Conception d'ampèremètre : techniques de résistance de dérivation pour une mesure de courant précise

Comprendre les ampèremètres

Les ampèremètres sont des instruments spécialisés qui quantifient le courant électrique en ampères. Ils consistent en un mouvement de mesure sensible qui se dévie quand le courant le traverse.

Pourquoi les résistances de dérivation sont essentielles

Contrairement aux voltmètres, qui utilisent des résistances en série pour limiter la tension, les ampèremètres emploient des résistances de dérivation placées en parallèle avec le mouvement. Cette configuration détourne la majeure partie du courant loin du mouvement tandis qu'une petite portion mesurable continue à travers le mètre.

Conception d'un ampèremètre de base

Considérons un mouvement de mesure qui dévie pleinement à 1 mA avec une résistance de 500 Ω. Pour le convertir en instrument de 5 A, nous ajoutons une résistance de dérivation de sorte que seulement 1 mA traverse le mouvement tandis que les 4,999 A restants le contournent.

La tension aux bornes du mouvement est E = I × R = 0,001 A × 500 Ω = 0,5 V. Comme la dérivation est en parallèle, elle partage cette même tension. Le courant de dérivation est donc I_dérivation = 5 A – 0,001 A = 4,999 A, donnant une résistance requise de R_dérivation = E / I_dérivation ≈ 0,5 V / 4,999 A ≈ 0,100 Ω (100 mΩ).

Le réétiquetage de l'échelle de 0 A à 5 A complète la conversion. Le diagramme suivant illustre l'aspect mécanique de l'ajustement :

Construction réelle d'ampèremètre

En pratique, la résistance de dérivation est dissimulée à l'intérieur du boîtier métallique du mètre. Par exemple, un ampèremètre automobile Stewart-Warner peut afficher ±60 A, même si son mouvement interne ne gère que des milliampères. La dérivation est conçue avec précision pour gérer le courant élevé tout en gardant la chute de tension du mouvement négligeable.

Conception d'ampèremètre multi-gammes

Pour offrir plusieurs gammes de mesure, plusieurs résistances de dérivation sont câblées en parallèle et sélectionnées via un commutateur multipôle. Une seule dérivation est active à la fois, chacune calibrée pour une valeur de plein échelle spécifique.

Pour un mouvement coté à 1 mA et 500 Ω, les valeurs de dérivation pour des gammes de 100 mA, 1 A, 10 A et 100 A sont :

Ces résistances sont extrêmement faibles — de l'ordre de quelques milliohms — nécessitant une fabrication sur mesure à partir de fil épais ou de métal massif pour assurer la durabilité.

Dissipation de puissance dans les résistances de dérivation

Puisque les dérivations portent le courant total, elles peuvent dissiper une puissance significative. Pour l'exemple ci-dessus, les puissances nominales sont approximativement :

Choisir des résistances avec des puissances nominales adéquates (et souvent avec une marge de sécurité) empêche la surchauffe et préserve la précision dans le temps.

Utilisation de résistances de dérivation avec affichages voltmétriques

Lorsqu'un voltmètre a une impédance d'entrée élevée, une dérivation de faible valeur peut être placée dans le circuit, et la tension aux bornes peut être lue directement comme courant. Par exemple, une dérivation de 1 Ω chute 1 V par ampère, donc une lecture voltmétrique de 3 V correspond à 3 A.

En simulation ou configurations de mesure, cette technique permet une surveillance de courant non intrusive sans couper le circuit :

Exemple SPICE :

exemple circuit résistance dérivation 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 

La tension de 0,7999 V aux bornes de la dérivation correspond à 0,7999 mA, démontrant la praticité de la méthode pour les mesures de faible courant.

Points clés à retenir

• Les ampèremètres utilisent des résistances de dérivation en parallèle pour diviser le courant et protéger le mouvement de mesure.
• Les résistances de dérivation doivent être faibles en résistance mais assez robustes pour gérer une dissipation de puissance élevée.
• Les ampèremètres multi-gammes emploient un commutateur sélecteur pour engager la dérivation appropriée pour l'échelle désirée.
• Les voltmètres à haute impédance associés à des dérivations de faible valeur offrent une approche alternative, non intrusive, de mesure de courant.

Fiches d'exercices associées

• Fiche d'exercices : Conception d'ampèremètre