Brevet FR2875603A1 — publié le 20060324

VOLTMETRE A CHARGE ADAPTEE 1 - Ce voltmètre est un appareil dit de mesure vraie à charge adaptée ou de mesure exploitable; appareil destiné aux professionnels de l'électricité. GENERALITES Cet appareil permet la mesure de différence de potentiel aux bornes d'une source ou circuit de résistance interne faible( ou d'impedance interne faible)telle que tension g secteur, batterie automobile ou générateur électrique. PRINCIPE Adjonction en parallèle lors de la mesure aux bornes du circuit ou de la source consideree d'une charge telle que le débit de la source soit approximativement équivalent à celui existant en fonctionnement minimum normal (lorsque la charge telle qu'ampoule d'éclairage pour un circuit en 220V- ou ampoule d'éclairage d'un ÉÉ' 1 phare d'automobile en 12 V= par exemple est mise en service.) Ce voltmètre est destiné en particulier aux électriciens automobile et, plus généralement, aux électriciens dans le bâtiment et l'industrie. Par ses commutations sur les différentes gammes de mesure, en charge adaptée ou sans charge adaptée, il est utilisable dans tous les cas de dépannage: Sans charge adaptée pour les 1 5 circuits électroniques et les circuits dont (la ou les) résistances(s) mise en serie ne supporteraient pas le débit demandé. II- Nécessité d'un tel appareil par rapport à la technique existante et aux problèmes courants de dépannages. 1) Par rapport à la technique existante. iO Les appareils de mesure, voltmètres existants à l'heure actuelle,sont des voltmètres analogiques ou digitaux de technologies différentes permettant les mesures crêtes, true rms,moyennes des différences de potentiel. Leur impédance d'entrée varie de quelques dizaines de kû à quelques 2. 5 _dizaines de MO suivant la gamme. Ils ne permettent pas de charger réellement un circuit (tel que délimité dans les principes) dans des conditions proches de son fonctionnement minimum normal. Pour cette raison, les mesures de tension sur l'installation électrique d'une voiture ou sur les circuits électriques dans le bâtiment et l'industrie, ce avec des voltmètres courants sont souvent sources d'erreurs ou d'incertitude: On peut très bien, par exemple, mesurer 12V avec un voltmètre courant à l'emplacement d'une ampoule de phare d'automobile et n'avoir aucun résultat lorsqu'on branche réellement l'ampoule: L'ampoule ne s'éclaire pas. 2) Par rapport aux problèmes courants de depannage- prenons un exemple la ldans l'automobile 3 15 Observons le schéma suivant (schéma référencé Al) concernant un circuit de courant électrique voiture:batterie(Bt) Lorsqu'on établit le contact par x (bloc de commutation), l'ampoule Ox ne s'allume pas. On vérifie la tension entre A et B avec un voltmètre courant mesurant des tensions moyennes (en enlevant l'ampoule) ; on a bien 12V. On change l'ampoule: Cela ne marche toujours pas. On refait une mesure entre A et B avec une ampoule dont on est sûr, sans enlever l'ampoule: La tension a chuté. On en conclut à un problème de séparation de masse sur le châssis, à une mauvaise masse, à une mauvaise connexion sur un des + du -el circuit, à de mauvaises cosses... Parallèlement, on a vu que la faible masse existante ou le peu de courant que le + laissait passer était suffisant pour déclencher un voltmètre courant mesurant une tension moyenne et que d'une telle mesure on ne pouvait tirer aucune conclusion valable (la tension /\ S chutant lorsqu'on la soumet à une charge). Pour la suite du dépannage cela peut s'avérer très délicat. Le problème est: Où se trouve le défaut ? Avec un voltmètre courant, il sera très difficile de le déterminer (à moins de doubler la mesure d'un essai avec une ampoule de puissance adaptee a chaque etape) 2 Dans un cas plus general et dans le cadre d'un depannage on pourrait avoir l'idee de proceder avec une simple ampoule de puissance suffisante niais il faudrait: - Avoir une ampoule adaptée à chaque tension:12V en général pour les voitures, 24 V pour les camions, 6V ou une tension différente s'il y a une résistance de puissance de chute en série dans le circuit,220v-ou 380v-dans le batiment et l'industrie...etc On n'aurait aucune idée de la polarité On ne pourrait pas, ou très difficilement, détecter les chutes de tension: or, dans certains cas, une chute de tension de 1 ou 2V signifie quelque chose (circuit de charge de la batterie par l'alternateur par exemple). - De plus, la présence d'une tension que l'on détecte (sans charge) avec le voltmètre à charge adaptée en position sans charge (ce voltmètre peut être commuté en position sans charge pour chaque gamme). Cette présence donc signifie quelque chose: Qu'il n'y a pas de rupture complète du circuit à un endroit donné (masse au +) : Cela oriente les recherches. D'une façon générale, dans l'automobile et lorsqu'on mesure des tensions lors de recherche de panne dans une boîte de connexion à fusible ou autre boîte de connexion, il est très utile de savoir si à un endroit déterminé, on dispose d'une tension réellement utilisable , c'est-à-dire capable de supporter une charge minimale, de connaître sa valeur réelle et sa polarité : Gain de temps et élimination de source d'erreur. B]dans un cas plus general: Pour ce qui concerne le bâtiment et l'industrie, le problème se pose pratiquement de la même manière à quelques variantes près: On a très souvent' besoin de savoir si, à un endroit déterminé : prise ou point lumineux, on dispose d'une source de tension utilisable , c'est-à-dire capable de débiter dans une charge minimum de l'ordre de celle que l'on trouve habituellement dans ce type de circuit. 2 5' Utilisation d'un galvanomètre 100 A classe 1,5 R interne = 4425 ohms Commutation directe: 250V- en charge 250V- sans charge 400V- en charge 400V- sans charge -- Un exemple seulement: Avec un voltmètre courant, on mesure 220V-à une prise: Si on ne fait pas un essai parallèlement avec une ampoule ou avec une perceuse, on n'est pas sûr que ces 220V nous servirons à quelque chose. 5- Souvent, nous avons des pannes dues à de faux contacts, sur le neutre principalement ou dans les tableaux et les boites de connexion;d'ou l'utilite du voltmetre àcharge adaptée CONCLUSION: Nous allons définir une appareil (voltmètre fonctionnant à débit nominal avec une 4 û possibilité_de commutation (sans charge) pour chaque gamme de tensions et la façon de s'en servir. Ce voltmètre permettra de résoudre les problèmes rencontrés précédemment évoqués. Ill- VOLTMETRE A CHARGE ADAPTEE Cahier des charges: Charge adaptée: Réalisation d'un voltmètre classe 2 maximum À 5 sur tous calibres. Calibre: 15V-30V en courant continu avec charge 15V-30V en courant continu sans charge Commutation directe: 15V en charge 15V sans charge {30V en charge {30V sans charge Commutateur à galettes et non pas sur circuit imprimé Calibres: 250V- - 400V- 3o 1) Schéma théorique en 15V et 30V courant continu (A2) 2) Schema de commutations sur galette en 15 et 30v= (A3) 3)Schema de principe en -avec commutations(A4) Commutateur à galettes par contacts laissant passer une certaine intensité (contacts 35 pouvant dissiper une certaine puissance) N] ETUDE DU VOLTMETRE A CHARGE ADAPTEE EN COURANT CONTINU On adopte une charge de 20 W correspondant à une ampoule de feu code pour les quatre gammes 15 et 30V. 2875603 y On utilise pour la charge des résistances de puissance non bobinées E12 fonctionnant à 40% de leur capacité maximale pour éviter un échauffement trop important. Calcul des résistances S SCHEMA (voir B1 et A3) p=r galvanometre. - gammes 15v: calcul des resistances en serie dans le circuit du galvanometre Pour une pleine déviation du galvanomètre et pour un courant de 100 A on aura: RT= 4425 ohms+ RX 1 soit à déterminer RX1 U = 15V =(4425 + RX1) x 100 A = 0,4425 + RX1 x 0,0001 A RX1= 15 0,4425 = 14,557 =145500ohms 0,0001 0,0001 Soit une résistance de 100K + une resistance de 45,5 k dans la série E24 1/4W calcul des resistances de charge en 15v On aura une résistance globale si U=15V et P=20W 4 S P=Ul *1=P/U = 20/15 = 1,33A R =U/i = 15/1,33 = 11,2752 La résistance de charge n'a pas de valeur précise imperative, elle est de l'ordre de. Si on a des résistances fonctionnant à 40% de leur capacité maximum. La puissance globale dissipée par des résistances sera de l'ordre de 2.0 20Wx100/40=50w On choisira 5 résistances en parallèle de 10 watts chacune (puissance de 10W usuelle dans ce type de résistance). Valeur des résistances: 1/R =1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + 1/R4 + 1/R5 2, Valeurs identiques de R1, R2, R3, R4, R5 On aura donc 5 résistances en parallèle de valeur 56,2552 et de puissance de 10 W. Soit de valeur normalisée la plus proche 56û (puissance de 10W) dans la série E24 - ETUDE EN 30 VOLTS 3 Tension habituel 24V pour les camions. SCHEMA (VOIR B2 et A3) RT = 4425 + RXIa soit à déterminer RXIa V = 30 volts = (4425 + RX1 a) x 100 A RX la= 30 0,4425.= 29,55 = 295.57 K 0,0001 0,0001 1)5On aura si dans l'appareil les resistances des deux gammes de mesure sont en série:RX2= 295,57 145,57 = 150KS2 soit 100 et 51 K, 1/4W dans la serie E24 Détermination des résistances de charge. Charge 20W-U = 30V P=Ul 1= P/U = 0,666A R=U/1 = 30/0,666A= 4552, Résistance globale fonctionnant à 40% de sa puissance maximum soit 20x100 = 50Watts résistances de 10 Watts chacune. 1/R=51R2=>R2 =5R = 5X45=22552 5 résistances de 2255 dans la série E24 SCHEMA DE PRINCIPE EN 30 VOLTS = ET 15 VOLTS= Schema referencé A2 Position 1-1' Avec charge A o Position 2- 2'. Sans charge Position 3_3' Avec charge Position 4-4'. Sans charge SCHEMA DE COMMUTATIONS EN 30V=ET 15V=(A3) Galettes Fabricant: BACO V-ETUDE DU VOLTMETRE A CHARGE ADAPTEE EN- : -Observons le schema A4: la partie-est situee sur la partie B des galettes GI:galette 1G2: galette2 -G3: galette 3 Le positions1-1'-1 - Gamme25OV-avec-charge positions2-2'-2 -decharge-du-condensateurC1 positions3-3'-3-gamme-250V--sans-charge positions4-4'4-gamme-400v-aveccharge positions5-5'-5-decharge-de-C2 zr positions-6-6'-6gamme400vsanscharge Cl:condensateur-charge-e n-250V- C2:condensateur de charge en 400v- D2-D3-D4:pont de diodes Rt:resistance serie circuit galvanometre en 250V- Rx:resistance serie circuit galvanometre en 400V-CALCUL DES COMPOSANTS EN - :condensateurs constituants une charge branchés en / I avec le circuit du galvanometre (un condensateur par gamme) -voir A4 1] -Calcul des condensateurs a) en gamme 250V Charge effective demandée: 60W pour la gamme 250V Z=1/WC W =2piF=6,28X50=340 Base de calcul 60W en 250V P=UI 1=P/U = 601250=0,24A Z=U/I=250/0,24=916 ohms -Calcul du condensateur Z=1/WC-> C=1JWZ=11340X916= 3,2microfarads b) Calcul en gamme 400V Base de calcul: 60W en 380V - I=P/U=60/380=0,157A Z=U/I=2420 C= I/WZ=1 /340x2420=1 /882 800=1,2g Pour 400V valeur maximum on aurait une valeur proche. 2]calcul des resistances série dans circuit galvanomètre en 250V- sr Base de calcul: Tension apres redresseurs 250V à pleine échelle: Pour 250V: Vmax =250 x V 2 = 250 X 1,914 = 353,5V V moyenne =2Vmax/n = 707//n = 225,15V (RT + 4425)0,0000100 = 225.15 Rt=2,247 mgohms V /- CALCUL EN GAMME 400V- A a 400V à pleine échelle V max = 400V V 2 = 400 X 1,414 = 565,60V Valeur moyenne = 2 x 565,60/n = 1131,20/3,14 = 360,25V Valeur moyenne sortie des redresseurs Base de calcul 4S (Rx + 4425) x 0,0001 = 360,25 Rx x 0,0001 + 0,4425 = 360,25 Rx x 0, 0001 = 359,81 donc Rx=3,59M6û RECAPITULATIF RT = 2,247 M61-2 Soit RT = 2,2 M6n + 47KQ 2. 0 2 résistances de 1/4Watt dans la série E24 - 5% Rx = 3,59 M6n soit une résistance Rx = 3,6 M6n, 1/4 Watt de 3,6 M6û dans la série E24- 5% Résistance de décharge du condensateur sur la base d'une tension maximale de 400 V. décharge = UIR=400/100 000=à,004A 2 5 Résistance de 100Ko limitant le courant à 0,004A Et de puissance dissipée max 400 X 0,004= 1,6W R décharge = 100k P nominale=2W V/!] CONCLUSION Essayons maintenant d'effectuer un dépannage avec le voltmetre à charge 30 adaptee tel qu'en son état de fabrication final. (on emploira le terme tension verax en abreviation de tension avec charge) SCHEMA 1 ) Constat de panne:On ferme X, l'ampoule ne s'allume pas. On fait une mesure avec le voltmètre à charge adaptée 35-1 1 - - On a 12V VERAX on n'a pas 12v verax Changer l'ampoule 1] verifier la batterie Si bonne si bonne, commuter en 12v Vérifier les cosses de branchement sanscharge A] On a 12 Volts B] on n,a pas 12v:rupture sur la ligne + ou sur le- 5'm faux contact sur la ligne + ou mauvaise masse sur la ligne a priori mauvaise masse Mettre le +ztcrvoltmetre a charge Adaptee en position verax sur A Leplus de la batterie.chercher Point de rupture sur la ligne - mettre le c du voltmetre àcharge adaptée en position verax sur le moins de la batterie chercher rupture sur le plus si ligne + bonne mettre le+ vaca sur le plus de la batterie.chercher en partan t de B le point derupture sur le - SUIVRE LA LIGNE DU - DEPUIS B SI ON A 12V verax EN B CELA SIGNIFIE FAUX CONTACT SUR LA LIGNE+ Ér1 POURSUIVRE EN METTANT LE -DU VACA SUR LE MOINS DE LA BAT1'ER-N. DANS LE CAS A OU LE CAS B LA PANNE SE SITUE SUR LA LIGNE CONSIDEREE ENTRE L'ENDROIT OU LA 'PENSION VERAX DISPARAIT ET CELLE OU ELLE REAPPARAIT. Il se peut qu'il y ait plusieurs faux contacts ou mauvaises masses. On progressera de certitude en certitude avec le Vérax. Nous avons envisagé un cas simple. Il appartiendra au professionnel d'orienter ses recherches en fonction des problèmes posés et des tensions Vérax trouvées. CONCLUSION Cette démonstration était destinée à prouver l'utilité sans faille du voltmetre a charge adaptée Z5 Vérax et la rapidité des mesures Vérax dans les recherche de panne. REMARQUES ET PRECAUTIONS D'EMPLOI PROTECTION Protection des charges réactives par fusibles semi retardés 2A en 30 et 15V= Protection des circuits charges capacitives par 2 fusibles semi retardés 3 Protection du Galvanomètre à ses bornes par 2 diodes limitant la tension à ses bornes Voir schema refererence cl Commentaires schema cl - C=0,01microfarad +2 diodes au silicium 1N914 par exemple AjoutsAdjonction de lampes témoins sur les gammes en charge pour bien signaler le 1 5 fonctionnement en charge. Ajout de 2 cordons de 2mètres minimum chacun avec possibilité d'adaptation de pinces crocodiles. PRECAUTIONS D'USAGE En fonctionnement avec charge, bien nettoyer les points de contact a l'endroit ou l'on mesure REMARQUE En 220V et 380V la charge est suffisante Pour, éventuellement, faire disjoncter soit le différentiel principal soit un différentiel 30MA. Si c'était le cas, cela signifierait Que le neutre par exemple est coupé et se trouve à une masse; En 15V continus et 30 volts continus, il y a une marge suffisante. Quant aux fusibles de la voiture, pour que ceux-ci ne soient pas détruits lors d'une A 0 mesure avec charge ABREGE:VOLTMETRE A CHARGE ADAPTEE L'invention concerne un voltmètre fonctionnant avec une charge adaptée sur différentes gammes de mesures, destiné principalement à résoudre les problèmes de faux contacts ou de mauvaises masses dans l'électricité automobile et l'électricité générale. Cette invention est constituée des circuits résistifs d'un voltmètre classique A 5 fonctionnant avec une charge adaptée branchée en parallèle par commutation. Ce voltmètre, suivant l'invention, est particulièrement destiné au dépannage pour les professionnels de l'électricité. -REVENDICATIONS - Dispositif selon la revendication 1 constituant une charge résistive branchée en parallèle avec un circuit voltmètre classique 15/30V (selon la gamme de mesures) sur une source continue de tension afin que la source assure un certain débit lors de la mesure (débit se rapprochant du débit obtenu dans les conditions habituelles minimales de fonctionnement du circuit). - Dispositif selon les revendications 2 constituant une charge capacitive en courant alternatif branché en parallèle sur la source de tension alternative à mesurer afin que celleci assure un certain débit lors de la mesure (gammes 250V et 400V). - Dispositif selon la revendication 3, permettant d'alterner, sur chaque gamme de mesures de tension pour ce voltmètre 3 D la mesure en charge et sans charge . - Dispositif selon la revendication 4 destiné à décharger le condensateur consistant en une résistance entre 50 et 150 kÇ et de préférence 150 I 3 5-50 - Dispositif selon la revendication 5 2875603 REVENDICATIONS 1) voltmètre à charge adaptée,caractérisé en ce qu'il comprend une charge résistive ou capacitive branchée en parallèle avec un circuit voltmètre classique sur la source de tension continue ou alternative à mesurer, afin que la source assure un certain débit lors de la mesure. 2)voltmètre selon la revendication 1) caractérisé en ce qu'il comprend un système de commutation par jeux de galettes sur le même axe permettant d'effectuer pour une même tension deux essais comparatifs:avec ou sans charge.