Nous avons vu dans notre dernier tutoriel qu’un galvanomètre à bobine mobile à aimant permanent (PMMC) est un type d’instrument dans lequel une bobine portant un courant est placée dans un champ magnétique permanent.

Lorsque le courant électrique (I) passe à travers la bobine, le champ électromagnétique créé autour réagit contre le champ magnétique permanent, produisant un couple de déviation qui la fait bouger. Un indicateur ou une aiguille attaché à la bobine indique le degré de déviation, (Φ).

Nous avons également appris que les compteurs à bobine mobile à aimant permanent peuvent être convertis en un voltmètre DC efficace avec l’aide de résistances multiplicatrices connectées en série. Mais nous pouvons également utiliser les compteurs PMMC pour mesurer le courant électrique en connectant les résistances en parallèle avec le mètre plutôt qu’en série, ce qui constitue la base des amperemètres.

Comme son nom l’indique, un ampermètre est un instrument utilisé pour mesurer le courant électrique (I) et tire son nom du fait que l’unité de mesure est “amperes”, ou plus précisément, ampères.

Cependant, pour mesurer un courant électrique, un ampermètre doit être connecté de sorte que le courant total d’intérêt puisse y passer. En d’autres termes, l’ampermètre doit toujours être connecté en série avec le circuit ou le composant à mesurer.

Cependant, ici réside le problème. Comme nous l’avons vu dans le tutoriel précédent sur les voltmètres, la déviation à pleine échelle (FSD) d’un mètre PMMC standard est très petite, donc ils ne peuvent supporter que de petits courants, de 0 à I_FSD, indiqués en microampères (μA) ou en milliampères (mA), principalement en raison de la taille réduite des fils utilisés dans les enroulements de la bobine mobile PMMC.

Que faire si nous voulons mesurer un courant de circuit qui est supérieur à cela ou qui atteint plusieurs ampères, car un courant beaucoup plus élevé pousserait l’aiguille du mètre au-delà de sa déviation FSD maximale, ce qui pourrait potentiellement surchauffer ou endommager les enroulements de la bobine, sans parler de plier l’aiguille. Comment pouvons-nous utiliser un mètre PMMC standard pour mesurer des courants plus importants que ceux évalués pour le FSD.

Pour mesurer un courant de circuit, le galvanomètre doit être connecté en série, et comme il a une résistance de bobine assez grande, R_G, cela aura un effet sur la valeur du courant mesuré.

Lorsque vous utilisez un mètre PMMC comme ampermètre, sa plage de mesure peut être étendue davantage avec l’aide de “résistances de shunt” connectées en parallèle, permettant ainsi de mesurer des courants DC beaucoup plus élevés que sa notation de courant de déviation à pleine échelle, car seule une fraction du courant total passera à travers le mètre.

Résistances de Shunt pour Ampermètres

La sensibilité courante d’un ampermètre est déterminée par la quantité de courant électrique nécessaire à la bobine du mètre pour produire le mouvement FSD requis de l’aiguille. La quantité par laquelle la bobine se déplace, appelée “déviation”, (Φ), est proportionnelle à la force du courant circulant à travers la bobine, nécessaire pour produire le champ magnétique requis pour dévier l’aiguille d’une certaine quantité, donnée en degrés (ou radians) par ampère, ^o/A (ou rad/A).

Par conséquent, plus la quantité de courant requise pour produire la déviation requise est petite, plus la sensibilité du mètre est grande. Ensuite, l’aiguille d’un ampermètre bouge en réponse à un courant. Si le mouvement du mètre nécessite seulement 100μA pour la déviation à pleine échelle, il aura une plus grande sensibilité qu’un mouvement de mètre nécessitant 1mA pour son FSD.

En connectant des résistances de shunt externes en parallèle avec le mètre, plutôt qu’en série comme c’était le cas pour le voltmètre, nous pouvons étendre sa plage d’utilisation. Cela est dû au fait que les résistances connectées en parallèle forment des réseaux de diviseur de courant, qui, comme leur nom l’indique, divisent le courant mesuré par un montant déterminé par leur valeur résistive, comme montré.

Circuit de l’Ampermètre

Ici, la résistance de shunt de faible résistance est connectée en parallèle (shuntée) avec les bornes du mètre PMMC et est conçue pour supporter la majorité du courant de circuit afin que seule une petite portion de celui-ci passe à travers la bobine enroulée du mètre.

Ainsi, une résistance de shunt augmente la plage de l’ampermètre, l’intensité du mètre, I_G, étant proportionnelle au courant total du circuit, I_T, produisant la chute de tension requise à travers le mètre pour une déviation à pleine échelle.

Supposons que nous souhaitions utiliser un galvanomètre de 100μA, 200Ω pour mesurer un courant de circuit allant jusqu’à 1 ampère. Il est clair que nous ne pouvons pas simplement connecter le mètre directement dans le circuit pour mesurer un ampère.

Mais en utilisant la loi d’Ohm, nous pouvons calculer la valeur de la résistance de shunt, R_S, nécessaire pour produire un mouvement complet du mètre et une chute de tension correspondante I_G x R_G lorsqu’il est utilisé pour mesurer un courant de circuit allant jusqu’à un ampère.

 

Donc, si le courant pour lequel le galvanomètre donne une déviation à pleine échelle est donné comme 100μA, alors la résistance de shunt R_S requise est calculée comme 0,02Ω. Pour une chute de tension de 20mV (V = I * R = 100µA x 200Ω), 100μA circuleront à travers le mètre PMMC et 999,9mA à travers la résistance de shunt de faible résistance.

Par conséquent, presque tout le courant du circuit (I_T) passe à travers la résistance de shunt, la fraction très petite de courant nécessaire pour le FSD passe à travers la bobine mobile, transformant ainsi le galvanomètre en ampermètre simplement en connectant une résistance suffisamment faible en parallèle avec celui-ci, comme montré.

Résistance de Shunt pour Ampermètre

Notez que cette résistance de shunt, R_S, sera toujours inférieure à la résistance interne de la bobine, R_G, pour détourner le courant du circuit des enroulements de la bobine. Ensuite, la combinaison du mouvement du mètre avec cette résistance de shunt externe constitue la base d’un ampermètre analogique simple, peu importe ce que le FSD est pour un mètre particulier.

Par exemple, le même galvanomètre peut être utilisé pour mesurer des courants de 0 à 1 ampères, de 0 à 5 ampères, ou de 0 à 10 ampères, etc., simplement en utilisant des valeurs différentes de résistance de shunt avec le même mouvement de mètre et en modifiant l’échelle du mètre en conséquence.

Exemple d’Ampermètre No1

Un galvanomètre a une résistance de bobine mobile interne de 100Ω et donne une déviation à pleine échelle pour 3mA. Calculez la valeur de la résistance de shunt requise pour convertir le mètre PMMC en un ampermètre DC avec une plage de 0 à 5 ampères.

Données données: R_G = 100Ω, I_G = 3mA et I_T(max) = 5 Ampères

Ainsi, une résistance de 0,06Ω, ou 60 milli-ohms (60mΩ) est requise pour mesurer une intensité de courant maximale de 5 ampères.

Exemple d’Ampermètre No2

Un mètre PMMC a une résistance de bobine de 200Ω et une échelle à aiguille linéaire marquée de 25 divisions. Si le mètre a une sensibilité de 4mA par division, calculez la résistance de shunt requise pour mesurer un courant maximal de 20 ampères.

Si 4mA = 1 Division, alors 25 Divisions = 25*4mA = 100mA, ou 0.1 ampère. Ainsi, le mètre PMMC a un FSD de 100mA.

Alors, espérons que nous pouvons voir que la résistance totale donnée par l’ampermètre est approximativement égale à la valeur de la résistance de shunt connectée R_S, et devient clairement plus petite à mesure que le courant du circuit mesuré augmente.

Ainsi, l’effet de charge de l’ampermètre lorsqu’il est connecté en série avec le composant du circuit dont le courant doit être mesuré est considérablement réduit. Idéalement, la résistance totale de l’ampermètre devrait être nulle.

Comme les résistances de shunt utilisées pour les amplificateurs ont des valeurs résistives très faibles, elles doivent généralement être fabriquées à partir de fils de gros diamètre ou de pièces solides de barre de cuivre. Les shunts haute intensité sont couramment vendus sous forme de barres de cuivre calibrées pour produire une chute de tension particulière en millivolts (mV).

Mesure du Courant

Comme nous l’avons vu précédemment dans le tutoriel sur les voltmètres, les instruments de mesure qui utilisent des galvanomètres peuvent être convertis en mètre à plages multiples grâce à l’ajout d’une gamme appropriée de résistances et d’un interrupteur de sélection. Notre simple ampermètre DC peut être encore étendu en ayant plusieurs résistances de shunt, chacune dimensionnée pour une plage de courant particulière.

En sélectionnant chaque résistance une par une à l’aide d’un interrupteur multipolaire à 4 ou 5 positions, notre ampermètre pourra mesurer une plage de courants beaucoup plus large avec un seul mouvement. Ce type de configuration d’ampermètre est appelé ampermètre à plages multiples.

Configuration d’Ampermètre Direct à Plages Multiples

Dans cette configuration d’ampermètre, chaque résistance de shunt, R_S, de l’ampermètre à plages multiples est connectée en parallèle (shuntée) avec le mètre comme auparavant pour donner la plage d’ampères souhaitée.

Si nous supposons donc que notre mètre FSD de 100μA, doit mesurer les plages de courant suivantes de 1mA, 10mA, 100mA, et 1A, alors les résistances de shunt requises sont calculées comme avant :

Donner un circuit d’ampermètre direct à plages multiples de :

Bien que cette configuration de voltmètre direct fonctionnerait, l’un des principaux problèmes de sa conception réside dans le type d’interrupteur à sélecteur multiposition utilisé. La plupart des interrupteurs ont un fonctionnement “break-before-make” (B-M), ce qui signifie qu’au fur et à mesure que l’interrupteur est tourné d’une position à une autre pour lire un courant différent, à un bref instant donné, la résistance de shunt est effectivement déconnectée du mètre, donc tout le courant du circuit mesuré est détourné à travers la bobine mobile du mètre, ce qui peut ou non l’endommager.

Une façon de surmonter ce problème est d’utiliser un interrupteur plus coûteux à action “make-before-break” (M-B) ou de configurer la connexion des résistances de shunt de telle manière que lorsque l’interrupteur à sélecteur est tourné, elles restent toujours connectées dans le circuit, protégeant ainsi le mouvement délicat du mètre. Une façon d’y parvenir est d’utiliser la méthode d’ampermètre DC indirect.

Configuration Indirecte de l’Ampermètre à Plages Multiples

Une conception plus pratique est la configuration d’ampermètre indirect dans laquelle une ou plusieurs des résistances de shunt sont connectées ensemble en série à travers le mètre pour donner la plage de courant désirée. L’avantage ici est qu’en plus d’utiliser des valeurs standard préférées pour les résistances de shunt, à tout moment, le mouvement délicat du mètre est shunté par une valeur résistive.

Donc, si nous supposons à nouveau notre mètre FSD de 50mV et les plages de courant de 1mA, 10mA, 100mA, et 1A comme précédemment, alors les valeurs de résistance requises sont recalculées comme :

Donner un circuit d’ampermètre indirect à plages multiples de :

Nous avons donc vu ici dans cette configuration analogique d’ampermètre indirect à 4 positions qu’à mesure que le courant à mesurer augmente, la valeur de la résistance de shunt sélectionnée par l’interrupteur diminue. La résistance totale connectée en parallèle avec le mètre PMMC sera la somme des résistances, car R_TOTAL = R_S1 + R_S2 + R_S3 + R_S4.

Il est donc évident que bien que les deux circuits, direct et indirect, soient capables de lire les mêmes intensités de courant, la configuration de l’ampermètre indirect est préférée car elle protège le mètre PMMC d’une condition de surcourant lorsque l’interrupteur sélecteur est tourné.

Les ampermètres analogiques offrent une lecture rapide et précise des ampères circulant dans un circuit et le même mouvement de galvanomètre peut être utilisé pour afficher une gamme d’intensités de courant simplement en changeant la valeur résistive du shunt. Des ampermètres à zéro-centre sont disponibles et utiles pour montrer la direction du flux de courant, c’est-à-dire qu’ils peuvent indiquer soit un courant “positif”, soit un courant “négatif”.

Le choix des valeurs de résistance de shunt dépendra finalement du FSD du galvanomètre utilisé comme ampermètre ainsi que des niveaux de courant mesurés que l’échelle du mètre est calibrée en ampères, milliampères ou microampères.

Mais que faire si nous voulions mesurer des dizaines, voire des centaines d’ampères ? Eh bien, les mêmes principes s’appliquent, sauf que le shunt de courant devrait être une résistance de valeur extrêmement faible, généralement dans la plage des milli-ohms (mΩ) ou moins.

Les ampermètres DC haute courant sont disponibles complets avec shunts calibrés pour fournir la chute de tension nécessaire à travers le shunt pour alimenter le mètre PMMC. Des chutes de tension aussi basses que 10mV ou 20mV sont disponibles pour fournir une conversion précise du courant DC primaire pour que le mètre affiche des lectures à pleine échelle dans les centaines d’ampères.

Mais rappelez-vous également que lors de la dimensionnement d’une résistance de shunt pour ampermètre afin de porter de grandes quantités de courant, il faut tenir compte de sa dissipation de puissance I²R, sinon la résistance peut surchauffer et souffrir des dommages.

La mesure de grands courants AC nécessite l’utilisation d’un transformateur de courant. Comme nous l’avons discuté dans notre tutoriel sur les Transformateurs de Courant, un ampermètre à pleine échelle de 5A peut être utilisé avec le transformateur de courant approprié et est calibré avec le transformateur sélectionné.