La semaine dernière, on vous a présenté notre tout nouveau voltmètre USB, le Yocto-milliVolt-Rx qui permet de mesurer des tensions avec une précision de l'ordre de la dizaine de µV. Évidement la question que certains d'entre vous se posent est: "Est-ce qu'on pourrait avoir la même chose avec un ampèremètre?". Bonne nouvelle: il est quasiment trivial de convertir le Yocto-milliVolt-Rx en ampèremètre.
Le Yocto-milliVolt-Rx, un ampèremètre en puissance
Un peu de théorie
A l'école, vous avez certainement entendu parler de la loi d'Ohm. C'est un des principes de base de l'électronique qui dit que la tension U en volts aux bornes d'une résistance est égale à la valeur R de sa résistance en ohms fois le courant I, en ampères, qui la traverse. Autrement dit: U=R.I.
La tension aux bornes d'une résistance est égale au produit de sa résistance et du courant qui la traverse
On peut ré-écrire cette loi sous une autre forme: I=U/R. Et là, tout s'éclaire: si on insère une résistance dans un circuit, et qu'on mesure la tension à ses bornes, on peut en déduire le courant qui passe en divisant la tension mesurée par la valeur de la résistance. Attention, cela ne veut pas dire que vous pouvez utiliser la première résistance qui vous tombe sous la main, il va falloir faire quelques calculs basiques...
Si on insère une résistance dans un circuit, on peut mesurer le courant qui passe avec un Yocto-milliVolt-Rx
Choisir la bonne résistance
La seule vraie difficulté est donc de choisir la résistance la plus adaptée compte tenu de toutes les contraintes du système.
- Vous devez définir la plage de courant que vous souhaitez mesurer. Le convertisseur analogique / digital du Yocto-milliVolt-Rx est un convertisseur 16 bits qui peut mesurer aussi bien des courants positifs que négatifs. Il est donc capable de donner 216 / 2 = 32767 valeurs positives et 32767 valeurs négatives différentes. Par conséquent, le rapport entre la valeur la plus grande que vous voulez mesurer et la plus petite ne doit pas excéder 32000. C'est une contrainte que vous ne pouvez pas contourner.
- Pour obtenir la meilleure résolution possible, il faut que la plage de tension obtenue au bornes de la résistance corresponde le plus possible à l'une de plages de mesure du Yocto-milliVolt-Rx : [-250mV ... +250mV] , [-500mV ... +500mV] , [-1V ... +1V] ou [-1V ... +2V].
- La résistance a une influence sur le circuit: la tension que vous allez mesurer aux bornes de la résistance sera soustraite de la tension disponible pour le reste du circuit. Imaginons que votre circuit soit conçu pour être alimenté en 3.7 volt, avec des pointes à 2 Ampères. Si vous utilisez une résistance de 1Ω, lorsque le circuit réclamera 2A, la tension au bornes de la résistance sera de 1Ω x 2A = 2V, il ne restera alors que 3.7 - 2 = 1.7V pour alimenter le circuit. Il y a alors de bonnes chances pour que circuit ne fonctionne plus comme prévu. Il faut donc choisir une résistance suffisamment petite pour que son influence soit négligeable mais suffisamment grande pour que la tension à ses bornes soit mesurable par le Yocto-milliVolt-Rx.
- Une partie de l'énergie qui passe dans le circuit va être dissipée par la résistance, cette énergie est égale R.I2. Il faut donc choisir une résistance capable de dissiper cette puissance et même prévoir une bonne marge pour éviter que qu'elle ne chauffe: une résistance qui chauffe change de valeur.
Mise en pratique
On sait que certains de nos clients utilisent le Yocto-Amp pour mesurer la consommation de smartphones. Le Yocto-Amp a une précision de 2mA, voyons si on peut faire mieux avec un Yocto-milliVolt-Rx.
Mettons que l'on souhaite mesurer des courants aussi faibles de 0.1 mA avec des pointes à 2A. Choisissons la plus petite plage de mesure du Yocto-milliVolt-Rx : -250mV ... +250mV avec une sensibilité de 0.01mV. La plus petite valeur de la résistance qu'on peut choisir est alors 0.01mV / 0.1mA = 0.1 Ω. Lorsque 2A passeront à travers cette résistance, la tension à ses bornes sera alors de 0.1Ω *2A =0.2V, ce qui tient dans la plage -250mv..250mV qu'on a choisi. Une chute de tension de 0.2V lors des pics de consommation est un peu élevée, mais reste acceptable. Finalement la puissance dissipée lors des pics de consommation sera de 0.1Ω x 2A x 2A = 0.4W.
On a donc choisi une résistance de 0.1Ω, 1%, 1W. La précision de 1% n'est pas extra-ordinaire, mais les résistances à 1‰, sont chères et difficiles à trouver. Par ailleurs, il est possible d'améliorer cette précision.
Yocto-milliVolt-Rx + résistance = Ampèremètre USB
Pour fabriquer notre ampèremètre USB, il suffit donc de placer la résistance dans le bornier du Yocto-milliVolt-Rx et de partir de là pour alimenter le circuit. Par contre, il faut garder les fils aussi courts que possible: le téléphone n'a probablement pas été conçu pour avoir sa batterie au bout d'un long fil.
Câblage du Yocto-milliVolt-Rx pour mesurer la consommation d'un téléphone.
Configuration
Il reste à configurer le Yocto-milliVolt-Rx pour qu'il traduise directement en mA la tension qu'il mesure: on a choisi la plage d'entrée -250..+250mV et une résistance de 0.1Ω ce qui donne une plage de sortie de -2500..+2500mA. Il suffit donc de configurer le Yocto-milliVolt-Rx avec ces valeurs, et on obtient un ampèremètre. La configuration étant sauvée dans la mémoire permanente du module, il n'y a besoin de la faire qu'une seule fois.
Configuration du Yocto-milliVolt-Rx à l'aide du VirtualHub
Test
Pour que l'expérience soit plus facile on a imprimé un support de batterie qui s'insère dans le téléphone qui permet d'intercaler le Yocto-milliVolt-Rx sur l'alimentation. Voici le résultat.
Conclusion
On a transformé à peu de frais notre Yocto-milliVolt-Rx en un ampèremètre précis à ~1%. Essentiellement parce que la résistance qu'on a utilisée est donnée à 1%. Vous pouvez évidement améliorer la précision en choisissant une résistance plus précise mais plus chère. Mais vous pouvez aussi utiliser un ampèremètre classique comme référence pour affiner la configuration du Yocto-milliVolt-Rx, et obtenir ainsi un ampèremètre USB avec enregistreur de données aussi précis que votre référence.
