Conception de l'ohmmètre

Bien que les conceptions d'ohmmètres mécaniques (mètres de résistance) soient rarement utilisées aujourd'hui, ayant été largement remplacées par des instruments numériques, leur fonctionnement est néanmoins intrigant et mérite d'être étudié.

Objectif de l'ohmmètre

Le but d'un ohmmètre, bien sûr, est de mesurer la résistance placée entre ses fils. Cette lecture de résistance est indiquée par un mouvement de compteur mécanique qui fonctionne sur le courant électrique. L'ohmmètre doit alors avoir une source de tension interne pour créer le courant nécessaire pour faire fonctionner le mouvement, et également avoir des résistances de plage appropriées pour permettre juste la bonne quantité de courant à travers le mouvement à n'importe quelle résistance donnée.

Comment fonctionne un ohmmètre ?

En commençant par un simple mouvement et un circuit de batterie, voyons comment il fonctionnerait comme un ohmmètre :

Lorsqu'il y a une résistance infinie (pas de continuité entre les cordons de test), il n'y a aucun courant dans le mouvement du compteur et l'aiguille pointe vers l'extrême gauche de l'échelle. À cet égard, l'indication de l'ohmmètre est "à l'envers" car l'indication maximale (infini) se trouve à gauche de l'échelle, tandis que les compteurs de tension et de courant ont zéro à gauche de leur échelle.

Si les cordons de test de cet ohmmètre sont directement court-circuités (mesurant zéro ), le mouvement du compteur sera traversé par une quantité maximale de courant, limitée uniquement par la tension de la batterie et la résistance interne du mouvement :

Avec 9 volts de potentiel de batterie et seulement 500 de résistance de mouvement, le courant de notre circuit sera de 18 mA, ce qui est bien au-delà de la valeur nominale du mouvement. Un tel excès de courant endommagera probablement le compteur.

Non seulement cela, mais avoir une telle condition limite l'utilité de l'appareil. Si l'entière gauche de l'échelle sur la face du compteur représente une quantité infinie de résistance, alors l'entière droite de l'échelle devrait représenter zéro. Actuellement, notre conception « pique » le mouvement du compteur vers la droite lorsqu'une résistance nulle est attachée entre les fils. Nous avons besoin d'un moyen de faire en sorte que le mouvement s'enregistre à pleine échelle lorsque les cordons de test sont court-circuités. Ceci est accompli en ajoutant une résistance en série au circuit du compteur :

Pour déterminer la valeur appropriée pour R, nous calculons la résistance totale du circuit nécessaire pour limiter le courant à 1 mA (déviation à pleine échelle sur le mouvement) avec 9 volts de potentiel de la batterie, puis soustrayons la résistance interne du mouvement de ce chiffre :

Maintenant que la bonne valeur de R a été calculée, nous nous retrouvons toujours avec un problème de portée du compteur. Sur le côté gauche de l'échelle, nous avons « l'infini » et sur le côté droit, nous avons zéro. En plus d'être « en arrière » par rapport aux échelles des voltmètres et des ampèremètres, cette échelle est étrange car elle va de rien à tout, plutôt que de rien à une valeur finie (comme 10 volts, 1 ampère, etc.).

On pourrait s'arrêter pour se demander :« que représente le milieu d'échelle ? Quel chiffre se situe exactement entre zéro et l'infini ? L'infini est plus qu'un très grand quantité :c'est une quantité incalculable, plus grande que n'importe quel nombre défini ne pourrait jamais l'être. Si l'indication de demi-échelle sur tout autre type de compteur représente la moitié de la valeur de la plage de pleine échelle, alors qu'est-ce que la moitié de l'infini sur une échelle d'ohmmètre ?

Échelle logarithmique de l'ohmmètre

La réponse à ce paradoxe est une échelle non linéaire . En termes simples, l'échelle d'un ohmmètre ne progresse pas en douceur de zéro à l'infini lorsque l'aiguille balaie de droite à gauche. Au contraire, l'échelle commence « étendue » sur le côté droit, les valeurs de résistance successives se rapprochant de plus en plus les unes des autres vers le côté gauche de l'échelle :

L'infini ne peut pas être approché de manière linéaire (égale), car l'échelle ne serait jamais allez y ! Avec une échelle non linéaire, la quantité de résistance couvrant une distance donnée sur l'échelle augmente à mesure que l'échelle progresse vers l'infini, faisant de l'infini un objectif réalisable.

Nous avons encore une question de portée pour notre ohmmètre, cependant. Quelle valeur de résistance entre les cordons de test provoquera exactement une déviation d'échelle 1/2 de l'aiguille ? Si nous savons que le mouvement a une valeur nominale à pleine échelle de 1 mA, alors 0,5 mA (500 µA) doit être la valeur nécessaire pour la déviation à mi-échelle. Suite à notre conception avec la batterie 9 volts comme source, nous obtenons :

Avec une résistance de mouvement interne de 500 Ω et une résistance de plage en série de 8,5 kΩ, cela laisse 9 kΩ pour une résistance de test externe (fil à fil) à l'échelle 1/2. En d'autres termes, la résistance de test donnant une déviation d'échelle 1/2 dans un ohmmètre est égale en valeur à la résistance totale en série (interne) du circuit du compteur.

En utilisant la loi d'Ohm plusieurs fois, nous pouvons également déterminer la valeur de résistance de test pour la déviation à l'échelle 1/4 et 3/4 :

Déviation à l'échelle 1/4 (0,25 mA de courant de compteur) :

Déviation à l'échelle 3/4 (0,75 mA du courant du compteur) :

Ainsi, l'échelle de cet ohmmètre ressemble à ceci :

Un problème majeur avec cette conception est sa dépendance à une tension de batterie stable pour une lecture précise de la résistance. Si la tension de la batterie diminue (comme toutes les batteries chimiques le font avec l'âge et l'utilisation), l'échelle de l'ohmmètre perdra en précision. Avec la résistance de plage en série à une valeur constante de 8,5 kΩ et la tension de la batterie en baisse, le multimètre ne déviera plus la pleine échelle vers la droite lorsque les cordons de test sont court-circuités (0 Ω). De même, une résistance de test de 9 kΩ ne parviendra pas à dévier l'aiguille à exactement 1/2 échelle avec une tension de batterie moindre.

Il existe des techniques de conception utilisées pour compenser les variations de tension de la batterie, mais elles ne résolvent pas complètement le problème et doivent être considérées au mieux comme des approximations. Pour cette raison, et du fait de l'échelle non linéaire, ce type d'ohmmètre n'est jamais considéré comme un instrument de précision.

Une dernière mise en garde doit être mentionnée en ce qui concerne les ohmmètres :ils ne fonctionnent correctement que lorsqu'ils mesurent une résistance qui n'est pas alimentée par une source de tension ou de courant. En d'autres termes, vous ne pouvez pas mesurer la résistance avec un ohmmètre sur un circuit « sous tension » ! La raison en est simple :l'indication précise de l'ohmmètre dépend de la seule source de tension étant sa batterie interne. La présence de toute tension aux bornes du composant à mesurer interférera avec le fonctionnement de l'ohmmètre. Si la tension est suffisamment élevée, cela peut même endommager l'ohmmètre.

AVIS :

• Les ohmmètres contiennent des sources de tension internes pour fournir de l'énergie lors de la prise de mesures de résistance.
• Une échelle d'ohmmètre analogique est "à l'envers" de celle d'un voltmètre ou d'un ampèremètre, l'aiguille de mouvement indiquant une résistance nulle à pleine échelle et une résistance infinie au repos.
• Les ohmmètres analogiques ont également des échelles non linéaires, "étendues" à l'extrémité inférieure de l'échelle et "compressées" à l'extrémité supérieure pour pouvoir s'étendre de zéro à une résistance infinie.
• Les ohmmètres analogiques ne sont pas des instruments de précision.
• Les ohmmètres ne devraient jamais être connecté à un circuit sous tension (c'est-à-dire un circuit avec sa propre source de tension). Toute tension appliquée aux cordons de test d'un ohmmètre invalidera sa lecture.

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Fiche de travail de l'ampèremètre à l'ohmmètre
• Fiche de travail d'utilisation de l'ohmmètre de base