DIS IPPARIUS DI MISURI

~

^ES appareils de mesUIe de construction récente et de bonne qualité sont, pour la plupart, dotés de quelques dispo-sitifs techniques qui permettent de les protéger contre les surchar-ges, et, en général, contre les er-reurs de branchement. Les instru-ments de mesure adoptés par les amateurs, au contraire, sont rare-ment munis de ces dispositifs.

C'est là une anomalie, car il est beaucoup plus difficile au profes-sionnel, c'est-à-dire à celui qui uti-lise c!es instruments de qualité de comniettre des erreurs de mesu-re, tandis qu'il arrive souvent à l'amateur d'insérer d'une manière erronée, l'appareil dans les cir-cuits à vérifier, soit par manque d'attention, soit par inexpérience.

Aussi le propre du contrôleur de l'amateur est-il d'être mis plus fa-cilement hors d'usage, c'est-à-dire 'Que plus encore que les autres, il nécessite de tels éléments de pro-tection.

FRAGIUTÉDE LA BOBINE MOBILE L'instrument de mesure peut être différemment réalisé, mais dans la plupart des cas, là où doit être exigée une bonne sensibilité et une précise linéarité de l'échel-le, celui-ci est du type à bobine mobile. Cet organe essentiel est représenté par une petite bobine de fil de cuivre mince, enroulée sur un cadre d'aluminium ou au-tre matériau léger. La bobine mo-bile tourne sur deux pivots entre les pôles d'un aimant permanent.

Quand celle-ci est traversée par le courant, il se créé un champ élec-tromagnétique opposé à celui de l'aimant qui oblige la bobine

mo-Page 188· NO 1473

bile à tourner sur elle-même, d'un certain angle. Sur celle-ci est ap-pliquée une petite aiguille de ma-tériau léger qui se déplace le long de l'échelle de l'instrument, en in-diquant la valeur de la mesure électrique effectuée par l'opéra-teur.

Pour que l'instrument de me-sure soit doté d'une bonne sensi-bilité, il est nécessaire que la bobi-ne mobile comporte un grand nombre de spires. Et comme l'es-pace occupé par cet élément ne doit pas être excessif, il est néces-saire que le diamètre du fil soit ex-trêmement petit; généralement, ce diamètre est de l'o(dre de 25/1000 de mm. Mais avec un fil aussi mince, il est facile de com-prendre qu'une erreur de mesure, c'est-à-dire un flux de courant ex-cessif peut provoquer la coupure immédiate de l'enroulement.

Prenons un exemple. En sup-posant que la bobine de l'instru-ment ait une résistance d'environ 2 000

n

et que celle-ci ne compor-te aucune procompor-tection automati-que. Sur l'entrée 0,1 mA, la diffé-rence de potentiel maximale ad-missible à ses bornes est égale à : 2.l(}3 . 1()4

=

^2.10.1

=

^{0,2 V.}

Dans ces conditions, quand on applique à la bobine mobile une différence de potentiel de 120 V, la surcharge correspond à 120/0,2

=

600, c'est-à-dire 6OO.fois la va-leur du courant nécessaire pour provoquer la déviation maximale de l'aiguille. Il est évident qu'au-cun type d'équipage mobile peut supporter une surcharge de cette valeur.

La bobine mobile, dans les ins-truments, ne constitue pas l'uni·

que partie fragile, parce que l'ai·

guille peüt aussi subir les effet!, néfastes d'une erreur de branche·

ment. En effet, l'aiguille, consti-tuée d'une mince section d'alumi-nium, ne peut supporter les heurts à fond d'échelle, et est fa-cilement déformée.

On peut alors se poser une question. Pourquoi ne pas faire une aiguille en acier? Cela n'est pas possible parce Que si l'acier ré-solvait le problème de la résis-tance mecanique, il alourdirait considérablement l'équipage mo-bile, rendant les lectures pratique-ment impossibles, en raison des oscillations que son poids entraî-nerait autour du point de lecture.

En augmentant la robustesse de l'aiguille, on diminue la précision.

SYSTÈME DE PROTECTION AUTOMATIQUE La protection automatique de l'équipage mobile des appareils de mesure peut s'effectuer au moyen de plusieurs solutions.

Naturellement, chacune de cel-les-ci présente des avantages et des inconvénients.

Comme éléments de protec-tion, on peut utiliser:

- les fusibles: ceux-ci s'inter-rompent quand l'intensité du cou-rant qui les traverse dépasse une valeur bien définie, coupant ainsi le circuit.

- les éléments non linéaires, en particulier les diodes au silicium, les diodes zener et les diodes tun-nel; ceux-ci peuvent se compor-ter comnie un court-circuit qui protège la bobine, quand elles sont mont6es en parallèle sur cet-te dernière.

- les éléments élI';Ctro-magnéti-ques; ils peuvent être constitués

par des relais sensibles ou bien des transformateurs saturables qui limitent le courant.

Ces éléments seront utilisés soit isolément, soit associés.

Il est cependant nécessaire, malgré toutes les méthodes de protection de faire très attention au cours des mesures. En effet, aucun type d'appareil, de prix abordable, n'est complètement invulnérable; cela résulte du fait qu'il est étudié et réalisé pour sup-porter momentanément les faus-ses manœuvres et les applications de tensions erronées. On doit ce-pendant observer que, lorsque les surcharges sont élevées, le temps d'application doit être aussi court que possible. Dans ce cas, l'utilisa-teur doit avoir soin de couper im-médiatement le courant quand l'aiguille de l'instrument subit un coup important et dépasse la limi-te maximale, ou bien quand l'ai-guille est soumise à une vibration violente.

PROTECTION AU MOYEN DE DIODES

A JONCTION

Au moyen d'une simple diode disposée en parallèle sur l'équipa-ge mobile, il est possible de proté-ger ce dernier èontre les surchar-ges. Avec ce système, on utilise hl propriété de la diode polarisée en sens direct d'être seulement conductrice à partir d'une Certai-ne valeur de seuil de la tension qui lui est appliquée. Sur la figure 1 qui représente les caractéristiques de trois diodes, dont deux (les deux premières) sont au germa-nium et la troisième, au silicium, on constate que ce courant direct

IO(d}

prend naissance quand la tension de seuil est de l'ordre de 0,2 V pour les diodes au germanium.. el de 0,6 à 0,7 V pour les diodes au silicium.

Donc, tant que la différence de potentiel aux bOrnes de l'équipa-ge mobile est inf~rieure ou égale à la différence de potentielmaxi-male en régime normal, la résis-tance équivalente de la diode est très élevée (plusieurs mégohms) et le courant qui la traverse "est négligeable. En défmitive, tout se

passe comme si la diode n'existait pas.

Supposons alors que dans le

cas

de la figure 2, on ait une surchar-ge de courant élevée, par exemple 300 fQis environ le courant néces-saire pour obtenir la déviation to-tale de l'équipage mobile, La ré-sistance équivalente de la diode tombe dans ce

cas,

à une valeur très basse (de l'ordre du centième d'ohm), C'eSt pourquoi la plus

grande partie du courant passe à travers la diode. ,

Le courant' qui

Passe

réelle-ment dans l'équipage mobile conStitue encore une surcharge élevée (environ une 'dizaine de fois le courant nommal) mais cet-te valeur est encore·supportable.

Rappelons que la diOde Dl, connectée en parallèle, ne modifie en aucune façon la mesure nor-male, et . simultanément~ réduit sensiblernent une éventuelle sur-charge de valeur élevée.

Naturellement, cette condition est seulement valable dans ie

cas

où la diode est polarisée en sens direct, c'est-à-dire, laisse passer le courant Dans le

cas

contraire, où les polarités sont inversées,la.dio-de n'exerce aucun pouvoir inversées,la.dio-de protection. Pour cette raison, on lijoute une seconde diode 02.

Comme

on peut le voir, les deux diodes Dl 'et 02 sont moritées en parallèle sur la bobirie mobilè, de

,

¹³⁰ 140

manière croisée,

Les

deux diodes devront présenter des caractéris-tiques idencaractéris-tiques. L'une de celles-ci, suivant les polarités de la ten-sion, assure le rôle de protection contre les surcharges en courant continu. Dans le

cas

de

surchar-ges de courants alternatifs, les deux éléinentsécouleront ces surcharges alternativement (fig. 3).

Dans les appareils,de type com-mercial" on utilise généralement des diodes,au silicium.

Naturellement, il' est possible d'obtenir une protection analogue à celle obtenue avec les -diodes en utilisant une seule jonction P-N d'un transistor NPN ou PNP, de manière à le faire fonctionner èomme une diode. La figure 4 donne un exemple de ce type.

De même dans ces circuits, , comme on l'a fait pour les diodes, il est préférable de donner la pré-férence au transistor au silicium.

PR0I'ECI10N PAR DIODE ZENER

La protection des instruments contre d'éventueiles surcharges ou manœUvres erronées peut auS-si être obtenue avec un seul élé-inent en utilisant la èaractéristi-que particulière des diodes

Zener.

La caractéristique 1

=

^{f (U) est}

semblable à celle représentée'à la (Igure S. Celle-ci exige des expl'"

cations. .

Rappelons qu 'u~ diode régu-latrice de tension se comporte

cOmme

une diode au silicium nor-male si celle-ci est polarisée

el)

sens direct. Quand au contraire, à ses bornes, on inverse le sens de la tension, à travers la diode circu-le un courant de fuite de quelques inicroampères. Ce cOurant reste indépendant pour urie vaste

gam-me de tensions. Q,pertdant,

au-NO 1473 - P . . . 1 ••

delà d'une certaine limite, si on augmente encore la tension, le courant croît instantanément jus-qu'à une valeur relativement éle-vée, de quelques dizaines de mA à plusieurs ampères.

La tension pour laquelle se ma-nifeste cette brusque augmenta-tion de courant inverse est com-munément appelée tension de rupture. Quand une diode régula-trice est utilisée correctement, elle permet de protéger etlicace-ment contre les surcharges, les galvanomètres et les autres appa-reils à bobine mobile, sans réduire considérablement leur précision.

Comme on peut le voir sur le schéma de la figure 6. la diode est montée en parlillèlesur l'équipage mobile. Avant que ne se p'r~duise la rupture, (en régime normal de fonctionnement), la résistance de la diode régulatrice a une valeur si élevée que, dans de nombreux cas, on enregistre un effet négli-geable sur la mesure même.

Quand la bobine mobile subit une brusque surcharge, de telle sorte que la rupture se manifeste à l'intérieur de la diode régulatri-ce, on introduit alors en parallèle à l'équipage une résiStance de fai-ble valeur, de l'ordre 'de 10.Q en-viron. Avec ce système, le cou-rant dans la bobine est limité à sa valeur de sécurité, puisque la dio-de dérive la plus grandio-de partie do.

courant en excès. Grâce à ce mé-canisme, on évite toute action vio-lente de rotation de la bobine mo-bile, protégeant ainsi l'aiguille et les autres organes.

La condition idéale serait que la tension de rupture de la diode surpasse de peu la tension qui dé-termine la déflexion totale de l'instrument.

En pratique, la tension de rup-ture est souvent égale à trois fois cette valeur, de manière à réduire l'effet du courant de diode exis-tant avant la rupture. Ce système de protection de l'équipage mobi-le présente un autre grand avan-tage. Si, par erreur, on inverse la polarité du galvanomètre, l'aiguil-le ne peut se déplacer dans l'aiguil-le sens erroné, en raison de l'effet de re-dresse~ent de.la .diode. Dans, 111 cas, ou on emplOie une seconde diode au silicium D, cette (ois de type normal, en plus de la diode régulatrice Dr, comme on peut le voir sur le schéma de la fig. 7, cet-te combinaison permet la mesure directe en courant alternatif, sans passer

a

travers les redresseurs' habituels. Cela résulte du fait que la déviation est proportionnelle à la moitié de la valeur èfficace de la tension d'entrée.

Paga 170· NO 1473

Fig. 5

Fig. 6

Fig. 7

Fig. 8

u,.,

Clnctéristique in;erse

ID +

l,."

-o

Si on veut éviter l'oscillation de l'aiguille indicatrice aux basses fréquences, il est nécessaire de connecter en parallèle à la bobine un condensateur de valeur éle-vée.

SYSTÈMES DE PR.OTECTION EN SÉRIE Il est également possible d'en-visager de mettre en série avec la bobine mobile de l'instniment un élément qui limite le courant à une valeur acceptable, sans que le microampèremètre soit endom-magé. Un exemple de ce type est donné à la fig. 8 sur laquelle la protection est assurée par une diode au germanium en série"

Fig. 9

Fig., 10

Fig. Il

G,lvanomètrt 150I'A

Mais dans ce cas, il faut choisir une diode de mauvaise qualité, c'est-à-dire qui présente un cou-rant de perte suffisamment élevé, de l'ordre de 2 à 3 fois égal à la va-leur à pleine échelle de l'instru-ment, pour remplir ainsi le rôle d'élément limiteur. On sait que dans les limites maximales d'utili-sation, le courant de perte d'une diode est pratiquement constant quelle que soit la tension inverse qui lùi est appli<;l.uée.

PR.OTECTION PAR. DIODE TUNNEL La protection d'un équipage mobile peut aussi être améliorée en ajoutant une diode tunnel.

Fusibl.

SOOmA

'Le principe sur lequel repose le fonctionnement d'une diode tun-nel est en relation avec un phéno-mène de physique solide. On sait que dans un semiçonducteur de type P ou N, fortement dopé, un nombre appréciable de porteurs de charge peut traverser la jonc-tion, même si la tension appliquée n'annule pas totalement l'effet de charge d'espace. Tout se passe comme si ces porteurs, au lieu de traverser la barrière, se précipi-tent en quelque sorte dans un tun-nel. Ceci constitue l'effet tunnel prévu par la mécanique des quan-ta.

Ce phénomène se traduit par une caractéristique courant-ten-sion ayant l'allure de celle qui est indiquée à la fig. 9. Cette courbe

présente les particularités suivan-tes :

1) Courant inverse très élevé et proportionnel à la tension inverse appliquée; comme on peut le voir, il est beaucoup plus élevé que le courant direct (région A).

2) Courant direct élevé pour de faibles valeurs de tension directe (région B).

3) Région à pente négative sur la-quelle le courant direct diminue quand la tension directe augmen-te (région C).

4) Seconde région à pente positi-ve pour laquelle le courant direct recommence à augmenter avec la tension, et qui peut être assimilé au courant direct d'une jonction ordinaire (région D).

Comme on peut le voir sur le

pa-rallèle sur une diode au silicium à jonction normale, disposée en sens direct. En régime normal d'utilisation, le point de fonction-nement de la diode tunnel se trouve entre le point 0 et le point A. Celui-~i correspond à un cou-rant compris entre 0 et 150 p,A, et une tension comprise entre 0 V et 10 mV. Cette chute supplémen-taire, qui s'introduit aussi en série, peut être négligée dans la plupart des cas.

Si on emploie un bon galvano-mètre, la chute totale de tension, aux bornes de l'ensemble galva-nomètre-diode tunnel, ne dépasse pas 100 mV ; avec cette valeur de tension, le co~rant dérivé par la diode à jonction normale est né-gligeable. De cette manière; les deux diodes n'ont aucune in-fluence sensible sur la mesure.

Quand une surcharge se présente dans le cas d'un courant supérieur au courant de pic de la diode tun-nel, celle-ci se manifeste en un temps qui se mesure en nanose-condes. Le point de fonctionne-ment passe sur le second trait à pente positive (région D) de la ca-ractéristique 1

=

f (U). A ce mo-ment, la tension aux bornes de l'ensemble galvanomètre-diode tunnel dépasse considérablement les 100 mV, et la diode normale dérive presque tout le courant de pointe; un' courant ~ peine supé-rieur au courant de vallée de la diode tunnel (ISO p,A) continue à passer dans le galvanomètre sans que celui-ci risque aucun danger.

Le circuit de la figure 10 est prévu pour protéger les appareils à courant continu.

Quand il est nécessaire

d'obte-nir une protection totale des appa-reils en alternatif ou en continu, connectés de façon erronée, on doit ddubler le dispositif. Dans ce cas, il est nécessaire de réaliser le circuit de la fig. Il, où sont dispo-sées deux diodes tunnel en série et en opposition, et deux diodes normales connectées également en parallèle et en opposition.

CONCLUSION Pour conclure, nous pouvons constater que les méthodes que nous venons de décrire utilisent des éléments non linéaires qui as-surent une protection statique ef-ficace de l'équipage mobile, sans altérer les caractéristiques de l'instrument, et tout particulière-ment la sensibilité.

Ce type de protection inter-vient instantanémènt, au contrai-re de ce qui se produit avec les systèmes thermiques ou électro-magnétiques. En outre, celui-ci protège, outre l'équipage mobile, également les éléments qui lui sont associés directement, c'est~à­

dire les redresseurs de mesure, en limitant la tension à leurs bornes, pour toutes les surcharges, de fa-çon automatique. Rappelons en-core que ce type de protection est aussi efficace pour des courants de faible intensité qui ne seraient pas susceptibles de faire sauter le fusible.

F. HURE

Bibliographie: Sperimentare Janvier 1974 - Radiorama Octo-bre 1972 - Elettronica Pralica Janvier 1973.

L'oscilloscope D 61

(suite de la page 167) Précision de la base de temps

sur toutes les vitesses:

±

2,5 % Là encore, ce chiffre est infé-rieur à celui de la spécification qui donne

±

5 %. En balayage

Vis-à-vis des variations réseau entre 196 et 240 V, il ne ressort pas de modification des caracté-ristiques en vertical. En horizon-tal, une dérive de 0,4 division est notée sur la vitesse maximale en balayage expansé, sans que la pré-cision sur les autres positions ne soit affectée.

La synchro reste accrochée en interne à 0,5 division pour

±

12 % de variation réseau.

CONCLUSION L'oscilloscope D61 est un appa-reil aux caractéristiques

intéres-santes dont la présentation est particulièrement bien adaptée pour en permettre un usage très simple. Ses performances sont toutes supérieures aux spécifica-tions, et sa réalisation est satisfai-sante.

AVANTAGES Présentation très claire.

Poids réduit.

Très bonne précision du gain vertical et des durées de balayage.

Gain vertical variable unique-ment par bonds.

Bon rapport qualité-prix.

INCONVÉNIENTS Alimentation en 110 ou en 220 V (pas de bitension).

Sonde obligatoire pour des ten-sions supérieures à 40 V crête à crête.

J.B.

NOUVEAUTÉ KITORGAN 1974

Dans le document Dans ce numéro (Page 37-40)