SONDE  AMPÈREMÉTRIQUE pince3 50A / 5V

1 Principe
2 Quels choix retenir
2.1 Approche
2.2 Choix mécanique
2.3 Choix électrique
2.4 Le schéma

3 Protections tensions
3.1 Transformateur
3.2 Sortie ANA
3.3 Calibre 100A ou plus
4 Quelques relevés
5 Calibration
6 Conclusions

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Préambule

Je ne répèterai jamais assez que ce genre de dispositifs n'est pas pour les débutants ou les personnes qui bricolent "un peu", car le danger rôde avec des tensions élevées le plus souvent mortelles.
Cette sonde est un complément d'entrée pour le datalogger, pour une grandeur physique importante qui est le courant alternatif 50 Hz et c'est un dispositif expérimental.
La description ne concernera pas le tout petit circuit imprimé correspondant fait au vernis à ongle et logé dans une boite de pastilles...
L'utilité de l'enregistrement des consommations électriques est une lapalissade, aussi je ne doute pas de l'utilité de cette sonde. Cependant j'ai parlé de consommation à tort car il s'agit seulement de la mesure d'un courant alternatif 50Hz, ce qui n'est pas tout à fait pareil. Pour obtenir les consommations, il faudrait intégrer ces courants tout au long des enregistrements, en monophasé ou triphasé et de plus avoir connaissance du cos Phi.
Cela n'ira pas jusque là cependant ! C'est juste un outil de mesure des courants mais PAS un énergimètre.
Le coût est de quelques Euros pour les diodes et résistances. Le transfo étant récupéré et rebobiné.

1 Principe

Le principe d'une pince ampèremétrique ou d'une sonde est identique hormis la présence de poignée(s) pour la pince, ce qui ne sera que rarement le cas pour une sonde.
(photos de 3 types différents pince traditionnelle courant/pince6courant, ancienne génération, pince nouvelle génération faisant également multimètre avec affichage LCD, et enfin Sonde de courant à monter sur circuit imprimé, mais ne pouvant pas s'ouvrir, le fil dont le courant doit être mesuré doit être passé au centre)

Le coeur du sujet est un transformateur de courant avec les relations des courants N1/Sp1=N2/Sp2.
Pour la partie théorique pure je vous renvoie vers les autres sites qui traitent cet aspect théorique.

Cet appareil est utilisé pour la mesure d'un courant alternatif (50HZ ici) sans insérer d'ampèremètre dans le circuit et sans déconnecter les conducteurs pour passer le circuit magnétique.
Le noyau magnétique est un tore ou "pseudo tore" (en deux parties), qui sera traversé par LE fil duquel on veut connaître le courant qui le parcours.

Ce tore devra pouvoir s'ouvrir pour placer le conducteur sur lequel doit se réaliser la mesure, dans le passage central du tore. Ce dernier sera ensuite refermé pour que le circuit magnétique soit bouclé.

Le primaire est donc un "enroulement" d'une demi spire qui traverse le tore.

Pour ma part j'ai seulement considéré l'aspect tension induite par le primaire d'une demi spire vers le secondaire. Habituellement les pinces ampèremétriques font la conversion de courant en courant. Cela ne me convenant pas dans le cadre du datalogger, j'ai raisonné seulement en tension.

2 Quels choix retenir

2.1 Approche


Mon but initial était d'obtenir une tension continue par redressement et filtrage sans aucune électronique complémentaire.
J'ai vu dès le départ le problème de la chute de tension de la diode et j'en ai conclu qu'il fallait monter assez haut en tension pour que ces 0.7 V soient négligeables le plus possible devant la tension crête d'une alternance.
Ce problème de tension "moyennement" élevée n'est pas un véritable problème puisqu'un simple pont diviseur en viendra à bout.

J'ai d'abord commencé par bobiner rapidement 400 Spires autour du noyau et j'ai regardé les tensions obtenues pour la simple traversée d'un fil parcouru par un courant. Ce bobinage m'a donné 1.322 V~ pour un courant de 0.83 A. Les surfaces du circuit magnétique n'étaient pas assez correctes et cela variait un peu et de plus ces valeurs n'étaient qu'approximatives, car j'ai vu ultérieurement que le courant n'était pas sinusoïdal !
J'en ai déduit 400/1.322=300 Sp/V pour 0.83 A.
Ceci donne 250 Sp/V/A en supposant tout linéaire.
Pour 10A de calibre et 50 V en sortie il me faudrait  1500 Spires
C'est ainsi que j'ai donc bobiné 1500 Sp avec un calibre 100 A prévu à 150 Spires. (On verra que cela n'est pas correct et que ce calibre est inutile et dangereux)

Pourquoi cette approche ? Simplement parce qu'on est à la limite des formules classiques et que la réalité n'est plus du tout assurée. Si l'on ne veut pas passer 2 jours à résoudre des calculs (dont je ne saurais plus me sortir) pour s'apercevoir que tel paramètre ne peut plus s'appliquer dans ce cas précis, et que les lois générales ne sont plus bonnes, alors on est obligé de passer par l'expérimentation, et c'est ainsi que je j'en suis arrivé à ce stade et à l'expérience, car je savais que dans ce cas limite, les calculs ne peuvent plus s'appliquer de façon simple.

2.2 Choix mécanique

Il fallait un appareil capable de s'ouvrir pour évitpince4er de déconnecter des conducteurs, (et naturellement sans insertion dans le circuit).
J'ai donc pris un vieux transfo en double C, dont je n'ai gardé qu'un seul circuit en double C.
La surface d'un noyau est de 8x19mm. Le modèle utilisé est un modèle ancien, mais de qualité, de marque SILICORE. Les surfaces sont rectifiées et de plus marquées par un point de couleur pour apparier les surfaces des entrefers.

Ce type de transfo est tout à fait adapté au sujet et il restera assez de place pour insérer l'ensemble autour d'un conducteur 50 Hz, n'ayant pas plus de 13 mm de diamètre (isolant compris).
On veillera à ce que les surfaces des tôles en regard soient en parfait état, et bien plaquées, car l'induction en dépendra très largement.
Mécaniquement il devra donc y avoir assez de place pour le bobinage et le conducteur qui doit traverser le tore.
Il faudra créer un mandrin carton et des flasques pour éviter tout contact des fils avec les parois en tôle. (Comme pour un transfo (voir article sur les transfos))

Dans mon cas, j'aurais certainement pu faire un bobinage amovible au lieu de bobiner directement sur le noyau (sans démontage possible, mais c'est ainsi !)

Comment tenir les deux "C" pour qu'ils soient corr100_4334ectement en regard l'un l'autre ?
J'ai placé 4 petites équerres collées initialement à la colle cyanoacrylate, puis consolidé avec de l'Araldite sur les 4 côtés.
On veillera à ce que ces équerres soient en retrait des surfaces de référence du circuit pour pouvoir appliquer une réelle force de serrage.
La force de serrage sera appliquées par 2 petites pinces isolantes de préférence (à dessin, à linge  ou autres voir photo. Le conducteur est symbolisé par le stylo !).

Une petite lamelle de référence en époxy permettra de bien positionner les deux surfaces entre elles. (Le réglage latéral sera "fignolé" manuellement par glissement.
(Je n'ai pas utilisé de charnière car trop délicat d'assurer un positionnement parfait).

Pour ceux qui veulent aller plus loin, dans les pinces professionnelles, le circuit est un C et I, et le I est monté sur un ressort qui vient le mettre en pression sur le C

2.3 Choix électrique

Comme je rechigne toujours de réaliser des circuits électroniques si on peut faire plus simple, je souhaite seulement avoir une sortie analogique 0 à 5V continu pour une mesure domestique de 50 Ampères maxi.
Pour obtenir cela, quoi de plus simple que de redresser une tension ?
Mais il y aura au moins une diode (ou un pont ?)…En réalité, avec un pont pour améliorer l'ondulation, si on creuse un peu le sujet, on voit que pour les faibles valeurs on ajouterait 2 diodes, soit 2 x 0.7 V de chute de tension, donc ce serait une erreur, et le redressement sera donc nécessairement mono alternance avec un condensateur de redressement plus important à cause de l'ondulation. (Temps de charge et décharge vont donc en pâtir un peu).

Il faudra aussi redresser assez haut en tension pour que 0.7V restent faibles devant la tension totale. On acceptera d'aller jusqu'à une centaine de volts. (Ceci simplement pour des questions d'isolation du bobinage, mais aussi de sécurité)
On remarquera que la précision dépendra du niveau de tension, et que celle-ci sera la meilleure pour les hautes valeurs.

Suite à l'aléa de forme d'onde, les extrapolations initiales étaient "un peu" et même largement fausses, aussi 1500 Spires donnent, des tensions trop élevées. J'ai donc été obligé de débobiner 500 spires pour me  trouver juste à 1000 spires (comme beaucoup de pinces du commerce d'ailleurs).

Il faut également mentionner que je n'ai pas de charges électriques purement résistives capables de consommer plusieurs dizaines d'Ampères (je n'ai pas plus d'abonnement EDF capable d'y arriver !). Alors il faudra interpoler et vérifier pour des plus faibles charges que la variation est bien linéaire. (Je rapelle que les valeurs de mesures n'ont de sens qu'en régime sinusoïdal).
Une petite bêtise qui n'en est pas réellement une, a fait que j'utilisais initialement comme charge un gros transfo et quelques appareils, ce qui fait que la sinusoïde était très déformée, et que le courant ne voulait plus rien dire de sérieux (cela n'aurait pas dû être le cas en principe ! )

Cet incident a participé à mettre un peu trop de spires…
Alors fort de ces déboires, j'ai utilisé comme charges de mesures un fer à repasser de 2200 W, un grille-pain de 1000 W et des ampoules à incandescence de 100 et 2x100W.

La sonde est donc constituée maintenant de 1000 Spires de 16/100 cuivre bobinées en vrac (désolé de me contredire par rapport à l'article sur les transfos…mais c'est si étroit, que je ne peux même pas passer le petit  doigt) Alors mea culpa ! Il y aura toujours les exceptions...!

2.4 Le schéma

Il reste très simple et est représenté ppince1ar un redressement presque traditionnel, avec quelques petits éléments pour éviter de griller la sonde et l'électronique qui sera connectée sur une entrée ANA.

On remarquera le condensateur de 4.7µF de redressement (Tension de 350 V). Il sera récupéré dans une lampe LBC.
Ne pas choisir une valeur trop élevée car cela augmente le temps de montée et de descente inutilement. Les valeurs indiquées donnent une légère ondulation.

On remarquera les 3 Zeners (qui ne sont pas montées faute de composants !), mais qu'il serait bon d'installer pour ne pas griller le transfo. Le courant Zener a été calculé pour 100V et 20 mA.

3 Protections tensions

Cet ensemble peut amener des hautes tensions si des courants plus importants que prévus circulent et il y a lieu d'être particulièrement prudent.
Dans l'environnement immédiat d'installation, il y a toujours du 220 V voire du 400 V et peut-être des courants élevés à mesurer qui peuvent induire de fortes tensions sur le bobinage de la sonde.
Il faut être très prudent

3.1 Transformateur

Ce transformateur pourra, suivant les courants mesurés donner des tensions relativement élevées qui pourraient détruire les isolants et le transformateur lui-même en cas de dépassement.

Il est utile que le transformateur soit chargé un minimum, même si le principe est de mesurer une tension. Aussi, comme une seule alternance est utilisée, j'ai mis en série avec la diode inverse, une résistance de 4.7 K pour bien réduire l'alternance non utilisée.
Le transformateur risque tout de même pour l'alternance utile, puisque j'ai placé la zener de protection après la 47K, c'est un choix, et voici pourquoi :
Initialement j'avais mis plusieurs Zeners en série aux bornes du chimique de redressement pour la surtension éventuelle due à un courant trop élevé, mais comme je n'ai pas de Zener 48V, j'ai abandonné cette solution par manque de composants mais si vous voulez être au "Top", il est possible de mettre deux Zeners de 48V et une de 12V, ça fera "à peu près le compte".
Une très faible résistance en série pourra limiter éventuellement le courant si les puissances de Zener ne sont pas "au rendez-vous".

J'ai donc préféré protéger en premier lieu la sortie 5V des mesures que la sonde elle-même qui nécessite plus de "puissance Zener". Je préparerai l'emplacement des diodes zener lors de la réalisation du petit circuit imprimé.

3.2 Sortie ANApince2

La sortie ANA devra délivrer de 0 à 5V maxi.
Un potentiomètre permettra de calibrer l'appareil.
Une Zener de 5.1 V est en // sur le potentiomètre et la tension réelle sera certainement toujours inférieure. Un condensateur de 2.2 µF protége des parasites la sortie et assure un filtrage complémentaire. Ces parasites sont en fait l'ondulation résiduelle qui est juste traitée pour des questions de temps.

On remarquera qu'à cause de l'ondulation résiduelle, il a fallu mettre cet assez gros condensateur de 2.2µ en sortie. Ceci induira des temps de charge/décharge assez longs (de l'ordre de la seconde pour la décharge).

Certes les éléments sont tous délicats de choix si on veut rester simple. Il sera difficile d'être parfaitement calé à 50 A et que la Zener de 5.1V ne conduise pas un peu avant. Cela fausserait certainement un peu les valeurs supérieures de courant. (On peut toujours remplacer la 5.1V  par 5.6V mais la protection sera moins bonne pour le circuit d'entrée)

De même les faibles intensités vont générer des tensions faibles et l'on retrouvera l'incidence de la diode de redressement. Ainsi les mesures n'auront réellement de sens qu'à partir de 1 ou 2 Ampères.
(Jusqu'à 10A en général, tout multimètre peut en général mesurer facilement (pour un temps limité)).

Je crois qu'il ne faut pas non plus rêver, car on est en électrotechnique et quand on voit simplement la variation des courants due à l'échauffement d'une résistance, je reste "très Zen" sur la précision….
De toutes façons une étendue de mesure de 1 à 50 est déjà tout à fait "acceptable" au titre de l'amateurisme.

3.3 Calibre 100A ou plus

J'avais prévu un calibre plus grand que 50A (prise à 150 Sp) mais c'était finalement une très mauvaise idée, car pour une sortie en tension identique, la tension dans l'enroulement existant (de 1000 Sp) serait de 1000/150=6.6 fois plus élevée soit plus de 400 V suivant les valeurs…
(Il faut voir cet enroulement de 1000 Sp en l'air comme un auto transfo élévateur).

Des calibres physiques sur la base d'enroulements différents restent délicats à mettre en œuvre, surtout pour des problèmes de tensions élevées et sont à déconseiller.

4 Quelques relepince0vés

Les valeurs significatives sont la tension alternative aux bornes du condensateur, la tension continue après redressement, qui n'est pas scrupuleusement 1.414 fois, car des petites déviations peuvent exister…et enfin la tension effective de sortie 5V.
Toutes ces mesures ont pour référence LE COURANT dans le fil qui traverse le circuit magnétique !
(Détails dans le fichiers XLS PINCE)

On notera que la partie rouge de la courbe n'est qu'une interpolation et non une mesure réelle.

5 Calibration

La calibration de la sonde sera réalisée pour la plage de valeurs que vous utilisez le plus fréquemment. En effet en partie basse, la diode intervient par une courbe qui monte progressivement, et en fin de calibre, ici 50 A, l'action de la Zener de protection de la sortie 5 V devrait se faire sentir.

Il s'agit là d'un compromis entre la protection et la véracité des valeurs. Plus la Zener sera proche de la tension maxi, meilleure sera la protection, mais moins bonne sera la précision de mesure…

Un potentiomètre 10 tours sera utilisé pour aligner 0.1V avec 1A en choisissant de préférence des intensités "moyennes".

6 Conclusions

Il est pratiquement possible de faire les interpolations des valeurs manquantes, car les relevés indiquent une bonne linéarité en dehors des faibles valeurs (et probablement des fortes valeurs).

Cet article ne concerne que les sondes de mesures de courant par conversion courant/ tension. Je ne pense pas que cette sonde soit un modèle de précision, mais c'est un modèle de simplicité et de facilité de réalisation.

Cette sonde pourra aussi être transformée très facilement en détecteur de courant TOR (tout ou rien) en modifiant le pont diviseur de sortie et en calant l'ensemble sur la valeur de courant à détecter en TOR.

Le calibre 50A peut facilement être modifié à la fois par le pont diviseur (sous réserve de la précision), mais aussi par le nombre de spires.

Naturellement on touche aux problèmes liés au 220 V ou plus et je rappelle que ces tensions sont dangereuses et le plus souvent mortelles.
Il y a donc lieu de prendre beaucoup de précautions, car ce dispositif est expérimental et ne saurait faire l'objet d'une utilisation par des personnes non formées aux risques électriques.

Les précautions sont à prendre sur la sonde elle-même, mais PRINCIPALEMENT dans l'ENVIRONNEMENT d'INSTALLATION de la sonde (TGBT ou autre tableau BT).

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