Version du 21 décembre 2018 à 09:45

Présentation générale

• Nom du projet : Mesure d'un courant simple
• Étudiant : MARTIN Raphaël

Description

Dans le cadre de l'internet des objet, il est important de savoir mesurer la consommation énergétique des appareils dès la conception pour plusieurs raisons :

• Estimer la durée possible d'utilisation d'un objet autonome en énergie
• Suivre la consommation des différentes phases de fonctionnement de l'objet

Ce qui nous intéresse ici est le suivi de la consommation, en effet il peut subsister une incertitude pour cette dernière en raison de l'environnement qui ne peux pas toujours être modélisé avec exactitude, la prédiction seule de la consommation ne suffit alors plus. Mesurer le courant avec un appareil permet de confronter théorie et pratique afin d'affiner le modèle pour qu'il puisse être plus fiable pour un plus grand nombre de situation.

Objectifs

Afin de pouvoir mesurer précisément la consommation d'un objet connecté, j'ai pour objectif de réaliser les tâches suivantes :

• Concevoir et tester différentes méthodes de mesure du courant :

1. "fort" : basée sur une résistance de shunt
2. "fort" : basée sur une mesure à effet hall
3. "faible" : basée sur un montage de type "feedback ammeter"
4. "faible" : basée sur les cycles de charge/décharge de condensateur

• Concevoir un ampèremètre spécifique :

1. Ayant une capacité de mesure de courants "forts" >2mA
2. Avant une capacité de mesure des courants plus faibles <2mA
3. Pouvant changer de calibre automatiquement sans intervention
4. Avant une bonne bande passante pour détecter précisément les transitions entre les différentes phases de fonctionnement
5. Ayant la possibilité d'enregistrer les mesures dans le temps afin d'analyser les données ou de les transférer en temps réel
6. Portable
7. Restant très abordable au niveau du prix comparé à du matériel de laboratoire utilisé classiquement

• Finalement tester l'ampèremètre afin de déterminer précisément ses performances ainsi que ses limites

Analyse du projet

Positionnement par rapport à l'existant

Actuellement, les multimètres tout-en-un grand publique comportent un ampèremètre, c'est le point de départ de mon analyse. Ce type d'ampèremètre mesure le courant à l'aide d'une résistance de shunt, on mesure une tension au borne d'une faible résistance afin de ne pas trop perturber le système étudié. Une telle mesure est plutôt fiable pour des courants au delà du mA et pour des application peu exigeantes. Mon multimètre par exemple d'entrée de gamme (Lifedom MS8321A) est capable de mesurer des courants avec une résolution de 1µA mais seulement avec une bande passante de 400Hz ce qui est trop peu pour ce projet.

Voici un récapitulatif des méthodes de mesure de courant qui seront abordées durant le projet, on appellera "fort courant" un courant >2mA et "faible courant" un courant <2mA :

Mesure de courants "importants" : la mesure par résistance de shunt

Principe de la mesure par résistance de shunt

• Principe de fonctionnement

La loi d'Ohm permet d'avoir une relation linéaire entre le courant qui traverse la résistance et la tension aux bornes de cette dernière.

• Avantage

Le montage est simple à réaliser

• Inconvénients

1. La résistance de shunt affecte le système en ajoutant une chute de tension au bord de Rshunt
2. Le montage convient surtout pour de forts courants car en deçà, l'image en tension obtenue devient rapidement trop faible avec de petites résistances (pour limiter la tension de chute) pour être exploitable

Mesure de courants "importants" : la mesure par effet hall

Principe de la mesure par effet Hall

• Principe de fonctionnement

"Un courant électrique traversant un matériau baignant dans un champ magnétique, engendre une tension perpendiculaire à ce dernier" (voir la page Wikipedia sur l'effet Hall). On utilise cette propriété pour récupérer l'image du courant par une tension en imposant un champ magnétique à proximité du courant à mesurer.

• Avantages

1. La mesure du courant n'affecte que très peu le système (pas d'introduction d’éléments en série sur le circuit)
2. L'isolation galvanique entre le système et la partie mesure permet d'avoir de grandes tensions en jeu
3. L'isolation galvanique permet au signal mesuré de servir également d'alimentation à un étage d'amplification de la mesure ou au générateur de champ magnétique pour le module à effet hall sans avoir de problème de masse commune

• Inconvénient

La mesure est très sensible aux perturbations électromagnétiques donc ne convient pas pour la mesure de faibles courants

Mesure de courants "faibles" : la mesure par un montage feedback ammeter

Mesure par résistance de shunt couplée avec un amplificateur de tension

• Avantages

1. La chute de tension V_bruden en entrée est proche de 0 (V+ = V- dans un AOP)
2. L'utilisation de l'amplificateur opérationnel augmente la réactivité du système

• Inconvénients

1. Convient principalement pour la mesure de petits courants
2. La bande passante de la mesure est limitée par les caractéristiques de l'AOP

Mesure de courants "faibles" : la mesure par charge / décharge de condensateur

Principe du Coulombmètre

Ce montage permet de mesurer une quantité de charge accumulée dans un condensateur. Le principe de mesure de courant serait d'utiliser un tel montage afin de capter une partie des charges en déplacement et d'en déduire le courant. Je n'ai pas trouvé d'ampèremètre fonctionnant sur ce principe sur le marché, il s'agira donc surtout de concevoir une éventuelle nouvelle méthode de mesure afin de la confronter à ce qui existe déjà. Un problème apparent ici est la chute de courant due à la charge du condensateur là où d'autres méthode provoquent une chute de tension pendant la mesure.

Analyse du premier concurrent : Le multimètre de table de précision

Keithley 6485/E

Exemple du Keithley 2001, basé sur une mesure de type shunt

• Prix : 6450 €HT

• Résolution minimale : 100 pA

• Erreur de biais max à la plus faible résolution : 2 pA

• Tension de charge max à la plus faible résolution: 250 µV

• Bande passante à la plus faible résolution : 10kHz

• Courant maximal mesurable : 2A

• Capacité de mesure : 2000 pts/sec

• Cet appareil possède une connectique permettant d'exporter les mesures sur un ordinateur (par GPIB / RS232)

L'utilisation d'un multimètre pouvant être relié à un ordinateur peut sembler constituer une solution clé en main pour cette application : le multimètre possède une bonne plage de mesure, est capable de mesurer de faibles courants. Cependant il reste très cher, encombrant et n'a une bande passante que de 10kHz ce qui peut poser problème si l'appareil étudié change de phase de fonctionnement trop rapidement et trop souvent.

Analyse du second concurrent : L'amplificateur de signaux

National Instruments PXI 4022

Exemple du National Instruments PXI 4022, basé sur une mesure de type feedback ammeter

• Prix : 815 €HT

• Résolution minimale : 5 nA

• Erreur de biais max à la plus faible résolution : 5 pA

• Tension de charge max à la plus faible résolution : 20 µV

• Bande passante à la plus faible résolution : 1MHz

• Courant maximal mesurable : 1mA

• Capacité de mesure : 1000 pts/sec

• Cet appareil doit être relié à un voltmètre pour pouvoir réaliser les mesures, il ne s'agit que du montage feedback seul

Cette carte permet d'envoyer l'acquisition sur un voltmètre avec connexion PC ou sur un oscilloscope au choix. Il s'agit d'une solution moins encombrante que le premier concurrent, ce qui est préférable pour une utilisation sur le terrain. Cependant, bien que possédant une bande passante plus grande de 1MHz, les courants mesurés ne peuvent pas dépasser 1mA.

Scénario d'usage du produit ou du concept envisagé

Chronogramme représentant l'utilisation du processeur et du module de transmission

Dans le cas d'une émission radio dans un milieu parasité, les délais de transmission peuvent varier grandement et ce sans pouvoir estimer avec précision ces retards. Si cette communication est assurée par une partie spécifique de l'électronique et non par le processeur, il se peut que celle-ci se fasse pendant une phase de veille de ce dernier. Dans ce cas, il est difficile de récupérer les informations sur la durée ou la consommation due à la transmission sans mesure externe. Le chronogramme ci contre illustre les perturbations durant la transmission qui impactent sur la durée nécessaire pour terminer la tâche, ces dernières ne sont a priori pas prévisibles et un ampèremètre précis peut permettre d'avoir une analyse réaliste en situation réelle plus complète du système.

Une solution dans ce cas est d'utiliser un ampèremètre spécifique capable de mesurer une grande dynamique de courant et avec une bonne bande passante. Ces deux critères sont cruciaux pour distinguer les phases de fonctionnement de l'appareil mesuré.

• La grande dynamique de courant permet de distinguer les phase d’émission radio et de calcul du processeur.
• La grande bande passante permet de mesurer précisément le moment où l'appareil change de phase.

Réponse à la question difficile

• Comment passer automatiquement d'un système de mesure à l'autre (courant très faible / courant faible) ?

On utilisera un comparateur fonctionnant en hystérésis entre chaque calibre commandant plusieurs transistors afin de choisir où part le courant mesuré. Ce comparateur sera piloté par la carte Arduino qui servira à mesurer la tension image du courant.

• Comment améliorer la bande passante ?

Le montage de type Feedback ammeter permet d'améliorer la bande passante car seul les performances de l'amplificateur opérationnel limite la bande passante du montage (il faut regarder le produit gain-bande). Afin d'obtenir une bonne bande passante, j'utiliserai un AOP de précision OPA277PA.

Préparation du projet

Je vais pour le moment me baser sur un appareil spécialisé dans la mesure de consommation d'une carte Arduino Uno basé sur un ATmega 328p pour éventuellement explorer par la suite d'autres appareils

Cahier des charges

Le cahier des charges initial pour la mesure de consommation de l'Arduino Uno est le suivant :

• Mesure jusque au moins 1A pour les "forts" courants afin de pouvoir mesurer la consommation des éléments autour du processeur
• Mesure d'une résolution minimale de 0,1µA pour les "faibles" courants, ce qui correspond à peu près au mode veille de l'ATmega 328p selon www.robot-maker.com
• Minimiser les pertes de courant dues à la mesure (<10nA) pour le pas trop perturber le résultat
• Avoir une bande passante initialement au moins supérieure à 2,8kHz, ce qui correspond à plus du double de la vitesse maximale de changement d'état des différentes sorties de l'ATmega 328p selon le forum arduino

• La sélection du calibre de mesure doit être automatique
• Permettre l'enregistrement des mesures dans l'appareil ou à défaut utiliser une liaison série pour les transmettre à un ordinateur
• L'appareil de mesure devra être portable (autonome en alimentation d'énergie, léger et portable)

Choix techniques : matériel et logiciel

L'appareil de mesure sera basé sur une carte Arduino Uno associé à un module de stockage sur carte SD pour conserver l'évolution de la mesure du courant dans le temps

• 2x Carte Arduino Uno [A1]
• Shield Arduino pour carte SD [A2]
• Breadboard et câbles pour breadbard

• 2x AOP MCP601 [B1]
• 2x AOP de précision OPA277PA [B2]
• 1x Timer555 [B3]
• 3x support DIL 8 broches [B4]
• 5x AOP LM324N [B5]
• 1x shift register [B6]
• 5x support DIL 14 broches [B7]

• 10x résistance 140 1% [C1]
• 2x résistance 1k 1% [C2]
• 4x résistance 10k 1% [C3]
• 2x résistance 100k 1% [C4]
• 2x résistance 1M 5% [C5]
• 2x résistance 10M 1% [C6]
• 10x led rouge [C7]

Liste des tâches à effectuer

• Dans un premier temps réaliser les fonctions d'ampèremètre seules sur breadboard et analyser leurs performances à l'osciloscope
• Réaliser un prototype du système complet à l'aide d'une carte Arduino Uno et de shields pour les fonctions d'enregistrement sur carte SD et des différentes mesure de courant
• Analyser les performances du prototype du système complet (temps pour le changement du système de mesure, précision de la mesure dans le temps et en amplitude)
• Dans un second temps réaliser le prototype final qui sera représentatif du produit, avec sa propre carte électronique et un boîtier adapté
• Analyser les performances du prototype final toujours sur les mêmes critères

Calendrier prévisionnel

Réalisation du Projet

Feuille d'heures

Prologue

Semaine 1

Semaine 2

Documents Rendus

Liens Utiles Annexes

Étude du feedback ammeter