Lors de l’analyse du fonctionnement des circuits électriques et électroniques, ou en essayant de comprendre pourquoi un circuit ne fonctionne pas comme prévu, il sera inévitable d’utiliser un voltmètre pour mesurer les différents niveaux de tension. Les voltmètres utilisés pour la mesure de la tension se présentent sous de nombreuses formes et tailles, que ce soit analogiques ou numériques, ou sous la forme d’un multimètre numérique plus couramment utilisé aujourd’hui.

Les voltmètres peuvent également être utilisés pour mesurer la tension continue ainsi que les tensions alternatives sinusoïdales, mais l’introduction d’un voltmètre en tant qu’instrument de mesure dans un circuit peut interférer avec ses conditions d’état stable.

Comme son nom l’indique, un “voltmètre” est un instrument utilisé pour mesurer la tension (V), c’est-à-dire la différence de potentiel présente entre deux points quelconques dans un circuit. Pour mesurer une tension (différence de potentiel), un voltmètre doit être connecté en parallèle avec le composant dont vous souhaitez mesurer la tension.

Les voltmètres peuvent être utilisés pour mesurer la chute de tension à travers un seul composant ou d’alimentation, ou ils peuvent être utilisés pour mesurer la somme des chutes de tension à travers deux points ou plus dans un circuit.

Par exemple, si nous connectons un voltmètre aux bornes d’une batterie automobile complètement chargée, il indiquera 12,6 volts. Cela signifie qu’il y a une différence de potentiel de 12,6 volts entre les bornes positive et négative de la batterie. Ainsi, la tension, V est toujours mesurée à travers ou en parallèle avec un composant de circuit.

Le type le plus basique de voltmètre analogique DC est le “voltmètre à bobine mobile à aimant permanent” (PMMC), également connu sous le nom de mouvement d’Arsonval.

Ce type de mouvement analogique est essentiellement un dispositif de mesure de courant (appelé galvanomètre) qui peut être configuré pour fonctionner en tant que voltmètre ou en tant qu’ampèremètre, la principale différence est la manière dont ils sont connectés dans un circuit.

Le mouvement à bobine mobile utilise un aimant permanent fixe et une bobine de fil très fin qui est autorisée à se déplacer (d’où le nom “bobine mobile”) dans le champ magnétique de l’aimant.

Lorsqu’il est connecté à un circuit, un courant électrique circule à travers la bobine ce qui génère à son tour son propre champ magnétique (électromagnétisme) qui réagit contre le champ magnétique créé par l’aimant permanent environnant, provoquant ainsi le mouvement de la bobine.

Étant donné que le galvanomètre réagit à un flux de courant interne, si nous connaissons la résistance interne de la bobine (enroulée en fil de cuivre), nous pouvons simplement utiliser la loi d’Ohm pour déterminer la différence de potentiel correspondante mesurée.

Construction d’un Voltmètre à Bobine Mobile à Aimant Permanent

Le montant par lequel la bobine électromagnétique se déplace, appelé “déviation,” est proportionnel à la force du courant qui circule à travers la bobine nécessaire pour produire le champ magnétique requis pour dévier l’aiguille.

En général, il y a un indicateur, ou aiguille, relié à la bobine de sorte que le mouvement de la bobine entraîne le déplacement de l’indicateur sur une échelle linéaire pour indiquer la valeur mesurée, l’angle de déviation étant proportionnel au courant d’entrée. Ainsi, l’aiguille d’un galvanomètre se déplace en réponse au courant.

Des ressorts de amortissement en spirale de type mouvement de montre sont couramment utilisés pour contrôler l’angle de déviation, empêchant les oscillations ou les mouvements rapides qui pourraient endommager l’aiguille tout en maintenant le mouvement de la bobine au repos lorsque aucun courant ne circule à travers la bobine.

En général, le mouvement de l’aiguille se situe entre zéro à gauche et la déviation à pleine échelle (FSD) à l’extrême droite de l’échelle. Certains mouvements de mètre ont un indicateur centré par ressort avec la position de repos zéro au milieu de l’échelle permettant à l’indicateur de se déplacer dans les deux directions. Cela est utile pour mesurer la tension de n’importe quelle polarité.

Bien que ce mouvement PMMC réagisse linéairement au flux de courant dans la bobine mobile, il peut être adapté pour mesurer la tension par l’ajout d’une résistance en série avec le mouvement de la bobine. La combinaison d’une résistance en série avec le mouvement du voltmètre à bobine mobile permet de former un voltmètre DC pouvant donner des résultats précis une fois calibré.

Mesure de Tension

Nous avons vu dans ces tutoriels que lorsque des charges électriques sont en équilibre, la tension entre deux points quelconques d’un circuit est nulle, et si un courant (le mouvement de charge) circule dans le circuit, une tension existera entre deux points ou plus différents du circuit.

En utilisant un galvanomètre, nous pouvons mesurer non seulement le courant circulant entre deux points mais aussi la différence de tension entre eux, car selon la loi d’Ohm, ces quantités sont proportionnelles l’une à l’autre. Ainsi, en utilisant un voltmètre gradué, nous pouvons mesurer la différence de potentiel entre deux points d’un circuit.

Mais comment convertissons-nous un mètre qui fonctionne en utilisant un courant en un autre pouvant mesurer une tension ? Nous avons dit précédemment que la déviation du voltmètre à bobine mobile est proportionnelle à la force du courant passant à travers sa bobine mobile.

Si sa déviation à pleine échelle (FSD) est multipliée par la résistance interne de la bobine mobile, le mètre peut être fait pour indiquer une tension au lieu d’un courant, convertissant ainsi le voltmètre à bobine mobile en voltmètre DC.

Toutefois, en raison de la conception du mouvement de la bobine, la plupart des mètres PMMC sont des dispositifs très sensibles ayant des courants de déviation à pleine échelle, I_G, avec des valeurs aussi basses que 100µA (ou moins). Si, par exemple, la valeur résistive de la bobine mobile R_G est de 500Ω, alors la tension maximale que nous pourrions mesurer serait seulement de 50mV (V = I*R = 100µA x 500Ω).

Afin que le mouvement de la bobine sensible d’un voltmètre PMMC puisse mesurer des valeurs de tension plus élevées, nous devons trouver un moyen de réduire la tension mesurée à une valeur que le mètre peut supporter, ce qui est réalisé en plaçant une résistance, appelée multiplicateur, en série avec la résistance interne du mètre.

Supposons que nous souhaitons utiliser notre galvanomètre de 100uA, 500Ω mentionné ci-dessus pour mesurer des tensions de circuit jusqu’à 1,0 volt. Évidemment, nous ne pouvons pas connecter le mètre directement pour mesurer 1 volt, car comme nous l’avons vu précédemment, la tension maximale qu’il peut mesurer est 50 millivolts (50mV).

Mais en utilisant la Loi d’Ohm, nous pouvons calculer la valeur de la résistance en série, R_S, requise pour produire un mouvement à pleine échelle lorsque nous mesurons une différence de potentiel d’un volt.

Ainsi, si le courant pour lequel le galvanomètre donne une déviation à pleine échelle est de 100uA, alors la résistance en série R_S requise est calculée à 9,5kΩ. Ainsi, un galvanomètre peut être converti en voltmètre simplement en connectant une résistance suffisamment grande en série avec celui-ci comme indiqué.

Résistance en Série du Voltmètre

Notez que cette résistance en série, R_S, sera toujours supérieure à la résistance interne de la bobine, R_G, pour limiter la force du courant à travers les enroulements de la bobine. La combinaison du mouvement de mètre avec cette résistance en série externe forme alors la base d’un voltmètre analogique simple.

Exemple de Voltmètre No 1

Un galvanomètre PMMC a une résistance de bobine interne de 100Ω et produit une déviation à pleine échelle pour 200 mV. Trouvez la résistance multiplicatrice requise afin que le mètre donne une déviation complète lors de la mesure d’une tension DC de 5 volts.

Par conséquent, la résistance en série requise doit avoir une valeur de 2.4kΩ.

Nous pouvons utiliser cette méthode pour mesurer n’importe quelle valeur de tension en changeant la valeur des résistances multiplicatrices si nous connaissons les valeurs de déviation à pleine échelle de courant ou de tension (I_FSD ou V_FSD) du galvanomètre. Ensuite, il suffit de re-labeler l’échelle pour qu’elle affiche de zéro à la nouvelle valeur de tension mesurée.

Ce circuit simple de diviseur de tension connecté en série peut être étendu davantage pour avoir une gamme de différentes résistances de « multiplicateur » au sein de sa conception, permettant ainsi au voltmètre de mesurer une gamme de niveaux de tension différents d’un simple coup d’interrupteur.

Conception de Voltmètre Multi-Plage

Notre voltmètre DC simple ci-dessus peut être encore étendu en utilisant un certain nombre de résistances en série, chacune dimensionnée pour une plage de tension particulière, qui peuvent être sélectionnées une par une par un seul interrupteur multipôle, permettant ainsi à notre voltmètre analogique de mesurer une gamme plus large de niveaux de tension avec un seul mouvement.

Ce type de configuration de voltmètre est appelé voltmètre multi-plage, avec les plages sélectionnées en fonction du nombre de positions de l’interrupteur, par exemple, 4 positions, 5 positions, etc.

Configuration Directe du Voltmètre Multi-Plage

Dans cette configuration de voltmètre, chaque résistance multiplicatrice, R_S du voltmètre multi-plage est connectée en série avec le mètre comme précédemment pour donner la plage de tension souhaitée. Si nous supposons que notre mètre FSD de 50mV ci-dessus doit mesurer les plages de tension suivantes : 10V, 50V, 100V, 250V, et 500V, alors les résistances en série requises sont calculées de la même manière que précédemment :

Donner une configuration de circuit de voltmètre multi-plage direct :

Bien que cette configuration de voltmètre direct fonctionne très bien pour lire notre gamme de tensions, les valeurs de résistance multiplicatrice requises pour obtenir la déviation à pleine échelle du mètre pour les plages calculées peuvent donner des valeurs de résistances qui ne sont pas des valeurs préférées standard, ou nécessitent que des résistances soient soudées ensemble pour produire la valeur exacte.

Nos valeurs calculées de 99,5kΩ à 4,9995MΩ ne sont pas des valeurs de résistances communes, nous devons donc trouver une variation de la conception de voltmètre ci-dessus qui utilise des valeurs de résistances plus couramment disponibles.

Configuration Indirecte de Voltmètre Multi-Plage

Une conception plus pratique est la configuration indirecte de voltmètre dans laquelle une ou plusieurs des résistances en série sont connectées entre elles en série avec le mètre pour donner la plage de tension souhaitée. L’avantage ici est que nous pouvons utiliser des valeurs standards préférées pour les résistances multiplicatrices.

Si nous supposons à nouveau notre mètre FSD de 50mV et les plages de tension de 10V, 50V, 100V, 250V et 500V, alors les résistances multiplicatrices en série requises sont calculées ainsi :

Donner une configuration de circuit de voltmètre multi-plage indirect :

Alors nous pouvons voir avec cette configuration de voltmètre indirect à 5 plages, plus la tension à mesurer est élevée, plus la quantité de résistances multiplicatrices sélectionnées par l’interrupteur est importante. La résistance totale connectée en série avec le mètre PMMC sera la somme des résistances, puisque R_TOTAL = R_S1 + R_S2 + R_S3 … etc.

Il est clair que bien que les deux circuits, configurations de voltmètre direct et indirect, soient capables de lire les mêmes niveaux de tension, l’utilisation de valeurs de résistances standard et préférées de 400kΩ, 500kΩ, 1M5Ω et 2M5Ω rend la méthode indirecte plus facile et moins coûteuse à construire.

Il est clair que le choix des valeurs de résistance dépendra finalement du FSD du galvanomètre utilisé et des niveaux de tension qui doivent être mesurés. Quoi qu’il en soit, un voltmètre analogique multi-plage simple peut être construit en connectant des résistances multiplicatrices plus élevées en série et un interrupteur. La plupart des multimètres numériques d’aujourd’hui sont à plage automatique.

Un dernier point à noter lors de la construction d’un voltmètre DC est qu’un voltmètre idéal n’aura pas d’effet sur la partie du circuit ou sur le composant mesuré, car il aura une résistance équivalente infinie.

Cependant, en pratique, lorsque l’on mesure des tensions, connecter un voltmètre à un circuit, en particulier un circuit à haute résistance, peut réduire la résistance effective du circuit et donc avoir pour effet de réduire la tension mesurée entre les deux points.

Pour minimiser cet effet de charge, il convient d’utiliser un mètre de haute sensibilité, c’est-à-dire que sa déviation à pleine échelle est atteinte avec un courant de déviation plus faible, de manière à permettre à la résistance multiplicatrice utilisée pour le voltmètre d’être aussi élevée que possible afin de réduire le courant qui passe à travers le mètre PMMC. La sensibilité d’un voltmètre est mesurée en Ohms/Volt, (Ω/V).