Microampère Heure mètre ou Intégrateur de consommation

20 mai 2014

Microampère Heure mètre ou Intégrateur de consommation

Microampère Heure mètre ou Intégrateur de consommation

1   Quelques considérations de base
1.1    Capacité en Ampères heures
1.2    Principe de mesure de la capacité en Ampères heures
1.3    Courant et isolation
1.4   Quels courants
1.5    Règles de branchements
1.6    Temps de référence
1.7    Puissances de 10 (maths)
1.8    Unités et calculs
2   Définitions de cet appareil µAH mètre
3    Principales caractéristiques
4    Schéma
5    Réalisation
6    Mesures
6.1    Mesure du courant
6.2    Mesure de capacité
6.3    Mesure de tension
6.4    Mesure de puissance
7   Le display
7.1   Divers problèmes
7.2   Les affichages
8    RS232
8.1   Au niveau logiciel
8.2   Au niveau Hardware
9   Paramétrage et Status
9.1   Quelques commandes
9.2   La résolution
9.3   Conditions d'arrêts
9.3.1    Arrêt sur capacité (C)
9.3.2   Arrêt sur Tension (U)
9.3.3   Arrêt sur le temps (T)
9.4    Status
10   Décharge à courant constant
10.1    Principe et schéma
10.2   Essais et problèmes
10.3   Fluctuations du courant
10.4    Conclusions sur la décharge
11   Conclusions

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Avant propos

Mesurer les courants continus d'alimentation des montages sur piles ou accus, pour évaluer au réel la consommation en µAH, (ou autres sous multiples) des montages durant un temps donné, et en déduire par extrapolation la durée probable de fonctionnement des accus ou des piles (l'Autonomie !)… C'est le but premier de cet appareil.

Ces types d'appareils devraient être peu répandus sur le marché. Ce sont souvent des outillages d'usines ou des appareils assez chers et spécialisés. Ces appareils sont pourtant devenus presque indispensables avec l'évolution de l'électronique faible consommation, où les piles et les accus sont souvent le maillon faible, et la question permanente pour les concepteurs de savoir quelle sera l'autonomie d'un montage à micro contrôleur par exemple, lors que les périodes de sommeil (Sleep) alternent à fréquence plus ou moins rapprochée.

(Je pense aux téléphones portables et autres smart phones pour la partie industrielle).
Je pense surtout aux passionnés d'électronique pour qu'ils puissent évaluer l'autonomie de leurs appareils.
Aussi mesurer la consommation réelle sur un temps représentatif est important et permet une projection à peu près réaliste dans le temps, et ainsi une détermination de la durée de fonctionnement avec une faible marge d'erreur.
Je préfère parler d'argument technique d'autonomie et d'évaluation énergétique au lieu d'argument commercial !!!.

Mais cet appareil est aussi un outil de vérification de la capacité des accus avec arrêt sur tension mini sur une charge résistive, mais aussi avec une adjonction (de dernière minute) de décharge à courant constant pour compléter cette partie de test des accus.

NOTA 1 : Il sera fait référence au niveau programme des puissances (de 10) au sens mathématique du terme, ne pas confondre avec les puissances électriques qui seront également données par l'appareil.

NOTA 2 : On ne parlera ici que de courant continu (Bien que l'on puisse parler d'énergie ou consommation (en KWH) en alternatif, mais c'est moins habituel, du fait que l'énergie du réseau est moins limitée que celle d'un accu).

NOTA 3 : Le nom précis de cet appareil n'existe peut-être pas ? Je n'en sais rien ! On peut trouver un nom déjà utilisé comme mesureur d'énergie, énergimètre, aussi pour être plus précis et plus concis je parlerai le plus souvent de µAH mètre (en abrégé) ou de microampère heure mètre ou intégrateur de consommation qui représente bien la fonction réalisée.

1 Quelques considérations de base

1.1 Capacité en Ampères heures

En électronique faible puissance, on parlera surtout des sous-multiples de l'Ampère heure (Ah), mAh, µAh nAh.
Ceci représente la capacité consommée ou fournie durant un temps donné. Ce n'est PAS une puissance mais seulement une QUANTITÉ d'électricité.
L'Ampère, (le COURANT), représente une quantité d'électricité fournie durant UNE seconde. Ainsi un tel courant fourni ou reçu durant 1 heure donne directement des Ampères-heures qui représentent bien une quantité d'électricité (associée au temps).
Plus le temps durant lequel un courant donné circule, plus la capacité croît.
Mais alors une simple multiplication ramenée à une heure n'est elle pas correcte ? Si dans la mesure où le courant est constant, et c'est rarement le cas, et jamais le cas avec piles ou accus et électroniques diverses, c'est pourquoi il faut un appareil qui se chargera de cette opération fastidieuse à répéter à intervalles réguliers.

C'est ainsi que la capacité d'une batterie est évaluée.
Cette capacité représentant une quantité d'électricité, n'est pas attachée à un procédé spécifique émetteur ou récepteur. (Récepteur ou Générateur).
Les sous multiples sont le Nano ampère-Heure (10-9), le Micro ampère-heure (10-6), le Milli ampère-heure (10-3) et enfin l'Ampère-heure (10 0)

Attention, une quantité d'électricité n'est pas une puissance électrique. La puissance est l'énergie consommée ou fournie durant un temps de UNE seconde (L'Ampère est la quantité d'électricité passée durant une seconde et comme P=UI, alors… cqfd)

L'heure semble l'unité de temps de référence la plus utilisée en ce domaine des capacités, car autrement si on parle de temps de référence à la seconde, il existe déjà une unité de capacité qui n'est autre que le COULOMB (C) qui représente la quantité d'électricité correspondant à la circulation d'un courant de 1A durant 1 seconde.
(Cette unité de capacité à la seconde est peu utilisée)

Équivalence Ah et Coulomb ? ---> 1Ah=3600 C

Le Coulomb est une unité trop petite qui conduit a des nombres de grande taille pour des capacités courantes, aussi c'est l'Ampère heure qui est plus adapté.

NOTA Très Important : La capacité d'un accu varie suivant le temps (et le mode) de décharge (pour un même niveau de tension finale).

Aussi le produit du courant par le temps (Capacité) varie dans de fortes proportions, suivant le TEMPS DE DÉCHARGE. C'est pourquoi l'appareil décrit ici a toute son utilité.

Pour l'exemple un accu de 6 AH ne pourra pas fournir un courant de 6A durant une heure mais très certainement beaucoup moins (Variable suivant les fabricants d'accus).
Par opposition ce même accu pourra fournir un courant de 0.6 A durant 10 heures (L'un comme l'autre pour une tension d'arrêt donnée))
(10 heures représentent souvent le temps de référence de décharge pris par les constructeurs)

D'autres cas se présentent fréquemment, ainsi en éclairage de secours des ERP, celui-ci doit pouvoir fonctionner durant au moins une heure.
Dans le cas des scialytiques (Éclairage des Tables d'opérations) je crois me souvenir que c'est aussi une heure.
Dans le cas du tunnel sous la Manche, c'est 30 minutes pour qu'une rame puisse déboucher etc…
Le refroidissement des grandes turbines à gaz demandent des cycles de rotation lente pour éviter la déformation permanente de l'arbre durant 24 heures.
Il y a donc toute une panoplie de durées et donc de capacités suivant les utilisations.

1.2 Principe de mesure de la capacité en Ampères heures

Le principe est de mesurer le courant à intervalles réguliers, de le cumuler, puis de diviser par le nombre de mesures pour obtenir ainsi un courant moyen durant un temps donné. On multiplie ensuite par le temps pour avoir des heures. On peut calculer le produit du courant par le temps à chaque mesure, ou au contraire le faire uniquement au final.
C'est cette première méthode propre à un appareil de mesures, qui sera utilisée. C'est nécessaire pour pouvoir (Si on le souhaite) suivre une capacité ou comparer à une valeur prédéfinie ou qu'un évènement imprévu se produise.
On fera donc ce calcul à chaque intervalle de temps (Résolution)
Cela oblige cependant à manipuler de grands nombres. (On se limitera à 32 bits en calculs pour des résultats en 16 à 24 bits suivant les cas).

1.3 Courant et isolation

L'isolation est un point important, car pour mesurer le courant, on se trouvera en insertion par une faible résistance sur l'alimentation d'un montage en tests (Résistance de faible valeur comme celle d'un Ampèremètre) et on ne devra pas perturber l'appareil en essais.
Aussi pour éviter tout retour de masse et les problèmes associés, c'est le montage en essai qui imposera son potentiel au µAH mètre, et non l'inverse, car l'appareil en essais est peut-être raccordé à un potentiel que l'on ne connaît pas ?
Cela nécessite un appareil isolé et parfaitement autonome en énergie
La mesure du courant se fera par la tension développée aux bornes de cette faible résistance insérée du côté négatif du montage. (On prend pour assertion que la grande majorité des montages ont le négatif à la masse).
Dans le cas d'une mesure sur une tension négative, référencée à une masse, les bornes de mesures seront simplement inversées avec le + à la masse du montage d'essai.
La seule obligation est d'avoir un branchement qui développe une tension positive sur l'entrée du courant.

La résistance de mesure étant très faible, on pourra considérer le potentiel comme proche du 0v et de la masse du µAH mètre.
On admettra que cette résistance de mesure ne développera que 0.1 V maximum à ses bornes, pour ne pas perturber le montage en essais.
On peut assimiler ce µAH mètre comme un simple ampèremètre inséré dans le circuit d'alimentation, mais qui prend en compte le temps pour chaque courant élémentaire mesuré, puis qui en fait la somme pour en déduire un courant moyen, qui multiplié par le temps donnera la capacité réelle consommée ou fournie.

NOTA :
Il ne sera pas du tout recommandé d'assurer la charge des accus lors des mesures à cause de cette résistance de mesure, car cela pourrait perturber le fonctionnement avec des masses qui peuvent être différentes.

1.4 Quels courants

La mesure d'un courant est à la base de la capacité consommée ou fournie (Sous entendu d'un courant qui varie au fil du temps, car autrement un simple calcul par règle de 3 suffirait).
Il faut donc INTÉGRER le courant tout au long de la période de mesures suivant un intervalle de temps défini et le plus fin possible.
Il a été décidé d'utiliser l'alimentation totale de l'appareil en tests et non de prendre chacun des courants élémentaires, car pour mesurer l'énergie développée par un courant de 1mA durant 1 µs, il faudrait un appareil qui soit capable de fonctionner au moins 10 fois plus vite, et on se heurterait très rapidement à des problèmes de rapidité si on ne veut pas INTÉGRER cette consommation et faire la somme des "surfaces consommées".

Alors pourquoi essayer d'intégrer à quelques µs ou ms alors que l'alimentation fournit TOUT le courant et que les condensateurs avant et après régulation transmettent de toutes façons ces pics de consommations exceptionnelles ou récurrentes.
On intégrera par sécurité avec une constante de temps de 2.5s tout de même ce qui rendra plus indépendant des appareils en tests et de l'intégration de leurs alimentations.

C'est bien la consommation globale qui est importante, les consommations individuelles ou élémentaires, sont en général données par les constructeurs. Certes, elles sont utiles aussi en électronique de base au niveau ponctuel ou crête (circuits intégrés par ex), mais ont une autre utilité que la consommation totale (Conception de circuits par ex).
C'est bien cette consommation totale qui est intéressante à notre niveau, car elle va déterminer l'AUTONOMIE des petits appareils développés.

Le courant mesuré est donc prévu pour la totalité d'un montage, car ce sont les caractéristiques de l'alimentation du montage en tests qui assureront la majorité de l'intégration du courant. De plus le µAh mètre assurera lui-même une intégration de sécurité de l2.5 secondes lui permettant de certifier sa mesure.

1.5 Règles de branchements

L'insertion du µAh mètre n'est pas difficile, et il suffit seulement d'insérer cet appareil au niveau du MOINS de l'alimentation de l'appareil dont on veut connaître la consommation.
Cette insertion doit développer une tension positive aux bornes de la résistance de mesure du courant, (Entrée I) aussi le branchement de l'entrée courant est à respecter.
La règle d'insertion est de brancher le moins de l'accu, pile ou d'alimentation de l'appareil à tester au moins du µAH mètre. Il faut ensuite brancher l'entrée I (ou 2A) du courant sur le µAH mètre, sur l'entrée négative de l'appareil à tester.
(Voir le petit schéma ci contre)

(Pour être plus simple encore, c'est comme le branchement des anciens Ampèremètres pour que l'aiguille aille du bon côté)

En ce qui concerne la mesure de la tension aux bornes de l'appareil en tests, celle-ci se fera théoriquement suivant la méthode amont incluant donc la perte de tension dans la résistance de mesure. On peut donc dire que cette mesure pourra avoir une différence de la valeur de cette tension de l'ordre de 2% (comparé à 5V), puisqu'elle pourra atteindre 0.1024V au maximum.
J'ai cependant un doute sur le nom réel de la méthode de mesure, car tout dépend de quel côté on se place... En effet est-ce relativement à l'appareil en tests ou le µAh mètre ? Quand on teste un accu, ou que l'on mesure un courant ?
Je laisse les théoriciens phosphorer sur le sujet…Pour moi c'est clair la tension mesurée, pour l'appareil en tests, est entachée d'une petite erreur de mesure (Comme dans toutes les mesures !)
La seule certitude est de dire que l'on ne peut mesurer, pour une question de référence commune, que la tension totale des accus de l'appareil en tests. La tension exacte de l'appareil en tests n'étant pas directement accessible.

1.6 Temps de référence

La capacité consommée est donc le produit du courant moyen intégré, par le temps total généralement exprimé en heures, mais rien n'empêche de traiter d'autres unités si nécessaire, puis de ramener à cette unité de temps "habituelle" (L'Heure par exemple).

Les courants mesurés à chaque période de mesure (Intervalle de temps de scan) seront donc additionnés en premier lieu, puis divisés par le nombre de mesures, et multipliés enfin par le temps total des mesures correspondantes.

Il y a donc deux temps distincts : la périodicité du scan de mesure de courant, et le temps total correspondant au nombre de mesures effectuées.

Évaluer la capacité dans d'autres unités de temps est tout à fait possible, mais cela perd une grande partie de la signification d'une unité déjà assez peu explicite pour le profane. Je bannirais la référence de temps à la minute car jamais utilisée à ma connaissance.

1.7 Puissances de 10 (maths)

Attention ! Puissances en mathématiques cette fois !
Juste un petit exemple pour voir combien les changements d'unités de capacité (ou de puissance (électrique)) sont délicats.
La problématique vient des sous multiples de l'Ampère :
Les sous-multiples officiels de l'A sont le déciAmpère, centiampère, milliampère pour les premiers en liste, dont les deux premiers "déci" et "centi" ne sont jamais utilisés !
Alors que faire ?
Ce que je dis concernant les unités de courant est exact (bien que jamais utilisés), mais sont ils conformes pour les capacités ??? Je n'en sais rien et je n'oserais l'affirmer !
Si ce n'est jamais utilisé pour les courants, alors ce sera vraisemblablement la même chose pour les capacités, c'est une évidence ! Aussi j'abandonne volontairement les sous-multiples déci et centi qui ne sont jamais utilisés.

Il faut donc travailler par "bonds" de 1000 etc…ou 10-3 , 10-6 ou 10-9 avec pour valeur de départ, milli, micro, et nano respectivement.
10-1 et 10-2 ne seront donc jamais utilisés

Au niveau des temps on gardera l'heure sans toucher à cette référence de fait.

1.8 Unités et calculs

Principalement pour la capacité, cette grandeur peut augmenter de façon considérable sur des essais de longue durée (C'est le produit de 2 valeurs dont le temps !). Aussi la définition des unités de capacité se réalise sur la base de l'unité de départ du courant (qui dépend du calibre).
Cependant sur de très courtes durées, j'ai préféré par simplification afficher zéro en capacité au lieu de diminuer en unité et de repasser en dessous de l'unité de départ du courant. (Ce cas ne correspond pas du tout à l'utilisation de cet appareil et compliquerait sérieusement un système d'unités déjà assez lourd)

Cette très grande dynamique des valeurs m'a pratiquement obligé à travailler sur des nombres quasi réels… Pourquoi quasi ? Simplement parce que j'ai été obligé de traiter séparément les chiffres significatifs et la puissance de 10 qui les accompagne. Pratiquement comme les nombres réels avec caractéristique et mantisse.
Je me suis rendu compte de cette réelle difficulté en cours de réalisation et devant les cas de plus en plus "tordus", il a fallu se rendre à l'évidence pour garder suffisamment de chiffres significatifs et permettre de changer par bonds de 103 au fil de l'augmentation du temps et des valeurs de capacité.

Ce raisonnement s'applique aussi à la puissance, car c'est P=U*I, avec une autre difficulté, puisque cette fois il y a le paramètre tension qui peut changer aussi de CALIBRE mais seulement par bond de 10. Le problème de l'unité sera résolu par le paramétrage de la tension d'arrêt en une unique unité du milli Volt (10-3 Volts, avec décivolt et centivolt toujours officiellement existants et royalement ignorés !)

Bref on calcule donc la mantisse avec un maximum de chiffres significatifs, quitte à en supprimer si cela conduit à des nombres trop grands dépassant 32 bits (4 294 967 295). On calcule ensuite l'exposant suivant les règles habituelles des puissances de 10.
On réduit aussi par troncature les nombres affichés pour limiter la place sur l'afficheur ainsi que lorsque la précision est parfaitement subjective relativement aux calculs.

Cette façon de calculer est la seule possibilité un peu sérieuse pour arriver à jongler avec les unités dont les écarts sont de 1000 ou 1/1000.

J'envisage d'ailleurs d'adopter une structure interne mémoire type pour les nombres réels en notation pseudo scientifique.

2 Définitions de cet appareil µAH mètre

Je ne sais pas si le nom complet existe déjà, mais le plus souvent cet appareil est plus utilisé dans sa version en courant alternatif et prend le plus souvent le nom d'énergimètre ou mesureur d'énergie.

En courant continu, c'est plus simple car il n'y a pas de cosinus phi et tout ce qui est de l'énergie réactive n'existe pas. Par analogie avec les accumulateurs au plomb, (Accus) on utilise plus volontiers les Ampères-heures en lieu et place des wattheures ou kilowatts-heures.
(A noter la petite différence entre énergie W=UIt ou W=Pt et capacité puisque la tension intervient en plus)

Cet appareil sera autonome sur 6 petits accus R6 et affichera le courant instantané suivant 6 calibres manuels (ou gammes) du courant à mesurer.
Ces calibres manuels seront communiqués automatiquement au PIC pour qu'il puisse afficher les unités correctes. Ces calibres agissent directement sur la résistance série insérée qui assure la mesure du courant par la tension développée à ses bornes. Une tension maximum de 0.1V indiquera le courant traversé qui après amplification par 48.8281 avec intégration de 2.5 secondes, sera transformé en valeur numérique par le convertisseur A/D du PIC.

Considérant que l'intégration est déjà effectuée, aucune particularité ne sera traitée à ce niveau, car on admettra qu'à la vitesse du scan, l'intégration est bien traitée. En effet, l'étage amplificateur de mesure de la tension développée aux bornes de la résistance de mesure est un intégrateur de constante de temps fixe de 2.5 secondes environ, ce qui évite de suivre à la micro seconde près, les variations d'un courant.

La vitesse de scan est fixée par défaut à la seconde, mais j'ai préféré pouvoir accéder à 100 ms pour plus de finesse. Cette résolution est donc paramétrable de 100 ms à 7 secondes par pas de 1/10 de seconde. A noter que des mesures à 100ms n'apportent rien de plus dans le cadre d'une intégration à 2.5 secondes.
Il faut pour cela modifier la valeur du condensateur C10 d'intégration au niveau de l'AOP amplificateur d'entrée du courant.
En général, on a toujours au moins un cycle de mesure par jour, et l'extrapolation est normalement suffisante, surtout si l'on introduit une semaine complète (vacances, semaines de fêtes ou de ponts...)

Le but est de ne pas dépasser 24 ou 32 bits maxi en calculs, et de préférence, de choisir les unités pour éviter de lourds calculs dans lesquels on perd toujours en précision.

Dans cette éventualité, le choix de la tension de fonctionnement de l'ensemble ne pourra pas être inférieur à 4.5V à cause du display. Faut-il alimenter spécialement celui-ci ?

C'est à voir, mais un petit convertisseur boost ferait encore perdre un peu d'énergie (même avec un excellent rendement) et surtout compliquerait les adaptations de niveau entre circuits. Plusieurs accus avec des points intermédiaires sont trop délicats car ils entraînent des décharges inégales.
Enfin la coupure d'alimentation du display entraînerait la nécessaire régénération de l'affichage avec une lenteur déjà importante.

Alors je pense que l'unicité d'alimentation devrait être acquise et avec 5 éléments de 1.25V on arriverait juste à l'épuisement des accus à 1V. C'est tout de même un peu juste si on considère une tension mini régulée de 5V, aussi un 6 ème élément permettra une meilleure autonomie et une meilleure optimisation de la capacité de décharge des accus à une tension limite de l'ordre de 0.86 V/élément.
Cet appareil fonctionnera sous 5V obligé à cause de l'afficheur qui demande cette tension. Faire une alim spécifique pour l'afficheur compliquerait un peu trop l'appareil. Alors un LP2950 avec drop_out de 40 à 380 mV permettra d'utiliser au mieux toute l'énergie disponible des accus.

A remarquer que 6 accus de 1.25 V font 7.5V, de même et parallèlement 5 PILES de 1.5V font 7.5 V !

3 Principales caractéristiques

-Appareil alimenté par 6 accus (ou piles) type R6 (5 accus ou 5 piles sont aussi possibles avec une autonomie moindre)
-Chargeur rudimentaire incorporé avec affichage tension en mesures (et à la MST et hors campagne de mesure)
-Accus externes au boîtier

-Convertisseur A/D 10 bits
-Gammes de mesure du courant et valeur du pas
       -gamme               valeur du pas (valeur mini)            valeur maxi
           0                                   2 mA                                                    2 A
           1                               200 µA                                               200 mA
           2                            20 µA                                               20 mA
           3                                   2 µA                                                  2 mA
           4                               200 nA                                              200 µA
           5                               20   nA                                                 20 µA
           6                                   2 nA                                                   2 µA
           7       étalonnage zéro AOP d'entrée.

-Gammes de mesure de la tension
-Gamme                   valeur du pas (ou mini)                   valeur maxi
- 0                           4.8 mV                                                  5 V
- 1                           48.82 mV                                               50 V
- 2                           0.4882 V                                               500 V

-Deux entrées de courant dont l'une directe pour 2 A
-Affichage 4 lignes avec :
           valeur instantanée du courant
           valeur instantanée de la tension (Montage Amont)
           capacité cumulée
           puissance instantanée (si tension connectée)
           Status appareil
           Valeur de la tension totale des accus (du µAh mètre)
           Indication des conditions d'arrêt (CUT voir ci après)
           Heures minutes et secondes jusqu'à 999 heures soit environ 40 jours
               (La date précise ne figure pas car ce sont des essais de durée).
           Toutes les unités sont automatiques en fonction des calibres (Avec précision maxi)
           Indication de dépassement sur le courant

-Arrêt des mesures sur capacité atteinte (C de "CUT")
-Arrêt des mesures sur Tension mini atteinte (U de "CUT")
-Arrêt des mesures sur un temps prédéterminé (T de "CUT")

-Résolution paramétrable de 1/10 de seconde à 7 secondes
-Intégration du courant sur 2.5 secondes
-Sortie RS232 prévue avec envoi d'une trame toutes les X mesures (1 à 255)
-Vitesse RS232 à 115200 bps uniquement

-Encodeur en quadrature permettant le choix des menus, les réponses Y/N, et l'entrée des valeurs de paramètres (Seul bouton avec son switch associé et sa LED) Opérabilité très pratique et rapide.

-Coffret forme pupitre galvaniquement isolé mais pouvant être à potentiel fixé (Maxi 25 V environ par rapport à la GND du µAH mètre)

-Adjonction d'un asservissement du courant permettant la décharge des accus à courant constant.

4 Schéma

(Circuit imprimé donné pour information au paragraphe réalisation, Attention celui-ci n'est pas à jour !)

AOP d'entrées et calibres :

Une petite particularité n'apparaît pas sur le schéma général, car une petite partie des composants est directement fixée sur un petit CI annexe situé sur le commutateur des résistances de courant.(Schéma ci-contre)

Sur celui-ci sont implantées les résistances de mesure du courant correspondant aux différents calibres et qui sont validées par le commutateur.

Il est nécessaire d'utiliser la borne externe 2A dans le cas des courants importants en calibre 0, car le commutateur ne pourrait pas supporter ce courant sans dommages et en plus avec des erreurs de mesures dues aux résistances de contacts.
Dans ce cas le commutateur devra cependant être positionné sur le calibre 0 pour pouvoir transmettre l'information de tension/courant pour l'AOP (Le courant de puissance passant de J4 à J8)
La tension de mesure reste prélevée sur le commun (J7) puis J16 et l'AOP.

Sur ce petit CI se trouve également le multiplexeur 4051 qui va donner l'information de gamme au PIC, ce qui déterminera les unités. (Ce multiplexeur est situé sur ce petit CI pour limiter le nombre de fils nécessaires à faire transiter tant au niveau courant que tension.)
4 lignes I/O sont utilisées à cette fin, et partagées aussi bien pour les calibres de tension, tout autant que pour la commande de l'afficheur. (SELA0 à SEL2 et ENB*)
Une seule résistance pull-up est nécessaire pour le courant car le calibre reconnu est vrai à zéro. Toutes autres combinaisons donnent du 1 logique par l'unique résistance R14.
Au niveau commutateur de tension le principe est un peu plus simple puisque l'on va simplement rechercher le SELx qui apparaîtra en RC6.

Vous aurez compris que cet ensemble fonctionne en pooling sur la totalité des combinaisons pour en déduire les calibres tant en courant qu'en tension.

Au niveau AOP de mesure du courant, celui-ci est compensé en offset par le potentiomètre P1 et R5. Suivant le déséquilibre d'entrée, on choisira avec le strap J15, l'entrée qui permet d'atteindre le zéro en sortie pour une entrée Zéro (Calibre 7).
(Un côté augmente le déséquilibre et l'autre le réduit, sans que l'on puisse prévoir !)

L'amplification a été calculée pour obtenir 0.1mV par Pas du convertisseur du PIC, mais cela conduit au double au niveau courant puisque les résistances de mesure sont à "5 puissance -x. Ainsi pour R8 de 5 ohms, pour une tension maxi de 0.1V on mesurera un courant de 20.00mA
L'amplification par 48.8281 donne donc 1024 pas pour cette tension de 0.1V et donc un courant mesuré de 20.48 mA.
Pour garantir le temps d'acquisition du convertisseur A/D, la liaison est directe entre l'AOP et le PIC.
Une sortie de l'AOP (par R3) a été prévue pour assurer un asservissement de décharge à courant constant. (Voir paragraphe consacré à ce sujet en fin d'article)

Au niveau tension, la sélection du calibre et son transfert vers le PIC a été vue plus avant avec les SELx et on constate la liaison "presque" directe de l'entrée tension avec la patte + de l'AOP. Cette mesure est en très haute impédance puisque l'AOP est monté en gain unité. (Une petite modification a été nécessaire pour ajouter la décharge à courant constant, voir paragraphe correspondant)
Les autres calibres présentent une impédance de 111 Mégohms, ce qui n'est pas mal tout de même !
Une diode peut être montée sur la position 1 du diviseur de tension pour éviter les éventuelles erreurs qui pourraient détruire l'AOP.
Suite aux modifications pour la décharge à courant constant, un condensateur Cx a été ajouté sur cette entrée. L'impédance est donc un peu modifiée par ce perturbateur nécessaire, mais reste très bonne.

L'organe de commande à encodeur en quadrature
Cet encodeur et son switch associé permettent de paramétrer totalement le µAh mètre.
Le connecteur J11 véhicule outre l'alimentation + et – les deux seuls signaux de l'encodeur.
Reportez vous à cet article descriptif de l'encodeur pour plus d'informations.

RB5 et RB6 déterminent les signaux reçus suivant le petit tableau inséré dans le schéma.

Afficheur
C'est un modèle à 4 lignes qui se comporte exactement comme un modèle traditionnel 2 lignes. Aussi le système de transformation d'un afficheur 4/8 bits en afficheur série a été réutilisé sans aucun problème et les séquences logiciel reprises exactement à l'identique. (revoir cet article)

Juste un mot sur le rétro-éclairage qui a été abandonné car beaucoup trop gourmand en énergie, au profit de la commande du circuit RS232 .
La commande de l'afficheur est également issue des SEL0 à 2 avec seulement un Enable spécifique.

Partie RS232
Il était prévu à l'origine de ne fonctionner en RS232 qu'avec une alimentation secteur à cause de la consommation un peu élevée du MAX232.
Au vu de l'abandon de la commande de rétro-éclairage de l'afficheur, et avec les essais réalisés, il s'est avéré tout à fait possible d'alimenter directement le MAX232 par la sortie PIC du rétro éclairage qui vient d'être libérée.
Le courant est de l'ordre de 8 mA et le temps d'établissement des tensions +12 et -12 est de 20 ms, ce qui est tout à fait acceptable.
La consommation intrinsèque pour une résolution au 1/10 et à plus forte raison sur 10/10 est très bonne.
Le volume des données sur des essais de longue durée est trop important, aussi une trame toutes les x mesures est seulement envoyée, alors la consommation du MAX232 devient négligeable.

Une particularité que j'ignorais lors de la modification de l'alimentation du MAX232 par une sortie directe du PIC est la valeur des condensateurs +12 et -12V (Ainsi que les autres). J'ai mis des 2.2 µF par "sécurité" et c'est une petite erreur, car elle conduit à des temps d'établissement des tensions plus longs.
Je pense qu'il est souhaitable de réduire à 0.1 µF à 0.47µF ces condensateurs ce qui permettrait de réduire le temps d'établissement à moins de 20 ms comme c'est le cas avec ces valeurs.
De plus une seule sortie est utilisée et il n'y a donc que peu de courant drainé, ce qui va encore dans le sens de la réduction des condensateurs.

L'horloge
Elle est à quartz et une petite provision avait été faite pour fonctionner sur horloge interne en cas d'insuccès de l'encodeur. Aussi des switchs d'entrée avaient été prévus au niveau réalisation (OSC1 et OSC2), mais ne servent à rien au final et on reste sur un quartz à 4MHz simplement prévu pour la précision des mesures.
Au pire l'oscillateur interne peut très bien faire l'affaire si vous n'êtes pas trop à cheval sur cette précision du temps (Qui a tout de même sont importance dans le cadre des valeurs de capacité…)

L'alimentation et le chargeur
Elle est très simple puisque c'est un classique redressement double alternance suivi d'un régulateur 7805T en TO 220 et monté en régulateur de courant de 150 mA environ. Une diode Schottky évite de décharger les accus dans le régulateur (La rétro alimentation consomme !).
Un circuit LP2950-Cz5 permet l'alimentation de l'ensemble de l'appareil en 5V, dont le plus "gros consommateur permanent" reste l'afficheur avec 1.4 mA !

On notera le pont de mesure de la tension des accus qui permet d'afficher cette tension. Une diode D3 de sécurité évitera de dépasser les 5V de l'utilisation.

Le "strap" à la masse

J'avais pensé que ce montage pourrait s'auto mesurer en consommation…
C'était un vœu pieux car la réalisation implique de rassembler toutes les masses sur la pin 2 du strap, ce qui n'a pas été fait.
De plus la tension de 0.1V maxi d'entrée modifierait considérablement les références de l'ampli OP d'entrée, ce qui conduirait à des mesures certainement mauvaises.
Devant cette situation j'ai simplement abandonné cette possibilité entrevue en cours du développement et déjà trop avancé pour reculer.

5 Réalisation

Le circuit imprimé est indiqué ci-contre pour information, mais il n'est pas à jour, seul le schéma est correct.

La réalisation physique n'est pas trop "minuscule" car l'afficheur reste un élément d'assez grandes dimensions. De plus les commutateurs sont également des modèles "pro", d'époques révolues, mais qui ont l'incommensurable avantage de la longévité…
Avis aux mauvais fabricants de fétus de paille…!

La connectique est conçue en câble plat avec connecteur 10 broches et la partie Intensité est re-dispatché vers le commutateur tension puisque ces éléments sont tous deux en face avant.

Un petit CI porte les résistances de mesure avec le circuit 4051, y compris les masses (un peu léger pour du câble plat, mais à 200 mA ça passe encore…! (A ne pas faire, voir ci-après "décharge à courant constant")
Ce point des masses et 0V est un problème un peu gênant et il faut y faire très attention.

Un boîtier tôle aluminisé (Chute de tuyau de fumée redressé) assurera la protection EMI, et la fixation de son potentiel sera à faire (Si nécessaire) par une fiche banane sur l'une des 2 bornes de 0V en face avant.

6 Mesures

D'une façon générale, la valeur numérique des mesures est reprise à l'origine (Directement issues du convertisseur ANA) et non sur leur représentation à l'écran (ou en RS232).
Cette façon de faire limite les imprécisions et les troncatures. On garde ainsi les valeurs analogiques qui sont mixées avec les autres valeurs en traitant séparément mantisse et exposant.
La mantisse est traitée pour garder un maximum de chiffres significatifs avant de changer d'unité.

D'une façon générale, on effectue quand c'est possible les produits en premier lieu, ou quand cela ne l'est pas, on procède en deux étapes, pour ne pas dépasser 32 bits. On divise ensuite pour avoir un nombre de chiffres significatifs de 4, 5 ou 6 chiffres suivant les grandeurs.

Ainsi, il n'est pas utile de garder de nombreux chiffres significatifs sur le courant qui est issu directement d'une mesure en 1/1024, car la variation d'un seul pas du convertisseur se traduit au final par plusieurs unités (décimales) de variation en affichage.

En ce qui concerne les exposants (Puissances), ce sont de simples additions de nombres entiers, positifs le plus souvent, et ajustés en négatifs seulement au final.
Toutes fois il y a lieu, non pas d'exprimer ces nombres directement en puissance de 10, mais suivant les unités existantes :

Ainsi pour exprimer une capacité de 3455 10-4 on l'affichera en 345.5 10-3 (345.5 mAh) en allant toujours vers les nombres positifs les plus grands et en affichant alors l'unité de modulo puissance -3 : le plus proche. On place alors la virgule seulement au niveau affichage.

6.1 Mesure du courant

Une tension maximale de 0.1V sera admise aux bornes de la résistance de mesure du courant ainsi que déjà indiqué, pour ne pas perturber l'appareil en essais. (0.1024V au maximum très précisément !).
Cette définition déterminera le gain en tension de l'AOP d'entrée soit 48.8281, ce qui pour chaque calibre donnera une sortie de 5V pour une entrée de 0.1024V en représentation du courant.

Cet AOP sera nécessairement rail to rail de type OPA2336.
Des valeurs de résistances standard ont été spécialement choisies, et le plus simple est d'utiliser deux résistances en // au lieu d'une seule. Cela permet une meilleure répartition des écarts de tolérance et autorise un ajustement éventuel. J'ai choisi des valeurs simples en puissance de 10 soit 2x1ohm, 2x10 ohms,….sauf pour le premier calibre de 2 A où j'ai pu trouver une résistance adaptée de 0.05ohms de petite puissance. (2W)
Un PIC 16F690 permet de traiter l'ensemble des I/O et des calculs associés.

Ayant déjà un offset de 60µV moyen sur un AOP2336, on fera tout de même une correction d'offset à ajuster par un essai sur l'entrée en décalage. (Choix du côté où imposer une valeur positive car il n'y a pas de tension négative disponible)
Ainsi pour plus de précision et (dans les conditions de température d'un laboratoire), j'ai ajouté une compensation d'offset avec un strap permettant de s'adapter au côté du déséquilibre, avec une résistance de 22M et un potentiomètre.
Ce dispositif simple, certes "un peu préhistorique" donne cependant satisfaction.

ATTENTION à ce point :
Au niveau du courant on ne mesurera que des tensions POSITIVES aux bornes des résistances de mesure. Aussi, au vu des impédances, on protégera cette entrée des inversions de tensions par une simple diode par sécurité (Bien que l'AOP comporte déjà ce dispositif)

6.2 Mesure de capacité

Cette mesure découle à la fois de celle du courant et de celle du temps. On fait le produit de ces deux valeurs, et ici on gardera véritablement plus de chiffres significatifs que pour les autres mesures puisqu'il y a 2 valeurs distinctes en produit.
Cela conduit à des nombres toujours importants : (Je parle ici de la mantisse et donc des chiffres significatifs).
Pour l'exposant qui sera toujours un nombre entier, il n'y a aucun problème particulier.

Dans la pratique on cumule les valeurs en pas dans une variable 32 bits. On divise ensuite cette valeur par le nombre de mesures. La distance entre les mesures (résolution) n'intervient plus alors puisqu'elle apparaît à la fois au numérateur et au dénominateur.
Un petit artifice est de fait, car on additionne seulement des pas et non des valeurs en sous multiples d'Ampères, car les calibres font 2 fois cette valeur.

C'est seulement à la division par 3600 que l'on rectifie et que l'on divise cette fois par 1800 (au lieu de commencer par multiplier par 2).

6.3 Mesure de tension

La mesure de tension n'est pas nécessaire pour mesurer une quantité d'électricité. (Dit autrement, la tension va jouer sur la vitesse de passage de cette quantité d'électricité)
Cependant cette information est tout de même très intéressante, surtout dans le cadre des essais de piles ou accus.
(Elle aurait pu servir à réaliser une décharge à puissance constante qui est aussi utilisée).

Cette tension est surtout un critère d'arrêt pour évaluer la capacité POUR une tension d'arrêt définie. En effet après cette tension définie comme tension d'arrêt, il subsiste encore pas mal d'énergie, mais l'inconvénient majeur est que la tension dont on dispose n'est plus suffisante pour faire fonctionner correctement des appareils.
(C'est la raison essentielle pour laquelle ce µAH mètre est alimenté par 6 piles au lieu de 5, ce qui permet de mieux profiter de l'énergie des accus sous faible tension pour une excellente autonomie).

Comme on dispose d'un AOP double, il était tentant d'utiliser le 2ème pour mesurer la tension du montage en essai, et d'obtenir ainsi la "micro puissance" consommée par l'appareil en essai.

En réalité j'ai surtout voulu profiter de l'impédance d'entrée très élevée de l'AOP en gain unité et pouvoir utiliser cette entrée comme voltmètre électronique à très haute impédance (Sur calibre 5V principalement)
Bien entendu c'est une entrée directe en 5V avec les risques que cela comporte.
Il n'est pas souhaitable de mettre des protections qui entacheraient l'avantage de cette impédance "merveilleuse", alors la seule règle est de faire attention ! Mais on verra par la suite que j'ai tout de même été obligé de mettre un condensateur…

Il n'y a pas que du 5V (ou moins) "dans la Vie", aussi un petit diviseur 50 et 500V a été ajouté. Ce pont diviseur procure une impédance de 111 M ohms qui est tout de même importante et intéressante.

Je ne pensais pas mesurer la puissance (électrique) à l'origine, mais cela présente un intérêt certain, notamment pour les très faibles puissances puisque les fournisseurs de circuits parlent maintenant le "nanowatt".

Il faut aussi souligner que je ne pensais pas dévier jusque là, mais au final ce petit ajout ne change pas la face du monde !!! C'est un petit plus et c'est surtout utile pour la très haute impédance d'entrée.

Vous noterez aussi que cette tension mesurée suivant le schéma de branchement déjà indiqué n'est pas la tension précise existante aux bornes de l'appareil en tests, mais la tension totale des accus (de l'appareil en tests).
La puissance indiquée correspond à la puissance consommée par ce montage en essais à l'erreur de tension imposée par la mesure du courant.
La tension réelle du montage en tests est égale à la tension des accus diminuée de la tension "volée" par la résistance de mesure du courant ! (Cette erreur reste faible et de 2% au maximum)

6.4 Mesure de puissance

La présence de fait de la tension a conduit naturellement au calcul de la puissance. C'est une indication seulement et non un historique comme la consommation, puisque je le rappelle la puissance est une énergie par unité de temps et uniquement pour l'unité de temps de la seconde !
Or le courant est intégré pour quelques 2.5 secondes et la tension l'est un peu aussi. Il est donc légèrement faux de parler de puissance instantanée

Les puissances résultent donc du produit bien connu P=U*I.
Ces puissances sont indiquées en sous multiples avec les mêmes règles que pour les quantités d'électricité, soient les sous multiples en 10-n avec n entier de 0, 3, 6 ou 9.
Nous nous contenterons du nanowatt pour aller jusqu'au Watt.

7 Le Display

7.1 Divers problèmes

C'est un display 4 lignes de belle réalisation dont le pinning et la programmation sont identiques à un display 2 lignes.
J'ai cependant cherché dans la très légère documentation, le paramètre 1 ligne / 2 lignes ou 2 lignes ou 4 lignes mais je ne l'ai pas trouvé, et il se trouve que si l'on donne les adresses DDRAM, il n'y a pas lieu de s'en inquiéter.
Je n'étais pas certain du résultat, aussi j'avais commencé par vérifier la faisabilité de ce dispositif…Avec succès !

La partie alimentation logique consomme assez peu avec 1.4 mA typique (Et mesurés) et 4 mA maxi.
J'avais pourtant préparé une commande spéciale sur le PIC pour rétro-éclairer le display, car j'avais cru à une erreur de documentation lorsque j'ai lu un courant de 280 mA typique et 480 mA maxi. J'avais pensé à une erreur de la notice, et j'ai donc fait comme si c'était une LED traditionnelle sur des petits accus R6, et de tenir plusieurs semaines ainsi en économisant dans le temps…!
Non j'ai bien vu et lors des essais avec limitation de courant à 30 mA j'avais conclu que la LED back light était morte car rien ne s'allumait !
Ce n'était ni une erreur de notice, ni la LED morte, il faut bel et bien un courant de 300mA pour voir le rétro-éclairage, c'est assez incroyable !

Trop tard cependant pour le CI, car il était déjà réalisé, alors j'ai abandonné purement et simplement cette idée de LED back light car scandaleusement beaucoup trop gourmande pour un appareil sur petits accus.
La commande prévue par une simple sortie de PIC ne pouvait donc pas convenir, alors j'avais décidé de la basculer sur l'alimentation de la seule logique de l'afficheur….
Au final l'affichage des valeurs est si "précieux" que j'ai alimenté en permanent l'afficheur, et finalement c'était une I/O de "mangée" pour rien et l'I/O redevient donc disponible ! …
…La nature fait bien les choses en général et cette sortie est finalement réutilisée, et avec beaucoup de "bonheur"… on verra pourquoi, c'est la surprise !

Dernière particularité du display, je l'avais plaqué directement contre ma face avant, en ménageant seulement la fenêtre correspondante à la partie visible du display.
En vérifiant l'isolement, j'avais trouvé quelques problèmes avec des fuites à la masse, et je me suis rendu compte, qu'outre mon encodeur qui faisait une masse déjà connue, il y en avait une autre, très fluctuante et vous avez compris que c'est effectivement la partie métallique contre la tôle de face avant qui était en cause.

Le problème a été résolu avec un plastique transparent prisonnier des 4 vis de fixation, ainsi aucun ajustage particulier n'est à réaliser.
Toutes les fuites à la masse ont donc maintenant heureusement disparu.

7.2 Les affichages

Outre les valeurs mesurées indiquées, on affiche en position 1 (1er caractère) sur la ligne 1, la ligne du courant et la ligne 2, la ligne de la tension), la valeur numérique du calibre.
A ce sujet j'ai inversé au niveau du câblage les valeurs croissantes sur courant et tension, mais je m'en contenterai en faisant un peu attention. A vous d'y veiller lors de la réalisation et des numéros de plots des commutateurs.

Les zéros non significatifs sont remplacés le plus souvent par espaces au display.
Le point décimal peut parfois être seul, comme dans le cas de la puissance. Dans les autres cas on affiche en cas de zéro la valeur " .0".

Pour les heures minutes et secondes, les zéros sont toujours affichés, surtout pour montrer les dimensions des zones et principalement pour les heures qui vont jusqu'à 999, ce qui n'est pas dans les habitudes.
Dans les rapports d'autonomie, on prête une attention limitée au jour de départ et au jour de fin, mais essentiellement à l'autonomie en heures, ce qui explique la limite à 999 heures.
Disons pour rester plus clair que 999 heures correspondent à peu près à 40 jours… Ça me dit quelque chose ce chiffre !
(Le jour de départ n'a d'autre utilité que d'identifier dans le temps les essais, mais non leur contenu)
Certes les dates précises des mesures seraient utiles mais elles obligeraient à gérer un calendrier et je n'ai plus trop de place. Alors pour une fois restons simples !

(Pour information, le logiciel Bray++ peut insérer la date)

8 RS232

La RS232 n'était pas absolument nécessaire, mais je fais très souvent cette adjonction pour obtenir des données enregistrées sur PC.
Initialement j'avais prévu de fonctionner sur secteur pour pouvoir utiliser la RS232 comme moyen de stockage d'une campagne de mesures, mais…..

Bon, je vais vous donner la raison qui m'a conduit à ce qui suit …:

Lors des essais j'ai acheté un lot de piles bon marché avec l'intention d'en décharger quelques unes. J'avais pris comme décision d'enregistrer cette décharge à différents courant.
Pour une pile R6 de 1.5V j'avais choisi une décharge sur résistance fixe de 68 ohms, soit une vingtaine de mA au début de la décharge pour finir à une tension d'arrêt de 1V.

Le problème est que je pensais en venir à bout en 24 à 48 heures, mais cela a duré 8 jours, et en 8 jours avec un enregistrement toutes les secondes, cela fait beaucoup de données (40 MO !)
Mais avec une telle débauche de valeurs peut-on attaquer un tableur pour avoir une courbe ? OUI peut-être, mais il faudra 10 heures avant d'obtenir le tracé !

Cette anecdote a eu plusieurs conséquences à la fois sur le hardware et sur le logiciel.

La RS232 est uniquement prévue à 115200 bps, car cela permet de traiter dans tous les cas le transfert des données sans modifier ou perturber le fonctionnement jusqu'à une résolution du 1/10 de seconde.

Les données transmises sont la recopie presque intégrale de l'affichage avec quelques éléments complémentaires des flags mémoire.

Dans le vidage RS232 ci-dessus, on trouve dans l'ordre de gauche à droite, en tout début 6 digits hexadécimaux de variables mémoire puis -U- qui représentent les conditions d'arrêt, ici seulement arrêt sur tension mini (U).

La zone suivante est heures minutes et secondes, suivie de la zone en vert des valeurs de courant puis en bleu clair de la capacité. En orangé, la tension et enfin en bleu moyen la puissance. Les unités sont indiquée en tête (à gauche des valeurs numériques).

8.1 Au niveau logiciel

Le logiciel d'enregistrement de la RS232 sur PC est toujours réalisé avec l'excellent "Terminal" de Bray++" que j'utilise très régulièrement.

Pour combattre cette profusion de mesures, un paramètre a été ajouté pour enregistrer seulement une trame toutes les "X" mesures réelles. Cette méthode permettra d'obtenir un fichier plus réduit et véritablement exploitable.
Il ne faut pas confondre ce saut de X valeurs (skip) avec la résolution qui représente l'écart entre deux mesures.
Il peut y avoir une certaine similitude au niveau des résultats, mais le fond est totalement différent et surtout au niveau de la dynamique des valeurs à mesurer.
(Je n'ai pas prévu de moyenner ces valeurs avant de les envoyer)

Vous pouvez constater l'effet de ce paramètre sur les valeurs de temps de l'exemple précédent en RS232, où on voit une trame toutes les 10 secondes. (Ce n'est pas la résolution qui est en standard, à 1 seconde (et qui de plus ne dépasse pas 7 secondes))

8.2 Au niveau Hardware

C'est maintenant que vous allez découvrir la réutilisation de la commande de rétro éclairage de l'afficheur ou de son alimentation logique en VDD.
Le display est donc maintenant sans utilisation de LED back light et est alimenté en permanence en VDD.

L'I/O RB4 qui l'alimentait est donc disponible et c'est pour la RS232 que je l'ai utilisée ! Voilà c'est dit !
Cela mérite quelques explications tout de même.
Le fait d'avoir prévu la RS232 avec alimentation secteur posait des problèmes d'isolation à cause du principe même de cette mesure du courant sur une résistance série insérée
Cette mesure est problématique pour la mesure de consommation d'appareils branchés sur le secteur car les masses peuvent être différentes et créer des boucles parasites, voire de gros problèmes.

Aussi il était important de pouvoir utiliser ce µAh mètre en autonome soit simplement avec display soit avec en plus le relevé RS232.

Le circuit spécifique RS232 est le MAX232 circuit très connu, un peu ancien et aussi un peu gourmand tout de même car il n'a pas d'entrée Shdn (Shut down). Comme j'en ai pas mal, je veux les utiliser, aussi j'ai regardé en premier la consommation : soit 8 mA !
Cette valeur est possible à être "drivée" par une sortie directe de PIC.
Il restera à voir si le VDD sera suffisant, et ce sera le cas, environ 4.6V.
Si cette solution ne vous convient pas, libre à vous d'ajouter un transistor MOS pour garder une meilleure adéquation au 5V pour ce circuit.

Mais si ces valeurs d'alimentation sont importantes, il faut aussi que le temps de charge des différents condensateurs générateurs des +10 et -10 V soit acceptable. Or ces sorties de PIC sont mal adaptées à la charge de condensateurs, mais fonctionnent tout de même. Il faudra seulement 20 ms pour obtenir des niveaux de sortie +10 et -10 corrects.

L'envoi de 50 caractères à 115200 bps demande environ 4.5 ms en temps de transmission seulement. Il faudra donc environ 25 ms pour traiter l'envoi des données par RS232 (Arrondi de 4.5+20)
Même à une résolution du 1/10 de seconde, il est encore possible d'envoyer les données par RS232 en n'utilisant q'un quart du temps d'attente pour ces delta de temps les plus courts.
Dans ces conditions, la consommation intermittente du MAX232 devient alors parfaitement acceptable, surtout si dans 9 cas sur 10 on utilise la résolution de la seconde, car c'est alors 1/40 du temps que le MAX232 est alimenté.

Mais, on a vu qu'un enregistrement toutes les secondes est souvent trop rapide et génère trop de données. Alors en sélectionnant seulement 1 enregistrement sur 10, ce temps du MAX232 devient 1/400 du temps total et est donc pratiquement "invisible" au niveau énergie.

Voilà pourquoi RB4 alimente maintenant directement le MAX232.
Cela permet en outre d'enregistrer sur PC sans craindre des bouclages de masses par le biais de l'alimentation secteur.
J1_SW3 a été laissé sur le schéma pour la compréhension, mais est donc maintenant sans objet.

(En fait, ce connecteur qui a masse et VDD servira pour la prise d'alimentation de la décharge à courant constant)

On notera, et si ce n'est déjà dit, qu'il est souhaitable de ne pas forcer sur les condensateurs du MAX232, car cela joue sur le temps de charge des tensions auxiliaires +10 -10V. (Voir les courbes des datasheet)

9 Paramétrage et Status

Dans la partie automatique, il y a lieu de souligner que les calibres sont manuels, mais qu'ils s'identifient au niveau du PIC de façon à pouvoir déterminer toutes les unités.
Il n'y a donc aucun paramètre spécifique aux calibres des unités.
Il faut seulement choisir manuellement le calibre pour "tenir" dans celui-ci et avoir ainsi la meilleure précision. Si "le status "Over_Cal" est affiché parfois, il y a lieu de diminuer d'un ou plusieurs calibres pour ne pas saturer et/ou abîmer l'AOP d'entrée.
On recherchera toujours le calibre inférieur n'affichant PAS "Over_Cal".

9.1 Quelques commandes

-RAZ du temps
-RAZ de la capacité
-START lancement des mesures
-Mode paramétré ou non (L'accès aux paramètres reste parfaitement possible en mode manuel qui est surtout fait pour préparer les mesures : choix des calibres, vérifications diverses etc…)
-Conditions d'arrêt (Voir § ci-dessous : "Conditions d'arrêt"
-STOP n'est pas vraiment une commande mais résulte lors du fonctionnement, de l'appui sur le switch de validation OU d'un changement de position de l'encodeur (On a tourné le bouton dans un sens ou dans l'autre !)
-V24_115 pour la RS232 avec détermination du nombre de trames à sauter (Rappel de la vitesse à 115200 uniquement)

9.2 La résolution

Un des premiers paramètres est la résolution qui est paramétrable de 0.1 seconde à 7 secondes.
Passer au dessus de 2.5 secondes dépasse la période d'intégration, et est surtout fait pour des durées importantes, car cela peut modifier les valeurs suivant l'activité de l'appareil en tests.
Ce paramètre m'avait semblé très important au début, et je me suis aperçu qu'il n'en est rien véritablement, car la durée d'intégration est importante et ce paramètre n'a dans le contexte actuel qu'une très faible action essentiellement sur des phénomènes très lents de plus de 3 secondes.
Si vous désirez une action sur des variations plus courtes, il serait nécessaire de modifier le condensateur d'intégration C10 sur l'AOP de mesure du courant.

(Rappel : Ne pas confondre avec le nombre de trames RS232)

9.3 Conditions d'arrêts

Il y a trois conditions d'arrêt des mesures avec blocage de l'affichage pour noter les valeurs finales (Qui restent les seules véritablement utiles. La RS232 est un plus, mais surtout utile en cas de fortes différences au fil du temps, ou pour garder une trace.
Ces trois conditions paramétrables peuvent être uniques ou mixées jusqu'à 3 (OU inclusif).
Dans cette éventualité c'est la première condition qui enclenchera l'arrêt des mesures.
Le rappel des ces conditions est réalisé par l'affichage en ligne 3 et à droite, de trois lettres correspondant à ces dénominations :

C       Arrêt sur Capacité atteinte
U       Arrêt sur tension (U) minimale atteinte
T       Arrêt sur Temps de mesures atteint.

Si une seule de ces conditions d'arrêt, devient vraie, alors l'appareil se bloque et toutes les valeurs sont alors à l'affichage.

9.3.1 Arrêt sur capacité (C)

Vous devrez donner en premier lieu l'unité de capacité choisie (Toujours supérieure ou égale au calibre du courant). Puis après, il faudra rentrer la valeur sur 3 groupes de 2 digits pour la partie "mantisse" correspondant à l'unité prédéterminée.

(Ce choix de l'unité est le seul qui soit demandé, car il dépend étroitement du temps qui sera consacré à l'évaluation, et il n'est pas possible de deviner ce que le concepteur a prévu en durée et en consommation approximative aussi il faut une base de départ car le risque serait de s'arrêter prématurément).

L'unité choisie sera dans les valeurs prévues habituelles soit mAH à nAH.
L'Ah, ne sera pas possible en unité de DÉPART, car celle-ci correspond à l'unité du pas élémentaire du courant, et dans ce cas c'est le mAH.

La confirmation de ce type de paramétrage d'arrêt sera indiquée en ligne 3 de l'afficheur avec la lettre C (comme Capacité).
L'unité et la valeur prédéterminée n'apparaîtront plus et il conviendra de les noter au besoin.

Le status en ligne 1 indiquera "C_Lim" lorsque l'égalité sera trouvée.
Ce paramètre peut être mixé avec les deux autres

9.3.2 Arrêt sur Tension (U)

Le U symbolise cette condition d'arrêt sur tension mini atteinte.
Cette tension sera toujours exprimée en milli Volts, donc sur 6 digits puisque les calibres de tension sont de 5, 50 et 500V.
C'est une détection sur un minimum.
Ce paramètre est principalement indiqué lors de la mesure de la décharge d'un accu ou d'une pile, car c'est une des conditions habituelles d'arrêt, bien qu'il reste très souvent encore pas mal d'énergie disponible mais sous une tension trop faible pour faire fonctionner correctement un appareil.
Ce critère apparaît sur la ligne 3 de l'afficheur par la lettre U en avant dernier caractère de cette ligne. Ce paramètre peut-être mixé avec les deux autres.

Si la tension devient inférieure à la limite prévue, le status en ligne 1 sera "U_Lim"

9.3.3 Arrêt sur le temps (T)

C'est le paramètre particulièrement utile qui permet des essais de durée modérée en se basant sur une extrapolation de la capacité sur un nombre d'heures correspondant à la capacité théorique de la source d'énergie de l'appareil en tests ou accus, alim ou pile ?

Sur des essais de longue durée, il aurait été inutile de descendre jusqu'au niveau de la seconde, car c'est trop petit relativement à 24 heures seulement, et je ne parle pas d'essais sur 8 jours ou plus !

On indique donc un temps limite en heures et minutes seulement.
Les heures sont limitées à 999 et le plus souvent on mettra les minutes à zéro, car la précision de la minute est également suffisamment faible face à aux heures, et rend les calculs d'extrapolation plus "difficiles" (Surtout des risques d'erreurs car la règle de 3 reste du domaine de "Maternelle Supérieure" (Mat-Sup !)).
On préfèrera le plus souvent tabler sur des heures entières, mais pour des essais comparatifs, la minute peut être utile, alors, je l'ai laissée.

Cette information apparaît sur la ligne 3 en dernier caractère de la ligne par le caractère T.

Si la condition de temps devient vraie, le status affiché est alors "T_Lim"

Ainsi sur cette ligne pourront apparaître les 3 lettres "CUT" (en minuscules)

NOTA :

Il existe également d'autres modes d'expression de la capacité, et notamment la capacité avec Arrêt dès qu'une puissance constante ne peut plus être fournie.
Je n'ai pas traité ce sujet, car il est réellement en marge de cet appareil dont la fonction première est d'évaluer une consommation en courant et non en puissance.

En effet parler puissance à ce niveau est un peu subjectif, car on s'attend surtout à des Watts, or ce seront seulement des conditions impératives de fonctionnement (électronique le plus souvent) et non des conditions de performances énergétiques.
C'est pourquoi, bien que je dispose de la puissance au niveau de l'appareil, je ne traiterai pas ce critère d'arrêt, mais aussi parce que je n'ai plus beaucoup de place pour le programme.

Il faut aussi se rappeler que la puissance est le résultat d'un calcul (P=U*I) et qu'il faut asservir la décharge à cette puissance, et qu'il y a une seule possibilité qui est de procéder en MLI pour commander cette décharge. (Car U et I varient en permanence tout au long du cycle de décharge !). Autre possibilité de faire un multiplicateur !

9.4 Les status

Au gré des essais et des commandes, le µAH mètre indique dans la zone status en ligne 1 dans la moitié droite, son état et en conséquence ce que l'on peut faire.

Des espaces indiquent que tout est OK. Soit en mode arrêt ou en mode de fonctionnement.

Ainsi la commande START envoie le status RUN durant une seconde environ. Lorsque le programme est actif, l'horloge affichée en ligne 4 à droite évolue normalement. En STOP elle est à l'arrêt.

Un dépassement de capacité du calibre du courant affiche Over_Cal, tant que le dépassement d'intensité est présent.

Lorsque les accus du µAh mètre deviennent faibles, le Status LOW_BAT est affiché en permanence.

Dans une grande majorité des cas, les erreurs ne sont pas bloquantes pour permettre de poursuivre, et la correction éventuelle nécessaire, permet de continuer les mesures, ce qui me semble utile lorsque des essais sur plusieurs jours sont engagés.
(C'est un peu la politique du train en panne dans le tunnel sous la Manche, continuer à tout prix lorsque c'est possible bien entendu).

10 Décharge à courant constant

Suite à ce premier essai qui avait duré presque 8 jours, j'ai eu le "temps d'admirer" la baisse de la tension de la pile en test mais aussi de constater que des 20 mA de courant initial, on arrive doucement en fin, à un peu moins de 10 mA avec une tension inférieure à 0.9V.
Cela m'a incité à réfléchir à la décharge à courant constant, car effectivement il y a un intérêt à cette méthode, car une décharge sur résistance constante ne permet pas de se raccrocher à quelque chose de fixe car tension et courant diminuent au fil du temps et les essais comparatifs sont plus difficiles à interpréter.
C'est bien la quantité d'électricité, passée dans des conditions précises de débit (COURANT) qui est importante. C'est véritablement représentatif de l'énergie emmagasinée dans un accu.

10.1 Principe et schéma

Le principe est simple puisqu'il faut une résistance variable qui diminue au fil du temps pour laisser passer un courant toujours constant et déterminé par une consigne fixe. Un transistor (darlington) fera office de résistance variable et dissipera cette énergie en chaleur !
Ouais ! C'est pas très écolo, mais c'est pour que TOUS les autres appareils soient écolos, Alors dit ainsi c'est bien car il y a économie d'échelle et c'est effectivement très écolo.

Ce principe m'intéressait, car une partie des tests de caractérisation des accumulateurs sont basés sur ce principe d'une décharge à courant constant, avec arrêt sur un seuil bas de tension.

Pourquoi ce courant constant ? Simplement parce que dans les applications de sécurité, c'est un peu moins la tension qui est importante, mais principalement le courant dont on peut disposer (Éclairage de secours par exemple, moteurs, batteries de secours….etc).
A tension plus faible, ces accus sont encore opérationnels, mais avec performances dégradées souvent connues et acceptées en fonctionnement dégradé.
C'est aussi et surtout pour préserver les accus au plomb d'une décharge profonde (détérioration irréversible des accus au plomb)

On a vu dans l'appareil initial que l'on dispose d'un amplificateur de la tension développée aux bornes de la (les) faible résistance de mesure (U3A)…

Cette tension représente le courant et va de 0 à 5V pour chacun des calibres. Il est donc facile (à priori seulement) d'utiliser cette tension comme entrée d'un AOP et sur l'autre entrée de mettre une consigne.
La sortie de l'AOP attaquera le transistor Darlington faisant office de résistance variable.

Ainsi on consommera un courant constant. (Rappelez vous au passage que cette tension représente le courant intégré par l'AOP U3A monté en amplificateur intégrateur).
La résistance de décharge sera un petit transistor darlington TIP120/121 qui ne fera rien d'autre que de dissiper quelques calories. Sa commande de base est directement issue du LM358 (+ économique)

Le fonctionnement est un peu tronqué aux valeurs élevées d'un calibre, du fait que le LM358 n'est pas "rail to rail", mais le recoupement des calibres permet de balayer l'ensemble de la gamme.
On regrettera un réglage "très pointu" par le potentiomètre de la consigne, mais chacun peut améliorer à sa convenance avec un réglage "Gros/fin" (Voir l'article) ou même reprendre une modulation MLI avec un autre PIC pour fabriquer la consigne par paramétrage, mais dans ce dernier cas, c'est déjà "un autre appareil" !

Vous pourrez même utiliser des tensions continues >5V pour vérifier (Avec les limites des composants bien entendu) .
Je suis monté à 20V sans problèmes – ne pas oublier le calibre tension- !

Vous serez agréablement surpris de voir, que quelque soit la gamme, le courant repasse automatiquement dans sa gamme, ce qui est normal relativement à la consigne, est effectivement parfait et sans aucun risque.

Il y a différentes façons de réaliser cette adjonction, suivant que l'on place le montage dans le coffret existant, ou au contraire que l'on déporte l'ensemble en externe.

Ce tout petit circuit imprimé hybride vous sera peu utile car il est construit sur la base d'un potentiomètre étanche récupéré, de marque Sfernice et vous avez une chance sur 10 000 d'en posséder un identique, mais je publie ci dessous ce circuit imprimé !

J'ai cependant constaté un petit problème qui est un surcroît de courant consommé de 15 mA environ, si l'on oublie de raccorder la source de tension pour la décharge dans le transistor ballast. (Je pense que c'est l'AOP qui se décharge par la jonction base émetteur, dans la résistance de mesure, du fait que ce courant change avec les gammes de mesures.)

Il me semble important de garder l'autonomie initiale, aussi cette alimentation d'un AOP auxiliaire, si elle n'est pas nécessaire, doit être coupée, ce qui nécessitera un interrupteur sur son alimentation, ou un dispositif depuis la connectique (Strap dans la connectique), si le dispositif est destiné à être extérieur au boîtier.

Pour ma part, j'ai choisi de tout intégrer y compris le darlington, et de sortir seulement les deux bornes de la source d'alimentation continue que l'on veut tester.
(La masse existe déjà et seul le + serait nécessaire). Attention cependant car procéder ainsi limite à 200 mA, autrement il faut utiliser une commutation pour la borne I ou la borne 2A.

Le principe de fonctionnement reste simple, puisque l'AOP va corriger sa sortie pour que la valeur du courant produise une tension en pin 2 égale à la consigne de la pin 3.

J'ai réalisé ce tout petit montage soudé sur un potentiomètre qui sera placé sur un côté du boîtier puisque ce réglage n'était pas initialement prévu. L'interrupteur sera lui aussi déporté, juste à côté.
La réalisation est hybride, à la fois discret et CMS pour les condensateurs.
J'avais prévu des talons de résistances sur le potentiomètre de consigne, mais ceux-ci n'ont pas lieu d'être dans la mesure où l'on remplace le LM358 par un rail to rail.

Toutes les résistances peuvent être omises sauf R1, d'ailleurs le circuit a été corrigé en ce sens. Ce circuit est correct et le schéma de principe est donc simplifié. (Couper les pistes sous les résistances si nécessaire)

Vous ferez attention à l'entrée 2 Ampères (si vous l'utilisez) qui peut rapidement épuiser l'accu ou la pile en essais et augmenter significativement la consommation du µAH mètre, et limiter ainsi son autonomie.

10.2 Essais et problèmes

Bien entendu ça aurait été trop beau si l'adjonction du "courant constant" avait marché du premier coup !...

Les problèmes sont apparus lors des essais réels et ont été très difficiles à cerner, alors qu'au fond c'était si évident (Après coup)…
Pour ne pas recharger sans arrêt les accus, une grande partie des essais avait été réalisée sous des faibles courants (µA). Dans le cas de décharge (à courant constant), il faut effectivement passer à des courants "suffisants" si on ne veut pas y passer des années…!
La manifestation était caractéristique et le courant et la tension "s'affolaient" au fur et à mesure que l'on augmentait le courant sur les calibres les plus forts.
Vous vous rappelez que la masse de retour de courant avait été passée dans la nappe reliant le CI du commutateur de gammes de courant et que j'avais quelques doutes sur la méthode…J'ai tout de suite incriminé ce point de réalisation trop léger avec reprise du câblage par des fils de bonne section cette fois et soudés.
Résultat quasiment identique ! Il faut donc rechercher autre chose !

J'ai ensuite recherché un parasitage par quelque autre source, mais un point m'avait alerté avec un jeeter à fréquence élevée de 100 KHz (et non à 50 ou 100 Hz).

Après mures réflexions, j'ai compris une aberration du principe : En effet l'étage d'entrée amplificateur du courant est un intégrateur de valeur 2.5 secondes environ, et sa sortie si elle bouge un peu, va donner l'ordre de rétablir la situation à l'AOP de régulation du courant.
Ce circuit non synchrone et non temporisé va réagir immédiatement en sur-compensant avec de fortes pointes de courant.
A cette issue, il y a un très court appel de courant pour corriger l'écart. Cela va se retrouver sur la valeur du courant, mais aussi et surtout sur la tension.

En effet, la tension est impactée, non pas par des problèmes de masse, mais par des problèmes de résistance interne de l'accu ou de la pile majoritairement. Cet appel de courant crée une variation de tension à cause de la résistance interne de la pile ou de l'accu, qui est effectivement mesurée par l'entrée tension et qui donne cette impression de flottement.

Lorsque l'on mesure une tension avec précision, on voit parfaitement ces variations jugées anormales qui font penser à un mauvais fonctionnement de l'appareil.

On comprend à la lumière de cette description que la décharge à courant constant LORS D'UNE INTÉGRATION est très délicate à réaliser par un asservissement standard, car l'asservissement va tenter de corriger les problèmes en immédiat, aussi pour un fonctionnement irréprochable il serait nécessaire de réaliser une régulation PID.

Dans le principe retenu ici, il n'est pas possible de réguler à la fois la tension et le courant, car c'est un peu ce que j'ai tenté de faire. Je rappelle que la décharge à courant constant est une extension non prévue à l'origine
Il n'y a donc qu'une seule possibilité qui réponde au principe de décharge, qui est de temporiser aussi l'AOP de commande du transistor, et d'intégrer aussi la tension pour atténuer ces aberrations.

Cette tension sera intégrée en entrée AOP par 56nF soit une constante de temps de 5.6 ms mini. La charge sur un échelon de tension est rapide et la décharge plus lente si le générateur n'est plus connecté, puisque cette décharge est réalisée par les fuites de l'AOP.
La résistance interne du générateur connecté (pile ou accu) intervient largement dans cette constante de temps et on peut espérer une bonne linéarisation qui évitera ces fluctuations de mesures dus à des pics de courant, mais rien n'est garanti.

10.3 Fluctuations du courant

Ces fluctuations sont dûes essentiellement aux essais sur des éléments de pile ou accus ayant une résistance interne élevée et dont la tension réelle appliquée passe sous des limites acceptables lors des pics de courant.
Au final on comprend parfaitement que l'on ne peut pas réguler de façon simple un courant si l'on n'a pas la ressource en énergie. C'est un peu ce qui se passe aux faibles tensions.

Dit de façon plus théorique, toute régulation ne peut s'appuyer que sur une énergie de valeur supérieure, en en gaspillant une petite partie pour délivrer une valeur stable !
C'est le principe de toute régulation, et on comprend parfaitement la difficulté de la chose pour les régulateurs de tension qui sont des éléments "si insignifiants" mais tellement utiles.

Avec une alimentation régulée, ces problèmes n'apparaissent pas, ce qui est normal puisqu'il s'agit d'une tension régulée !

Comme quoi les essais tous azimuts sont plus qu'utiles et que ce que l'on croit bon, se révèle parfois mauvais !

10.4 Conclusions sur la décharge

Cette décharge à courant constant fonctionne donc à peu près correctement maintenant (faibles fluctuations) mais avec l'assertion d'une intégration du courant (choix d'origine), d'une intégration de l'asservissement et également de l'intégration de la tension.

On notera que l'intégration de la tension n'intervient pas dans l'élaboration de la décharge à courant constant, mais seulement dans l'élaboration de la valeur finale de tension mini acceptée (Limite U). C'était surtout ce point important qui posait problème, puisque l'arrêt n'était plus représentatif de la tension réelle, et en conséquence, la capacité n'était donc plus correcte.

Pour ma part et pour limiter les connexions, l'entrée courant de l'asservissement a été câblée sur l'entrée courant normale (et non sur l'entrée 2A, dont j'ai moins besoin).
Il vous est loisible de réaliser une commutation entre ces deux entrées de courant qui font le bouclage de la dissipation sur le TIP 121.
Bien que l'on puisse ne pas être satisfait pleinement du principe, je pense qu'il reste utile dans son contexte d'utilisation, et bien des modélistes ou autres utilisateurs importants des piles et accus seront peut-être contents de pouvoir enfin faire des mesures… et tirer des conclusions sur les produits.

11 Conclusions

Dans l'article sur l'enregistreur, (Voir l'article) j'avais indiqué que des mesures de consommation s'imposeraient, alors voici le résultat d'un essai à 3 sondes de température sur 24 heures.

La consommation sur 24 heures se monte à 577 µAH (ou 24 µAH à l'heure). Ce montage étant alimenté par des accus R6 de 2700 mAH cela représente donc une autonomie théorique de 4679 jours à la condition d'accus respectant leurs spécifications ce qui n'est certainement pas le cas, soit plus de 12 années qu'il vaudrait mieux ramener à 10 années pour une capacité plus réelle des accus de 2200 mAH.

Cela a au moins le mérite de chiffres exacts et pour s'en assurer, le mieux est de passer les accus à ce même scénario.

Dans les essais de décharge d'accus à courant constant, j'ai aussi réalisé en 10 heures et quelques minutes à 250 mA à courant constant, la décharge d'accus NiMh, ce qui correspondait juste à la capacité de 2500 mAH.

Certes, l'appareil est devenu un peu touffu maintenant avec cette dernière modification du courant constant, mais à part quelques fils cassés à force de manipulations, il tient encore le coup.
Ce sera à vous de prendre le meilleur de cet article en faisant attention aux écueils signalés. De toutes façons ce sera une économie de temps non négligeable…