Conception de l'ampèremètre

Les ampèremètres mesurent le courant électrique

Un compteur conçu pour mesurer le courant électrique est communément appelé « ampèremètre » parce que l'unité de mesure est « l'ampère ».

Dans les conceptions d'ampèremètre, les résistances externes ajoutées pour étendre la plage utilisable du mouvement sont connectées en parallèle avec le mouvement plutôt qu'en série comme c'est le cas pour les voltmètres. C'est parce que nous voulons diviser le courant mesuré, pas la tension mesurée, allant au mouvement, et parce que les circuits diviseurs de courant sont toujours formés par des résistances parallèles.

Conception d'un ampèremètre

En prenant le même mouvement de compteur que l'exemple du voltmètre, nous pouvons voir qu'il constituerait un instrument très limité en lui-même, la déviation à pleine échelle se produisant à seulement 1 mA :

Comme c'est le cas pour l'extension de la capacité de mesure de tension d'un mouvement de compteur, nous devrions ré-étiqueter en conséquence l'échelle du mouvement afin qu'elle se lise différemment pour une plage de courant étendue. Par exemple, si nous voulions concevoir un ampèremètre pour avoir une plage pleine échelle de 5 ampères en utilisant le même mouvement de compteur qu'auparavant (ayant une plage pleine échelle intrinsèque de seulement 1 mA), nous devrions ré-étiqueter le mouvement échelle pour lire 0 A à l'extrême gauche et 5 A à l'extrême droite, plutôt que 0 mA à 1 mA comme avant.

Quelle que soit la plage étendue fournie par les résistances connectées en parallèle, nous aurions à représenter graphiquement sur la face de mouvement du compteur.

En utilisant 5 ampères comme plage étendue pour notre exemple de mouvement, déterminons la quantité de résistance parallèle nécessaire pour « shunter » ou contourner la majorité du courant afin que seulement 1 mA traverse le mouvement avec un courant total de 5 A :

À partir de nos valeurs données de courant de mouvement, de résistance de mouvement et de courant de circuit total (mesuré), nous pouvons déterminer la tension aux bornes du mouvement du compteur (loi d'Ohm appliquée à la colonne centrale, E=IR) :

Sachant que le circuit formé par le mouvement et le shunt est de configuration parallèle, on sait que la tension aux bornes du mouvement, du shunt et des cordons de test (totale) doit être la même :

Nous savons également que le courant traversant le shunt doit être la différence entre le courant total (5 ampères) et le courant traversant le mouvement (1 mA), car les courants de dérivation s'additionnent dans une configuration parallèle :

Ensuite, en utilisant la loi d'Ohm (R=E/I) dans la colonne de droite, nous pouvons déterminer la résistance shunt nécessaire :

Bien sûr, nous aurions pu calculer la même valeur d'un peu plus de 100 milli-ohms (100 mΩ) pour le shunt en calculant la résistance totale (R=E/I; 0,5 volts/5 ampères =100 mΩ exactement), puis en travaillant le parallèle formule de résistance à l'envers, mais l'arithmétique aurait été plus difficile :

Un ampèremètre dans des conceptions réelles

Dans la vraie vie, la résistance shunt d'un ampèremètre sera généralement enfermée dans le boîtier métallique de protection du compteur, à l'abri des regards. Notez la construction de l'ampèremètre sur la photo suivante :

Cet ampèremètre particulier est une unité automobile fabriquée par Stewart-Warner. Bien que le mouvement du compteur D'Arsonval lui-même ait probablement une cote à pleine échelle de l'ordre des milliampères, le compteur dans son ensemble a une plage de +/- 60 ampères. La résistance shunt fournissant cette plage de courant élevée est enfermée dans le boîtier métallique du compteur.

Notez également avec ce compteur particulier que l'aiguille se centre à zéro ampères et peut indiquer soit un courant "positif" soit un courant "négatif". Connecté au circuit de charge de batterie d'une automobile, ce compteur est capable d'indiquer une condition de charge (courant circulant du générateur à la batterie) ou une condition de décharge (courant circulant de la batterie vers le reste des charges de la voiture).

Augmentation de la plage d'utilisation d'un ampèremètre

Comme c'est le cas avec les voltmètres multi-gammes, les ampèremètres peuvent avoir plus d'une plage utilisable en incorporant plusieurs résistances shunt commutées avec un interrupteur multipolaire :

Notez que les résistances de plage sont connectées via le commutateur de manière à être en parallèle avec le mouvement du compteur, plutôt qu'en série comme c'était le cas dans la conception du voltmètre. Le commutateur à cinq positions n'entre en contact qu'avec une seule résistance à la fois, bien sûr. Chaque résistance est dimensionnée en conséquence pour une plage de pleine échelle différente, en fonction de la valeur nominale particulière du mouvement du compteur (1 mA, 500 Ω).

Avec une telle conception de compteur, chaque valeur de résistance est déterminée par la même technique, à l'aide d'un courant total connu, d'une valeur nominale de déviation à pleine échelle et d'une résistance au mouvement. Pour un ampèremètre avec des plages de 100 mA, 1 A, 10 A et 100 A, les résistances shunt seraient les suivantes :

Notez que ces valeurs de résistance shunt sont très faibles ! 5 00005 mΩ équivaut à 5 00005 milli-ohms, ou 0,00500005 ohms ! Pour atteindre ces faibles résistances, les résistances shunt ampèremétriques doivent souvent être fabriquées sur mesure à partir de fils de relativement gros diamètre ou de morceaux de métal solides.

Une chose à prendre en compte lors du dimensionnement des résistances shunt ampèremétriques est le facteur de dissipation de puissance. Contrairement au voltmètre, les résistances de portée d'un ampèremètre doivent transporter de grandes quantités de courant. Si ces résistances shunt ne sont pas dimensionnées en conséquence, elles peuvent surchauffer et subir des dommages, ou à tout le moins perdre en précision en raison d'une surchauffe. Pour l'exemple de compteur ci-dessus, les dissipations de puissance à l'indication à pleine échelle sont (les lignes à double ondulation représentent « environ égale à » en mathématiques) :

Une résistance de 1/8 watt fonctionnerait très bien pour R₄ , une résistance de 1/2 watt suffirait pour R₃ et un 5 watts pour R₂ (bien que les résistances aient tendance à mieux maintenir leur précision à long terme si elles ne sont pas utilisées près de leur dissipation de puissance nominale, vous voudrez donc peut-être surévaluer les résistances R₂ et R₃ ), mais les résistances de précision de 50 watts sont en effet des composants rares et coûteux. Une résistance personnalisée en métal ou en fil épais devra peut-être être construite pour R₁ pour répondre à la fois aux exigences de faible résistance et de puissance nominale élevée.

Parfois, des résistances shunt sont utilisées en conjonction avec des voltmètres à résistance d'entrée élevée pour mesurer le courant. Dans ces cas, le courant traversant le mouvement du voltmètre est suffisamment petit pour être considéré comme négligeable, et la résistance shunt peut être dimensionnée en fonction du nombre de volts ou de millivolts de chute produits par ampère de courant :

Si, par exemple, la résistance shunt du circuit ci-dessus était dimensionnée à précisément 1 , il y aurait 1 volt de chute pour chaque ampère de courant qui la traverse. L'indication du voltmètre pourrait alors être considérée comme une indication directe du courant à travers le shunt.

Pour mesurer de très faibles courants, des valeurs plus élevées de résistance shunt pourraient être utilisées pour générer plus de chute de tension par unité de courant donnée, étendant ainsi la plage utilisable du (volt)mètre vers des quantités de courant plus faibles. L'utilisation de voltmètres en conjonction avec des résistances shunt de faible valeur pour la mesure du courant est quelque chose de courant dans les applications industrielles.

Utiliser une résistance shunt et un voltmètre au lieu d'un ampèremètre

L'utilisation d'une résistance shunt avec un voltmètre pour mesurer le courant peut être une astuce utile pour simplifier la tâche des mesures de courant fréquentes dans un circuit. Normalement, pour mesurer le courant à travers un circuit avec un ampèremètre, le circuit devrait être coupé (interrompu) et l'ampèremètre inséré entre les extrémités des fils séparés, comme ceci :

Si nous avons un circuit où le courant doit être mesuré souvent, ou si nous souhaitons simplement rendre le processus de mesure du courant plus pratique, une résistance shunt pourrait être placée entre ces points et laissée là en permanence, les lectures de courant prises avec un voltmètre au besoin. sans interrompre la continuité du circuit :

Bien sûr, il faut prendre soin de dimensionner la résistance shunt suffisamment bas pour qu'elle n'affecte pas le fonctionnement normal du circuit, mais ce n'est généralement pas difficile à faire. Cette technique peut également être utile dans l'analyse de circuits informatiques, où nous pourrions vouloir que l'ordinateur affiche le courant à travers un circuit en termes de tension (avec SPICE, cela nous permettrait d'éviter l'idiosyncrasie de lire des valeurs de courant négatives) :

exemple de circuit de résistance shunt v1 1 0 rshunt 1 2 1 rload 2 0 15k .dc v1 12 12 1 .print dc v(1,2) .end 

v1 v(1,2) 1.200E+01 7.999E-04 

Nous interpréterions la lecture de tension aux bornes de la résistance shunt (entre les nœuds de circuit 1 et 2 dans la simulation SPICE) directement comme des ampères, 7,999E-04 étant de 0,7999 mA, ou 799,9 µA. Idéalement, 12 volts appliqués directement sur 15 kΩ nous donneraient exactement 0,8 mA, mais la résistance du shunt diminue un tout petit peu ce courant (comme dans la vraie vie).

Cependant, une erreur aussi minime est généralement bien dans les limites de précision acceptables pour une simulation ou un circuit réel, et les résistances shunt peuvent donc être utilisées dans toutes les applications, sauf les plus exigeantes, pour une mesure précise du courant.

AVIS :

• Les plages d'ampèremètres sont créées en ajoutant des résistances « shunt » parallèles au circuit de mouvement, ce qui permet une division précise du courant.
• Les résistances shunt peuvent avoir des dissipations de puissance élevées, soyez donc prudent lorsque vous choisissez des pièces pour de tels compteurs !
• Les résistances shunt peuvent être utilisées avec des voltmètres à haute résistance ainsi qu'avec des mouvements d'ampèremètres à faible résistance, produisant des chutes de tension précises pour des quantités de courant données. Les résistances shunt doivent être sélectionnées pour une valeur de résistance aussi faible que possible afin de minimiser leur impact sur le circuit testé.

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Feuille de travail de conception d'ampèremètre