté à travers elle. Le fait même de connecter le voltmètre au circuit en fait une partie du circuit, et la propre résistance du voltmètre modifie le rapport de résistance du circuit diviseur de tension, affectant par conséquent la tension mesurée.

Comment fonctionne un voltmètre ?

Imaginez que vous utilisiez un manomètre pour pneu dont le fonctionnement nécessite un volume d'air si important qu'il dégonflerait n'importe quel pneu auquel il était connecté. La quantité d'air consommée par le manomètre dans l'acte de mesure est analogue au courant pris par le mouvement du voltmètre pour déplacer l'aiguille. Moins un manomètre a besoin d'air pour fonctionner, moins il dégonflera le pneu testé. Moins un voltmètre consomme de courant pour actionner l'aiguille, moins il surchargera le circuit à tester.

Cet effet est appelé chargement , et il est présent dans une certaine mesure dans chaque cas d'utilisation d'un voltmètre. Le scénario présenté ici est le pire des cas, avec une résistance du voltmètre sensiblement inférieure aux résistances des résistances du diviseur. Mais il y aura toujours un certain degré de charge, ce qui amènera le compteur à indiquer moins que la vraie tension sans compteur connecté. Évidemment, plus la résistance du voltmètre est élevée, moins le circuit à tester est chargé, et c'est pourquoi un voltmètre idéal a une résistance interne infinie.

Les voltmètres à mouvements électromécaniques reçoivent généralement des valeurs nominales en « ohms par volt » de plage pour désigner la quantité d'impact de circuit créé par l'appel de courant du mouvement. Étant donné que ces compteurs reposent sur différentes valeurs de résistances multiplicatrices pour donner différentes plages de mesure, leurs résistances de fil à fil changeront en fonction de la plage sur laquelle ils sont réglés. Les voltmètres numériques, en revanche, présentent souvent une résistance constante entre leurs cordons de test, quel que soit le réglage de la plage (mais pas toujours !), et en tant que tels, ils sont généralement évalués simplement en ohms de résistance d'entrée, plutôt qu'en « ohms par volt ».

Ce que « ohms par volt » signifie, c'est combien d'ohms de résistance de fil à fil pour chaque volt de réglage de plage sur le sélecteur. Prenons notre exemple de voltmètre de la dernière section comme exemple :

Sur l'échelle de 1 000 volts, la résistance totale est de 1 MΩ (999,5 kΩ + 500 Ω), soit 1 000 000 pour 1 000 volts de plage, soit 1 000 ohms par volt (1 kΩ/V). Cette note de « sensibilité » en ohms par volt reste constante pour n'importe quelle gamme de ce compteur :

L'observateur avisé remarquera que la valeur nominale en ohms par volt de n'importe quel compteur est déterminée par un seul facteur :le courant à pleine échelle du mouvement, dans ce cas 1 mA. "Ohms par volt" est l'inverse mathématique de "volts par ohm", qui est défini par la loi d'Ohm comme courant (I=E/R). Par conséquent, le courant à pleine échelle du mouvement dicte la sensibilité Ω/volt du compteur, quelles que soient les gammes dont le concepteur l'équipe via des résistances multiplicatrices. Dans ce cas, le courant nominal à pleine échelle du mouvement du compteur de 1 mA lui confère une sensibilité de voltmètre de 1 000 Ω/V, quelle que soit la façon dont nous le plaçons avec des résistances multiplicatrices.

Pour minimiser la charge d'un voltmètre sur n'importe quel circuit, le concepteur doit chercher à minimiser l'appel de courant de son mouvement. Cela peut être accompli en reconcevant le mouvement lui-même pour une sensibilité maximale (moins de courant requis pour la déviation à pleine échelle), mais le compromis ici est généralement la robustesse :un mouvement plus sensible a tendance à être plus fragile.

Une autre approche consiste à augmenter électroniquement le courant envoyé au mouvement, de sorte que très peu de courant doive être tiré du circuit testé. Ce circuit électronique spécial est connu sous le nom d'amplificateur , et le voltmètre ainsi construit est un voltmètre amplifié .

Le fonctionnement interne d'un amplificateur est trop complexe pour être discuté à ce stade, mais il suffit de dire que le circuit permet à la tension mesurée de contrôler combien de courant de batterie est envoyé au mouvement du compteur. Ainsi, les besoins en courant du mouvement sont fournis par une pile interne au voltmètre et non par le circuit à tester. L'amplificateur charge toujours le circuit testé dans une certaine mesure, mais généralement des centaines ou des milliers de fois moins que le mouvement du compteur ne le ferait par lui-même.

Voltmètres à tube à vide (VTVM)

Avant l'avènement des semi-conducteurs connus sous le nom de « transistors à effet de champ », les tubes à vide étaient utilisés comme dispositifs d'amplification pour effectuer cette amplification. De tels voltmètres à tube à vide , ou (VTVM) étaient autrefois des instruments très populaires pour les tests et mesures électroniques. Voici une photographie d'une très vieille VTVM, avec le tube à vide exposé !

Désormais, les circuits amplificateurs à transistors à semi-conducteurs accomplissent la même tâche dans les conceptions de compteurs numériques. Bien que cette approche (qui consiste à utiliser un amplificateur pour augmenter le courant de signal mesuré) fonctionne bien, elle complique considérablement la conception du compteur, ce qui rend presque impossible pour l'étudiant débutant en électronique de comprendre son fonctionnement interne.

Une solution finale et ingénieuse au problème de la charge du voltmètre est celle du potentiométrique ou solde nul instrument. Il ne nécessite aucun circuit (électronique) avancé ni dispositif sensible comme des transistors ou des tubes à vide, mais il nécessite une plus grande implication et compétence des techniciens. Dans un instrument potentiométrique, une source de tension réglable avec précision est comparée à la tension mesurée, et un dispositif sensible appelé détecteur nul est utilisé pour indiquer quand les deux tensions sont égales.

Dans certaines conceptions de circuits, un potentiomètre de précision est utilisé pour fournir la tension réglable, d'où l'étiquette potentiométrique . Lorsque les tensions sont égales, il n'y aura aucun courant tiré du circuit testé, et donc la tension mesurée ne devrait pas être affectée. Il est facile de montrer comment cela fonctionne avec notre dernier exemple, le circuit diviseur de tension à haute résistance :

Détecteur nul

Le « détecteur nul » est un appareil sensible capable d'indiquer la présence de très faibles tensions. Si un mouvement de compteur électromécanique est utilisé comme détecteur de zéro, il aura une aiguille centrée sur ressort qui peut dévier dans les deux sens afin d'être utile pour indiquer une tension de l'une ou l'autre polarité. Comme le but d'un détecteur nul est d'indiquer avec précision une condition de zéro tension, plutôt que d'indiquer une quantité spécifique (non nulle) comme le ferait un voltmètre normal, l'échelle de l'instrument utilisé n'est pas pertinente. Les détecteurs nuls sont généralement conçus pour être aussi sensibles que possible afin d'indiquer plus précisément une condition « nulle » ou « d'équilibre » (tension nulle).

Un type extrêmement simple de détecteur de zéro est un casque audio, les haut-parleurs à l'intérieur agissant comme une sorte de mouvement de compteur. Lorsqu'une tension continue est initialement appliquée à un haut-parleur, le courant qui le traverse déplacera le cône du haut-parleur et produira un « clic » audible. Un autre son de « clic » se fera entendre lorsque la source CC est déconnectée. Sur la base de ce principe, un détecteur de zéro sensible peut être constitué de rien de plus qu'un casque et un interrupteur à contact momentané :

Si un casque « 8 ohms » est utilisé à cette fin, sa sensibilité peut être considérablement augmentée en le connectant à un appareil appelé transformateur . Le transformateur exploite les principes de l'électromagnétisme pour « transformer » les niveaux de tension et de courant des impulsions d'énergie électrique. Dans ce cas, le type de transformateur utilisé est un abaisseur transformateur, et il convertit les impulsions à faible courant (créées en fermant et en ouvrant le bouton-poussoir lorsqu'il est connecté à une petite source de tension) en impulsions à courant plus élevé pour piloter plus efficacement les cônes des haut-parleurs à l'intérieur du casque.

Un transformateur de "sortie audio" avec un rapport d'impédance de 1000:8 est idéal à cet effet. Le transformateur augmente également la sensibilité du détecteur en accumulant l'énergie d'un signal à faible courant dans un champ magnétique pour une libération soudaine dans les haut-parleurs du casque lorsque l'interrupteur est ouvert. Ainsi, il produira des « clics » plus forts pour détecter des signaux plus petits :

Connecté au circuit potentiométrique en tant que détecteur de zéro, l'agencement interrupteur/transformateur/casque est utilisé comme tel :

Le but de tout détecteur de zéro est d'agir comme une balance de laboratoire, indiquant quand les deux tensions sont égales (absence de tension entre les points 1 et 2) et rien de plus. Le fléau d'équilibre à l'échelle du laboratoire ne pèse en réalité rien ; plutôt, il indique simplement l'égalité entre la masse inconnue et la pile de masses standard (calibrées).

De même, le détecteur nul indique simplement quand la tension entre les points 1 et 2 est égale, ce qui (selon la loi de tension de Kirchhoff) sera le moment où la source de tension réglable (le symbole de la batterie avec une flèche diagonale la traversant) est précisément égale en tension à la baisse sur R2.

Pour faire fonctionner cet instrument, le technicien ajusterait manuellement la sortie de la source de tension de précision jusqu'à ce que le détecteur de zéro indique exactement zéro (s'il utilise un casque audio comme détecteur de zéro, le technicien appuierait et relâcherait à plusieurs reprises le bouton-poussoir, écoutant le silence pour indiquer que le circuit était « équilibré »), puis notez la tension de la source indiquée par un voltmètre connecté aux bornes de la source de tension de précision, cette indication étant représentative de la tension aux bornes de la résistance inférieure de 250 MΩ :

Le voltmètre utilisé pour mesurer directement la source de précision n'a pas besoin d'avoir une sensibilité Ω/V extrêmement élevée, car la source fournira tout le courant dont elle a besoin pour fonctionner. Tant qu'il y a une tension nulle aux bornes du détecteur nul, il y aura un courant nul entre les points 1 et 2, ce qui équivaut à aucune charge du circuit diviseur testé.

Il vaut la peine de réitérer le fait que cette méthode, correctement exécutée, place presque zéro charge sur le circuit mesuré. Idéalement, il ne place absolument aucune charge sur le circuit testé, mais pour atteindre cet objectif idéal, le détecteur nul devrait avoir une tension absolument nulle à ses bornes , ce qui nécessiterait un compteur nul infiniment sensible et un équilibre parfait de tension de la source de tension réglable.

Cependant, malgré son incapacité pratique à atteindre une charge nulle absolu, un circuit potentiométrique est toujours une excellente technique pour mesurer la tension dans les circuits à haute résistance. Et contrairement à la solution d'amplificateur électronique, qui résout le problème avec une technologie de pointe, la méthode potentiométrique permet d'obtenir une solution hypothétiquement parfaite en exploitant une loi fondamentale de l'électricité (KVL).

AVIS :

• Un voltmètre idéal a une résistance infinie.
• Une résistance interne trop faible dans un voltmètre affectera négativement le circuit mesuré.
• Les voltmètres à tube à vide (VTVM), les voltmètres à transistor et les circuits potentiométriques sont tous des moyens de minimiser la charge placée sur un circuit mesuré. Parmi ces méthodes, la technique potentiométrique ("null-balance") est la seule capable de mettre zéro charge sur le circuit.
• Un détecteur nul est un appareil conçu pour une sensibilité maximale aux faibles tensions ou courants. Il est utilisé dans les circuits de voltmètre potentiométrique pour indiquer l'absence de tension entre deux points, indiquant ainsi une condition d'équilibre entre une source de tension réglable et la tension mesurée.

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Feuille de travail d'utilisation du voltmètre de base