Dernière mise à jour : 01/01/2009
Présentation
La mesure de l'intensité d'un courant électrique peut
paraître toute simple dès lors que l'on utilise un
appareil tout fait qui fonctionne bien. Mais on a aussi vite fait de
faire une erreur de mesure qu'avec un voltmètre mal choisi...
Comme pour toute mesure, il incombe de bien connaitre son appareil de
mesure et d'en connaitre ses limites. Il existe plusieurs
façons de mesurer un courant :
- par intrusion (insertion) de l'appareil de mesure dans le
circuit
alimenté
- par couplage électromagnétique style transformateur de
courant
- par effet Hall
Cette page décrit très brièvement les deux premières méthodes.
Mesure d'un courant par intrusion
Cette première méthode, recommandée pour les
courants de faible ou moyenne valeur, est simple à mettre en oeuvre
pour la
mesure d'un courant circulant dans un montage entier, mais est plus
difficile à appliquer pour la mesure du courant circulant dans
une portion de montage. Elle consiste à insérer une résistance de
valeur connue en série avec l'alimentation, et de mesurer la chute de
tension qu'elle provoque.
Exemple
Sur le schéma synoptique qui suit, on voit un circuit
(représenté par le rectangle bleu) alimenté par
une source de tension continue BAT de 12V (une batterie au plomb, par
exemple). On aimerait bien connaître le courant I
débité par cette source de tension BAT, d'une part pour
vérifier que tout se passe bien, et d'autre part pour estimer le
plus justement possible l'autonomie que l'on peut attendre du
système.
L'insertion d'un ampèremètre ou d'un controleur universel
réglé en mode Ampèremètre, en série
avec l'alimentation, est donc la première idée qui peut
venir à l'esprit, comme le montre le schéma suivant :
Comme on peut déjà avoir un ordre de grandeur du
courant
consommé sans en connaître précisement la valeur
(sinon le questionnement n'aurait aucune raison d'être),
l'ampèremètre est positionné sur le calibre
permettant la mesure la plus précise possible. Dans le cas
présent il s'agit du calibre 200 mA, le plus faible disponible
sur l'appareil utilisé. Cette méthode impose l'ouverture
du circuit d'alimentation pour le branchement de l'appareil de mesure,
ce qui généralement ne pose pas trop de problème.
Mais on peut aussi préférer placer un
système de mesure à demeure, indépendant de son
multimètre qui peut servir à plein d'autres choses.
L'idée est donc d'insérer une résistance en
série avec l'alimentation, afin de pouvoir mesurer en permanence
la tension développée à ses bornes, comme le
montre le schéma suivant.
La mesure donne maintenant une valeur en unité "volt" ou
"millivolt", ce qui impose la conversion en unité
"ampère" ou "milliampère". Là où
précédemment on lisait 12 mA, on lit maintenant 12 mV. La
conversion d'unité est aisée, dès l'instant où l'on
connait la formule "U = R * I", dont on peut aisement
dériver la formule "I = U / R". Le choix de la valeur de la
résistance série RS parait alors évidente, car en lui
donnant la valeur de 1 ohm, la valeur de I est égale à la valeur de U :
la valeur affichée en volt
correspond exactement à la valeur en mA réelle : les 12
mV affichés correspondent à un courant de 12 mA.
Miraculeux !
Les choses sont donc aussi simples que cela : ajouter une
résistance de 1 ohm en série avec l'alimentation du
montage, et en lisant directement la tension à ses bornes, en
déduire instantanément le courant consommé... Il
est possible que ce fonctionnement "universel" pose problème
dans certains cas... Pour se faire une idée des résultats
obtenus dans d'autres contextes avec ce procédé fort simple, examinons
la chose
avec deux autres circuits, un qui consomme très peu de courant (12 uA),
et un qui en consomme beaucoup plus (1,2 A).
Résistance de 1 ohms avec un circuit consommant 12 uA
Dans le circuit précédent, on pouvait assimiler la
résistance interne du circuit électronique
alimenté à une valeur proche de 1 KO, puisque
l'on constatait une intensité de 12 mA pour une source de
tension de 12 V (rapport de mille en absolu). La résistance
ajoutée RS de 1 ohms était de valeur faible par
rapport à cette résistance interne, et pouvait être
considérée comme très peu pertubatrice, même
si elle provoquait un tout petit abaissement du courant
consommé (chute d'environ 0,1 %). En mesurant une consommation
de 12 uA sous une
même source de tension de 12 V, on peut raisonnablement penser
que la résistance interne du montage est voisine de 1 MO. Une
résistance shunt RS de 1 ohms (le terme shunt est souvent
utilisé pour désigner une résistance de faible
valeur utilisée pour la mesure de courant) placée sur le
parcours de
l'alimentation aura ici une influence encore plus négligeable,
et on peut espérer une valeur lue encore plus juste. Voyons cela
de près.
Ah... la tension mesurée est de 0,01 mV, et le calibre du
voltmètre est le plus faible dont on puisse disposer. Nous
sommes donc en présence d'un manque de précision au
niveau de la mesure elle-même. Car si le courant effectif est
bien de 12 uA, on lit une valeur de 10 uA : l'erreur de mesure est donc
de 20 %, valeur totalement inacceptable. La solution est d'utiliser un
voltmètre
capable de mesurer et d'afficher les microvolts, ce qui n'est pas
forcement une solution simple pour tout le monde. Autre approche :
augmenter la valeur de la résistance série RS
jusqu'à ce que la tension chutée soit exploitable avec un
voltmètre classique. En portant cette résistance
série RS à une valeur de 1 KO, soit 1000 fois plus grande
que la
valeur précédente, la tension chutée devrait
être mille fois plus importante... en théorie. Car bien
évidement, ce n'est pas tout à fait le cas. En augmentant
la résistance dans le circuit d'alimentation, le courant
consommé sera forcement affaibli. Le tout est, comme
précédement, de ne l'affablir
que très peu (par rapport au courant consommé en absence
de cette résistance), d'une part pour ne pas trop perturber la
mesure, mais plus important encore, pour ne pas perturber le
fonctionnement du montage lui-même. Sur le schéma qui
suit, nous retrouvons donc notre résistance RS de 1 KO, dont la
valeur est à comparer aux 1 MO de la résistance interne
du circuit alimenté.
Et voilà. En adoptant une valeur de 1 KO pour RS, on mesure 12
mV qui correspondent à une valeur de 12 uA (I = U / R = 12 mV / 1 KO).
Le fonctionnement du montage n'est pas perturbé, car la chute de
courant occasionnée par l'ajout de RS est de 0,1 % et peut
être considérée comme négligeable.
Première conclusion que l'on peut tirer de cette expérience : la
résistance série RS doit avoir une valeur faible en
regard de la résistance interne du montage alimenté, tout
en ayant une valeur assez élevée pour y développer
une tension facile à mesurer.
Résistance de 1 ohms avec un circuit consommant 1,2 A
Que se passe-t-il maintenant si on insère une résistance
RS de 1 ohms, dans le circuit d'alimentation d'un montage consommant un
courant nominal de 1,2 A ? Si le courant traversant RS est de 1,2 A, on
devrait en théorie avoir une chute de tension de 1,2 V à
ses bornes. Le montage ne sera certes plus alimenté que sous
10,8 V, mais cela ne devrait pas poser de problème, n'est-ce
pas. Faisons la mesure.
Oups... 1,09 V aux bornes de la résistance RS. On peut penser
que le montage attendant une tension de 12 V et qui ne reçoit
que 10,9 V ne fonctionnera peut-être pas tout à fait
conformément aux attentes : le courant consommé est
passé de 1,2 A à 1,09 A, soit environ 10 % de moins. Et
la résistance RS, qui
dissipe une puissance de plus de 1 W, chauffe beaucoup car l'auteur
avait la tête ailleurs et avait choisi un modèle 0,5 W.
Sans avoir fait de
hautes études (ce qui est mon cas), on peut en déduire
que la méthode de mesure n'est pas bonne. Ou si la
méthode elle-même est correcte, la valeur donnée
à RS gagnerait sans doute à être
révisée. Si on avait eu le même raisonnement que
tout à l'heure, on aurait su que la résistance interne du
montage est voisine de 10 ohms (1,2 A sous 12 V), et on aurait
constaté de suite
que la valeur de RS n'était pas assez petite en proportion.
Adoptons donc comme tout à l'heure une valeur de rapport un
millième, soit pour RS une valeur de 0,01 ohms (10 milli-ohms).
Cette fois, nous mesurons une chute de tension de 12 mV dans la
résistance RS de 0,01 ohm, ce qui correspond à un courant
de 1,2 A. Le montage alimenté voit une perte de tension de 12
mV, ce qui est tout de même plus acceptable qu'une perte de 1,1
V. La conclusion que l'on peut tirer de cette dernière
expérience rejoint celle de l'expérience
précédente : la valeur de la résistance RS doit
être bien plus petite que la résistance interne du montage
alimenté, de sorte que la chute de tension occasionnée
soit limitée à quelques mV. Si on désire pouvoir
faire des mesures sur une grande plage de courants possibles, il
convient d'utiliser plusieurs résistances de valeurs
différentes, adaptées à chaque calibre de mesure.
Mon revendeur ne dispose pas de résistance de 0,01 ohm
Certes, une résistance de si petite valeur n'est pas aussi
courante qu'une résistance de 1 KO ou de 47 KO. On peut trouver
facilement des résistances de 0,1 ohm (voir photo
ci-après) mais en dessous c'est plus difficile.
Car généralement, les résistances de très
faible valeur n'ont pas la forme que l'on peut penser. Il peut en effet
s'agir d'un morceau de piste d'un circuit imprimé, d'un morceau
de métal rigide en forme de languette (longue et
plate) ou de pont, ou encore du fil résistif utilisé pour
les résistances chauffantes (fil Kanthal de 1 ohm par
mètre par exemple).
Dans un appareil de test, il peut aussi s'agir d'une résistance
"électronique" constituée d'un transistor de puissance
assurant un court-circuit franc et commandé en PWM (la
résistance vue aux bornes du transistor peut ainsi avoir une
valeur que l'on peut programmer).
Remarque :
les valeurs de
résistivité de l'ordre du milliohm correspondent aussi
aux "résidus" de contacts électriques, aux valeurs
minimales de certains transistors de puissance MOS en mode passant. Ce
sont celles que l'on traque (car on veut les éviter ou tout du
moins les contrôler ou les compenser) dans les montages à
forte consommation électrique.
Mise en pratique de cette méthode de mesure par insertion
d'une
résistance shunt
Ampèremètre analogique 001
Ampèremètre analogique 002
Alimentation
ajustable 009
Mesure d'un courant par couplage
Cette seconde méthode
est peut-être plus largement utilisée pour la
mesure de forts courants, mais elle convient aussi pour des courants
modestes de quelques dizaines de microampères (mesures de courants de
fuite) ou de quelques centaines de mA.
Elle fait appel à des capteurs de courant ou à des
transformateurs de courant, constitués d'une bobine (une seule
ou plusieurs spires) au travers de laquelle on place le conducteur
électrique véhiculant le courant à mesurer.
Lorsque le conducteur électrique véhiculant le courant
à mesurer est parcouru par un courant, il crée autour de
lui un champ magnétique qu'il suffit de capter et de reconvertir
en tension, fonction réalisée par la bobine et plus ou
moins d'électronique associée. Quand le conducteur en
question ne peut être coupé pour les besoins de la mesure,
on doit faire appel à un système où la boucle de
mesure peut s'ouvrir (pour la mise en place autour du conducteur) et se
fermer (pour que la mesure puisse s'effectuer). Un tel système
peut se présenter sous forme de cable rigide à contact
électrique ou sous forme de pince.
Pince ampermétrique
Mesure d'un courant par effet Hall
Ce type de mesure se base sur l'emploi d'un capteur
à effet Hall, qui produit une tension qui est le reflet
linéaire du
courant détecté.
