Formation radioamateur - F6KGL

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rubrique
Formation
radioamateur
Référence : TECH 7 – 1 & 2
Le galvanomètre à cadre mobile.
Un galvanomètre à cadre mobile est composé d’un aimant
fixe et d’une bobine mobile (le cadre) qui évolue dans le
champ magnétique de l’aimant. Cette bobine mobile est solidaire d’une aiguille. Elle est montée sur un axe muni de ressorts spiraux. Lorsqu’un courant parcourt la bobine, il réagit
en présence du champ magnétique de l’aimant et crée un
couple de rotation de la bobine.
Ce couple s’oppose à celui
créé par les ressorts spiraux. A
l’équilibre, l’angle de déviation
de la bobine, donc de l’aiguille,
est proportionnel au courant
qui traverse le cadre mobile. Un
galvanomètre à cadre mobile
est essentiellement un appareil
de mesure de courant.
La caractéristique principale d’un galvanomètre est sa sensibilité,
exprimée par le courant entraînant sa déviation maximum
(de 100 µA à 1 mA). De par sa construction, le fil de cuivre
de la bobine possède une résistance faible (résistance interne). Des montages spécifiques permettent de transformer
un galvanomètre soit en ampèremètre (mesure de courant
supérieur au courant maximum applicable à la bobine), soit
en voltmètre (mesure de tension plus grande que la tension
maximum applicable aux bornes du galvanomètre).
Les galvanomètres à
cadres mobiles sont des
appareils de mesure
d’intensité. Un galvanomètre est composé d’un
aimant fixe et d’un cadre
mobile pouvant effectuer une rotation de 90°
au maximum. Le cadre
contient une bobine et il
est surmonté d’une aiguille. En position initiale (notée 0 sur le
cadran du schéma), le champ de l’aimant est perpendiculaire
à l’axe de la bobine car un ressort, souvent en forme de spirale,
ramène l’aimant vers cette position initiale. Le champ magnétique généré par le courant traversant la bobine force celle-ci
à se tourner dans l’axe de l’aimant. L’aiguille fixée sur le cadre
indique la déviation lue sur un cadran gradué.
Le galvanomètre a une résistance interne propre (Ri) et une
intensité de déviation maximum (Ig) à ne pas dépasser. Un
galvanomètre ne peut lire que de faibles intensités (intensité
de déviation maximale, de l’ordre du milliampère, voire moins)
ou de faibles tensions (Ri x Ig, soit quelques µV).
Des montages spécifiques permettent de lire des tensions
supérieures ou des intensités plus importantes. Le galvanomètre est alors monté en voltmètre ou en ampèremètre.
LE VOLTMETRE.
Pour réaliser un voltmètre on associe en série au galvanomètre
une résistance de forte valeur.
Le calcul de la valeur de la résistance additionnelle R se fait
en appliquant la loi d’Ohm
L’AMPEREMETRE.
Pour les mesures d’intensités plus importantes,
on dérive la plus grande
partie du courant dans
une résistance de faible
valeur appelée ‘’shunt’’
connectée en dérivation
aux bornes du galvanomètre.
Au nœud M, le courant I
à mesurer se partage en
deux :
š?]ZWdib[]WblWdec„jh[1
š?#?]ZWdib[i^kdj$
Appliquons la loi d’Ohm entre M et N :
En divisant le numérateur et le dénominateur par Ig, ce qui ne
change pas la fraction, on obtient :
Le galvanomètre, par construction, ne peut indiquer que des
valeurs moyennes et continues. Pour indiquer des valeurs alternatives, une diode sera montée en série pour réaliser le
redressement, et une échelle de lecture adaptée sera utilisée
sur le cadran afin que l’aiguille indique des valeurs maximum
ou efficaces.
Exemple 1 : nous disposons d’un galvanomètre dont les caractéristiques sont les suivantes : intensité de déviation maximum = 20 µA et résistance interne = 10 Ω. Comment réaliser
un voltmètre dont le calibre est de 10 volts et un ampèremètre
dont le calibre est 1 ampère ?
:Wdikdlebjc„jh["bWhƒi_ijWdY[[ij[diƒh_[1
Ug = Ig$H_3&"&&&&(n'&3&"&&&(L1
UR = UT – Ug3&Å&"&&&(3/"///.L1
R = UR / Ig = 9,9998 / 0,00002 = 499990 Ω ≈ 500 kΩ
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Autre méthode : R = (UT / Ig) – Ri = (10 / 0,00002) – 10
= 500000 – 10 = 499990 Ω
:WdikdWcf„h[c„jh["bWhƒi_ijWdY[[ij[dfWhWbb„b[1
IR = IT – Ig3'7Å&"&&&&(73&"////.71
R = U / I = Ug / IR = 0,0002 V / 0,99998 A = 0,0002 Ω
Autre méthode :
R = Ug / IR = (Ri . Ig) / (IT – Ig) = (10 x 0,00002) / (1 – 0,00002) =
0,0002 / 9,9999 =0,0002 Ω
Le fait de brancher en
dérivation un voltmètre
sur un circuit ne doit pas
perturber le fonctionnement de ce dernier. Pour
cela, le voltmètre devra
consommer le moins
d’intensité possible pour indiquer la valeur de la tension. Mais
lorsque la tension à mesurer a une forte impédance (rapport
U/I très grand), le voltmètre risque de perturber le circuit. Le
rapport obtenu en divisant la résistance totale du voltmètre
par le calibre en volts donne le facteur de qualité du voltmètre
(Q). Ce rapport est inversement proportionnel à la sensibilité
du galvanomètre (intensité pour laquelle la déviation de l’aiguille est maximale). Un voltmètre à aiguille possède toujours
le même rapport Ω/V quel que soit le calibre utilisé. En effet,
pour augmenter la tension de calibre (UT) d’un voltmètre, on
doit augmenter proportionnellement la valeur de la résistance
en série (R). Si bien que le rapport R / UT reste le même, Ri
étant négligeable devant R.
Exemple 2 : quelle est la qualité du voltmètre de l’exemple n° 1
ci-contre ?
Réponse : Q = (R + Ri) / UT = (499990 + 10) / 10 = 50000
= 50 kΩ/V ou Q = 1/Ig = 1/0,00002 = 50000 = 50 kΩ/V
Exemple 3 : quelle est la valeur de la résistance R à mettre en
série avec ce voltmètre calibré sur 10 volts pour obtenir un
voltmètre calibré sur 100 volts ?
Réponse : la résistance R doit créer une différence de potentiel
égale à la tension de calibre diminuée de la tension du voltmètre
(100 V – 10 V = 90 V). La résistance du voltmètre est de 5 kΩ/V.
La résistance R aura donc pour valeur 90 V x 5 kΩ/V = 450 kΩ.
Autre méthode :
Calcul de l’intensité de déviation maximale :
Q = 1/Ig donc Ig3'%G3'%+&&&3&"&&&(71
La résistance R doit créer une différence de potentiel égale à
la tension de calibre diminuée de la tension du voltmètre
(100 V – 10 V = 90 V).
La résistance R est déterminée par la loi d’Ohm :
R = U / I = 90 / 0,0002 = 450000 Ω = 450 kΩ.
On voit à travers ces exemples l’utilité de connaître la loi
d’Ohm et de comprendre le fonctionnement des groupements de résistances. Toutes les formules développées dans
cet article et leurs variantes sont directement issues des lois
d’Ohm et de Kirchhoff (loi des nœuds et des mailles).
Un bon voltmètre aura un Q au moins égal à 20.000 Ω/V,
soit une intensité de déviation maximum Ig de 50 µA (= 1 /
20.000). Pour les ampèremètres, le paramètre important est
la résistance interne du galvanomètre. Plus celle-ci sera faible,
meilleur sera l’appareil. Un bon appareil de mesure multimètre aura donc une tension de déviation maximum la plus
faible possible (faible résistance interne et faible intensité de
déviation maximum).
Cette notion de qualité des voltmètres n’est plus d’actualité,
car les instruments numériques ont remplacé les appareils à
aiguille. Par construction, les voltmètres numériques ont une
résistance interne constante et très élevée quel que soit le
calibre utilisé (souvent de l’ordre de 100 MΩ).
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