Comment mesurer un courant très faible

Circuits Divers / Various Circuits

Il n'est pas possible de mesurer avec précision des courants très faibles de quelques microampères ou moins à l'aide d'un appareil de mesure ou d'un multimètre ordinaire. Pour effectuer des mesures aussi précises, vous devez utiliser un circuit actif, comme celui illustré ici.

Ce circuit ampèremètre à faible courant peut être construit comme une unité autonome ou intégré dans un instrument nécessitant une plage de courant très sensible.

Portée du compteur de courant faible

Cet instrument spécialisé est capable de mesurer des courants allant de 100 nanoampères (10^-7 ampères) à 10 mA à pleine échelle, divisés en six plages distinctes.

L'inclusion de plages plus élevées sert à un étalonnage précis et elles chevauchent généralement les plages de courant inférieures trouvées sur de nombreux multimètres.

Le compteur, étiqueté M1, est un compteur de 100 µA connecté à la manière d'un voltmètre avec une déviation pleine échelle de 1 V.

Les composants de résistance R9 et RV2, agissent comme des résistances multiplicatrices.

Le potentiomètre sert de contrôle d'étalonnage, réglé avec précision pour obtenir une déviation du compteur à pleine échelle sur les plages 10 mA ou 1 mA.

Comment fonctionne le circuit

U1 est un amplificateur opérationnel configuré en mode non inverseur avec un gain de tension continue d'environ 100 fois, déterminé par le réseau de rétroaction formé par R8 et R1.

C2 est utilisé pour réduire le gain CA à un niveau proche de l'unité, améliorant ainsi la stabilité et l'immunité aux interférences parasites. L'entrée non inverseuse de U1 est polarisée vers la référence 0 V par la résistance de plage sélectionnée (R2-R7) comme déterminé par SW2.

En théorie, cette configuration ne produit aucune tension de sortie et aucune déviation du compteur. Cependant, en pratique, il est nécessaire de compenser les petites tensions de décalage à l'aide du contrôle nul de décalage, RV1.

Un courant extrêmement faible provenant du circuit mesuré circule dans les bornes d’entrée de l’instrument.

Une tension est développée aux bornes de la résistance d'entrée choisie, une parmi l'ensemble de R2 à R7.

U1 amplifie ensuite cette tension, ce qui entraîne une déviation positive du compteur.

Considérez le scénario dans lequel la plage 10 mA est sélectionnée. Le courant d'entrée traverse R2.

Si le courant d'entrée est, par exemple, de 5 mA, la loi d'Ohm stipule que 5 mV se développeront aux bornes de R2 :
E = I x R = 5 x 10^-3 x 1 = 5 mV.

Étant donné le gain de U1 de 100 (calculé comme Gain = R8 / R1 = 390 x 10³ / 3900 = 100), la tension à la broche 6 de U1, avec une entrée de 5 mA, sera de 500 mV ou un demi-volte.

Par conséquent, le compteur indiquera la moitié de l'échelle, donnant une lecture de 5 mA. Les gammes successives multiplient par 10 la sensibilité de l'instrument.

Cette configuration repose sur l'impédance d'entrée élevée de U1 (un 3140), garantissant qu'elle ne « charge » pas la résistance d'entrée sélectionnée et ne compromet pas la précision de lecture en consommant un courant d'entrée substantiel.

Le 3140 est un ampli opérationnel à entrée FET avec une impédance d'entrée typique de 1,5 million de mégohms. Il est crucial de noter que, pour une précision raisonnable, toutes les résistances d'entrée (R2 à R7) et les résistances de rétroaction de l'ampli-op doivent avoir une tolérance de 2 % ou mieux.

Protection des compteurs

La protection du compteur est assurée grâce à l'inclusion de D1 et D2. Dans les cas où le courant d'entrée dépasse le maximum autorisé pour la plage choisie, la tension de sortie de U1 dépassera 1 V.

Si elle dépasse environ 1,2 V, les deux diodes commenceront à conduire, empêchant ainsi toute augmentation supplémentaire de la tension de sortie de U1.

Ce mécanisme de protection protège le compteur des surcharges dépassant 20 % de l'entrée nominale.

Ajustement nul du décalage

Lorsque vous effectuez des réglages sur le contrôle nul de décalage (RV1), commencez par le curseur positionné à l'extrémité connectée à la broche 5 de U1. Initialement, le compteur doit afficher une déviation prononcée.

Ajustez progressivement RV1 vers l'arrière juste assez pour amener le compteur à zéro et pas plus.

Comment calibrer

L'étalonnage de cet appareil peut être réalisé à l'aide de plusieurs méthodes. Une approche simple consiste à acquérir une alimentation variable capable de délivrer 10 V et à obtenir une résistance de 10k avec une précision de 1% ou 2%.

De plus, vous aurez besoin soit d’un multimètre à miroir bien calibré, soit d’un multimètre numérique.

Pour commencer l'étalonnage, connectez la résistance et le compteur de courant faible en série et fixez-les à la sortie de l'alimentation.

Simultanément, connectez le multimètre à la sortie de l'alimentation en prenant soin de respecter les polarités.

Sélectionnez la plage 1 mA sur le compteur de courant faible et une plage appropriée sur le multimètre. Réduisez progressivement la puissance de l'alimentation et activez-la.

Ajustez méticuleusement les paramètres d'alimentation pour obtenir une lecture précise de 10 V sur le multimètre.

Pendant ce processus, ajustez soigneusement R11 pour une déviation à grande échelle. À ce stade, votre compteur de courant faible doit être calibré avec précision.

Si vous remplacez la résistance 10k par une résistance 1k, ayant une précision de 1% ou 2%, vous pouvez vérifier l'étalonnage pour la plage 10 mA.