Voltmètre potentiométrique : Mesure précise de tension avec charge minimale

Pièces et Matériaux

• Deux piles 6 V
• Potentiomètre linéaire 10 kΩ, un tour (Radio Shack #271-1715)
• Deux résistances de haute valeur (≥1 MΩ chacune)
• Détecteur de tension sensible (de l'expérience précédente)
• Voltmètre analogique (de l'expérience précédente)

La valeur du potentiomètre est flexible : de 1 kΩ à 100 kΩ fonctionnera. Si vous avez construit le potentiomètre de précision décrit plus tôt dans ce chapitre, il est idéal pour cet exercice. De même, des valeurs de résistance plus élevées améliorent la précision ; elles n'ont pas besoin d'être identiques.

Si vous n'avez pas encore construit le détecteur de tension sensible, nous vous recommandons de le faire d'abord. Un détecteur fait maison est peu coûteux, mais montre comment effectuer des mesures de tension précises sans équipement onéreux. Un multimètre numérique réglé sur la plage millivolt DC peut servir de substitut, mais un détecteur à base de casque est préférable pour l'apprentissage.

Références Croisées

Lessons In Electric Circuits, Volume 1, Chapitre 8 : « Circuits de mesure DC »

Objectifs d'Apprentissage

• Comprendre la charge du voltmètre : ses causes et comment l'atténuer
• Utiliser un potentiomètre comme source de tension variable
• Appliquer la méthode potentiométrique (équilibrage à zéro) pour une mesure de tension précise

Schéma Électrique

Illustration

Instructions

1. Assemblez le diviseur de tension à deux résistances montré à gauche du schéma.

2. Si les résistances de haute valeur sont égales, la pile de 6 V devrait se diviser en deux chutes de 3 V.

3. Mesurez la tension de la pile avec un voltmètre, puis mesurez la chute aux bornes de chaque résistance.

Vous constaterez probablement une différence : la somme des chutes individuelles n'est pas égale à la tension totale de la pile. Ce n'est pas une violation de la loi des mailles de Kirchhoff ; c'est un exemple classique de charge du voltmètre.

Analogie : Un manomètre de pneu libère une petite quantité d'air lorsqu'il est connecté, abaissant légèrement la pression. De même, un voltmètre fournit un chemin pour le courant qui modifie légèrement la tension aux bornes du composant mesuré.

Dans ce circuit, l'effet est prononcé car les résistances de test sont de haute valeur. Remplacez-les par des unités de 100 kΩ, puis de 10 kΩ, et observez comment les lectures de tension changent. Une résistance plus faible réduit l'impact de la charge, mais au prix de la précision de mesure.

Essayez de mesurer chaque résistance avec un voltmètre numérique au lieu d'un analogique. Les multimètres numériques ont généralement une impédance d'entrée plus élevée (souvent >10 MΩ), ils tirent donc moins de courant et donnent des lectures plus proches de la tension réelle.

Pour une approche plus précise, utilisez la méthode potentiométrique (équilibrage à zéro). Cette technique équilibre la tension test contre une source de tension réglable (le potentiomètre) et utilise un détecteur de zéro très sensible pour indiquer l'équilibre. Une fois équilibré, la tension du potentiomètre — lue avec un voltmètre — est égale à la tension test, sans erreurs de charge.

Circuit Voltmètre Potentiométrique

Le cercle étiqueté « null » représente le détecteur de zéro. Tout mouvement de galvanomètre sensible ou indicateur de tension peut servir de détecteur ; son rôle est uniquement de signaler une différence de tension nulle.

Construisez le circuit comme illustré et utilisez-le pour mesurer la chute de tension aux bornes d'une des résistances de haute valeur. Initialement, un multimètre ordinaire peut fonctionner comme détecteur de zéro pendant que vous vous familiarisez avec le processus. Si vous préférez le détecteur à base de casque, faites un contact bref avec chaque point de test et écoutez le clic caractéristique qui s'estompe jusqu'au silence à l'équilibre.

Note : Un potentiomètre à un tour peut être trop grossier pour un zéro précis. Envisagez une unité multi-tours ou le circuit de potentiomètre de précision décrit plus tôt.

Simulation Informatique

Schéma SPICE avec numéros de nœuds :

Netlist (copiez ce qui suit dans un fichier texte nommé potentiometric.cir) :

 Voltmètre potentiométrique
v1 1 0 dc 6
v2 3 0
r1 1 2 1meg
r2 2 0 1meg
rnull 2 3 10k
rmeter 3 0 50k
.dc v2 0 6 0.5
.print dc v(2,0) v(2,3) v(3,0)
.end

La simulation démontre que la tension test n'est précise que lorsque le détecteur de zéro indique zéro — c'est-à-dire lorsque le potentiomètre est parfaitement équilibré. À ce moment, la source réglable indique exactement 3,000 V, correspondant à la vraie chute de tension aux bornes de la résistance test.

Fiches Connexes

• Fiche de travail : Métrologie DC