Voltmètre potentiométrique
PIÈCES ET MATÉRIAUX
- Deux piles 6 volts
- Un potentiomètre, monotour, 10 kΩ, cône linéaire (catalogue Radio Shack n° 271-1715)
- Deux résistances de grande valeur (au moins 1 MΩ chacune)
- Détecteur de tension sensible (de l'expérience précédente)
- Voltmètre analogique (de l'expérience précédente)
La valeur du potentiomètre n'est pas critique :toute valeur comprise entre 1 kΩ et 100 kΩ est acceptable.
Si vous avez construit le « potentiomètre de précision » décrit plus tôt dans ce chapitre, il est recommandé de l'utiliser dans cette expérience.
De même, les valeurs réelles des résistances ne sont pas critiques. Dans cette expérience particulière, plus la valeur est élevée, meilleurs sont les résultats. Ils n'ont pas besoin d'être exactement de valeur égale non plus.
Si vous n'avez pas encore construit le détecteur de tension sensible, il est recommandé d'en construire un avant de procéder à cette expérience !
C'est un équipement de test très utile, mais simple, dont vous ne devriez pas vous passer. Vous pouvez utiliser un multimètre numérique réglé sur la plage « millivolt CC » (mV CC) au lieu d'un détecteur de tension, mais le détecteur de tension basé sur un casque est plus approprié car il montre comment vous pouvez effectuer des mesures de tension précises sans à l'aide d'équipements de mesure coûteux ou perfectionnés. Je recommande d'utiliser votre multimètre fait maison pour la même raison, bien que n'importe quel voltmètre suffira pour cette expérience.
REFERENCES CROISEES
Leçons En Circuits Électriques , Volume 1, chapitre 8 : « Circuits de mesure en courant continu »
OBJECTIFS D'APPRENTISSAGE
- Décrire la charge du voltmètre :ses causes et sa solution
- Pour illustrer comment utiliser un potentiomètre comme source de tension variable
- Pour illustrer la méthode potentiométrique de mesure de tension
SCHÉMA SCHÉMA
ILLUSTRATION
INSTRUCTIONS
Construisez le circuit diviseur de tension à deux résistances illustré à gauche du schéma et de l'illustration.
Si les deux résistances de valeur élevée sont de valeur égale, la tension de la batterie doit être divisée en deux, avec une chute d'environ 3 volts sur chaque résistance.
Mesurez la tension de la batterie directement avec un voltmètre, puis mesurez la chute de tension de chaque résistance.
Avez-vous remarqué quelque chose d'inhabituel dans les lectures du voltmètre ? Normalement, les chutes de tension en série s'additionnent pour égaler la tension totale appliquée, mais dans ce cas, vous remarquerez un écart sérieux.
La loi de tension de Kirchhoff est-elle fausse ? Est-ce une exception à l'une des lois les plus fondamentales des circuits électriques ?
Non! Voici ce qui se passe :lorsque vous connectez un voltmètre sur l'une ou l'autre des résistances, le voltmètre lui-même modifie le circuit afin que la tension ne soit pas la même que sans compteur connecté.
J'aime utiliser l'analogie d'un manomètre à air utilisé pour vérifier la pression d'un pneumatique.
Lorsqu'une jauge est connectée à la valve de remplissage du pneu, elle libère de l'air hors du pneu.
Cela affecte la pression dans le pneu, et ainsi la jauge indique une pression légèrement inférieure à celle qui était dans le pneu avant que la jauge ne soit connectée.
En d'autres termes, le fait de mesurer la pression des pneus altère la pression du pneu. Heureusement, cependant, il y a si peu d'air libéré du pneu pendant l'acte de mesure que la réduction de pression est négligeable.
Les voltmètres ont un impact similaire sur la tension qu'ils mesurent, en contournant un certain courant autour du composant dont la chute de tension est mesurée.
Cela affecte la chute de tension, mais l'effet est si faible que vous ne le remarquez généralement pas.
Dans ce circuit, cependant, l'effet est très prononcé. Pourquoi est-ce? Essayez de remplacer les deux résistances de valeur élevée par deux de 100 kΩ chacune et répétez l'expérience.
Remplacez ces résistances par deux unités de 10 KΩ et recommencez. Que remarquez-vous sur les lectures de tension avec des résistances de valeur inférieure ?
Qu'est-ce que cela vous dit sur « l'impact » du voltmètre sur un circuit par rapport à la résistance de ce circuit ?
Remplacez toutes les résistances de faible valeur par les résistances d'origine de valeur élevée (>=1 MΩ) avant de continuer.
Essayez de mesurer la tension entre les deux résistances de valeur élevée, une à la fois, avec un voltmètre numérique au lieu d'un voltmètre analogique.
Que remarquez-vous sur les lectures du compteur numérique par rapport à celles du compteur analogique ?
Les voltmètres numériques ont généralement une résistance interne (sonde à sonde) plus élevée, ce qui signifie qu'ils consomment moins de courant qu'un voltmètre analogique comparable lorsqu'ils mesurent la même source de tension.
Un voltmètre idéal ne tirerait aucun courant du circuit testé et ne subirait donc aucun problème d'« impact » de tension.
Si vous avez deux voltmètres, essayez ceci :connectez un voltmètre sur une résistance et l'autre voltmètre sur l'autre résistance.
Les lectures de tension que vous obtenez s'ajouteront à la tension totale cette fois, quelles que soient les valeurs de résistance, même si elles sont différentes des lectures obtenues à partir d'un seul compteur utilisé deux fois.
Malheureusement, cependant, il est peu probable que les lectures de tension obtenues de cette manière soient égales aux vraies chutes de tension sans compteur connecté, et ce n'est donc pas une solution pratique au problème.
Existe-t-il un moyen de fabriquer un voltmètre « parfait » :celui qui a une résistance infinie et ne tire aucun courant du circuit testé ?
Les voltmètres de laboratoire modernes atteignent cet objectif en utilisant des circuits « amplificateurs » à semi-conducteurs, mais cette méthode est trop avancée sur le plan technologique pour que l'étudiant ou l'amateur puisse la reproduire.
Une technique beaucoup plus simple et beaucoup plus ancienne s'appelle la potentiométrique ou solde nul méthode.
Cela implique l'utilisation d'une source de tension réglable pour « équilibrer » la tension mesurée.
Lorsque les deux tensions sont égales, comme indiqué par un détecteur nul très sensible , la source de tension réglable est mesurée avec un voltmètre ordinaire.
Étant donné que les deux sources de tension sont égales l'une à l'autre, la mesure de la source réglable est identique à la mesure sur le circuit de test, sauf qu'il n'y a pas d'erreur « d'impact » car la source réglable fournit tout courant nécessaire au voltmètre. Par conséquent, le circuit sous test n'est pas affecté, ce qui permet de mesurer sa vraie chute de tension.
Examinez le schéma suivant pour voir comment la méthode du voltmètre potentiométrique est mise en œuvre :
Le symbole du cercle avec le mot « null » écrit à l'intérieur représente le détecteur de zéro.
Cela peut être n'importe quel mouvement de compteur ou indicateur de tension arbitrairement sensible.
Son seul but dans ce circuit est d'indiquer quand il y a zéro tension :lorsque la source de tension réglable (potentiomètre) est précisément égale à la chute de tension dans le circuit à tester.
Plus ce détecteur nul est sensible, plus la source réglable peut être ajustée avec précision pour être égale à la tension testée, et plus cette tension de test peut être mesurée avec précision.
Construisez ce circuit comme indiqué dans l'illustration et testez son fonctionnement en mesurant la chute de tension sur l'une des résistances de valeur élevée du circuit de test.
Il peut être plus facile d'utiliser un multimètre ordinaire comme détecteur de zéro au début, jusqu'à ce que vous vous familiarisiez avec le processus de réglage du potentiomètre pour une indication « nulle », puis la lecture du voltmètre connecté à travers le potentiomètre.
Si vous utilisez le détecteur de tension basé sur un casque comme compteur nul, vous devrez établir et rompre le contact par intermittence avec le circuit à tester et écouter les sons de « clic ».
Pour ce faire, fixez fermement l'une des sondes de test au circuit de test et touchez momentanément l'autre sonde de test à l'autre point du circuit de test encore et encore, en écoutant les sons dans les écouteurs indiquant une différence de tension entre le circuit de test et le potentiomètre.
Ajustez le potentiomètre jusqu'à ce qu'aucun déclic ne soit audible dans le casque. Cela indique une condition « nulle » ou « équilibrée », et vous pouvez lire l'indication du voltmètre pour voir la chute de tension à travers la résistance du circuit de test.
Malheureusement, le détecteur de zéro basé sur le casque ne fournit aucune indication quant à savoir si la tension du potentiomètre est supérieure à , ou inférieur à la tension du circuit de test, vous devrez donc écouter la baisse intensité du "clic" tout en tournant le potentiomètre pour déterminer si vous devez ajuster la tension plus haut ou plus bas.
Vous constaterez peut-être qu'un potentiomètre à un tour (« 3/4 de tour ») est un dispositif de réglage trop grossier pour « annuler » avec précision le circuit de mesure.
Un potentiomètre multitour peut être utilisé à la place de l'unité monotour pour une plus grande précision de réglage, ou le circuit de « potentiomètre de précision » décrit dans une expérience précédente peut être utilisé.
Avant l'avènement de la technologie du voltmètre amplifié, la méthode potentiométrique était la seule méthode pour effectuer des mesures de tension très précises.
Même maintenant, les laboratoires de normalisation électrique utilisent cette technique ainsi que la dernière technologie de compteurs pour minimiser les erreurs « d'impact » des compteurs et maximiser la précision des mesures.
Bien que la méthode potentiométrique nécessite plus de compétences à utiliser que la simple connexion d'un voltmètre numérique moderne sur un composant et qu'elle soit considérée comme obsolète pour toutes les applications de mesure sauf les plus précises, il s'agit toujours d'un processus d'apprentissage précieux pour le nouvel étudiant en électronique et d'un outil utile. technique pour l'amateur qui peut manquer d'instruments coûteux dans son laboratoire à domicile.
SIMULATION INFORMATIQUE
Schéma avec les numéros de nœud SPICE :
Netlist (créer un fichier texte contenant le texte suivant, textuellement) :
Cette simulation SPICE montre la tension réelle aux bornes de R2 du circuit de test, la tension du détecteur de zéro et la tension aux bornes de la source de tension réglable, car cette source est ajustée de 0 volt à 6 volts par pas de 0,5 volt.
Dans la sortie de cette simulation, vous remarquerez que la tension aux bornes de R2 est impacté de manière significative lorsque le circuit de mesure est déséquilibré, ne revenant à sa vraie tension que lorsqu'il y a une tension pratiquement nulle aux bornes du détecteur de zéro.
À ce stade, bien sûr, la source de tension réglable est à une valeur de 3 000 volts :exactement égale à la chute de tension du circuit de test (non affectée).
Quelle est la leçon à tirer de cette simulation ? Qu'un voltmètre potentiométrique évite d'impacter le circuit de test uniquement lorsqu'il est dans un état d'équilibre parfait (« nul ») avec le circuit de test !
FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :
- Fiche de travail de métrologie DC
Technologie industrielle