IMA4 2018/2019 P72

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. La première raison est bien sûr l'estimation de l'autonomie d'un objet autonome en énergie. Cependant, ce qui nous intéressera ici concerne surtout les variations de consommation suivant les phases de fonctionnement de l'objet en question.

En effet la variation de la consommation de l'appareil permet de déterminer précisément sa consommation dans un plus grand nombre de situation, ainsi il est plus aisé de prévoir son autonomie suivant son utilisation.

Une mesure précise de sa consommation permet également de différencier les phases de fonctionnement, un objet connecté qui émet, reçois un signal ou utilise son processeur pour calculer ne consommera pas la même quantité d'énergie. La détermination des phases de fonctionnement à l'aide de la mesure permettrait de confronter la théorie à la pratique car dans certains cas (transmission radio), le déroulement de la phase dépend énormément de l'environnement (énergie demandée et durée).

Objectifs

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

• Une capacité de mesure de courants >2mA à l'aide d'un montage classique

Exemples : Avec une résistance de shunt ou un capteur à effet hall

• Une capacité de mesure des courants plus faibles à l'aide de montages plus précis

Exemples : Avec un montage de type feedback ammeter ou une méthode basée sur les cycles de charge/décharge de condensateur

• L'appareil doit être capable de changer de calibre sans intervention extérieure
• Conserver une bande passante convenable pour détecter les transitions entre les différentes phases de fonctionnement d'un objet connecté
• Avoir la possibilité d'enregistrer les mesures dans le temps afin d'analyser les données
• Avoir un appareil portable pour simplifier son utilisation
• Conserver une bonne précision tout en évitant d'avoir un appareil de mesure trop cher

Ensuite je vais devoir tester l'appareil de mesure ainsi crée afin de déterminer dans quel cas les mesures sont fiables.

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 :

Mesure par résistance de shunt couplée avec un amplificateur de tension

Mesure de courants "importants" : la mesure par résistance de shunt peut être facilement améliorée à l'aide d'un amplificateur opérationnel

• Avantage

La tension image du courant V_out est amplifiée par l'AOP qui n'affecte que de peu la mesure par rapport à une mesure par simple résistance de shunt (grande impédance d'entrée)

• Inconvénients

La résistance de shunt affecte le système (d'où la présence de la tension de chute V_burden aux bornes de R_shunt)

Module ACS712 permettant une mesure par effet hall dans de petits projets d'électronique

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

• Avantages

La mesure du courant n'affecte que très peu le système (pas d'introduction d’éléments directement sur le circuit)

L'isolation galvanique permet au signal mesuré de servir également d'alimentation à un étage d'amplification de la mesure

L'isolation galvanique entre le système et la partie mesure permet d'avoir de grande tensions en jeu

• Inconvénient

La mesure est moins précise qu'avec une résistance de shunt et plus adaptée pour de forts courants (assez sensible aux perturbations électromagnétiques)

Mesure par résistance de shunt couplée avec un amplificateur de tension

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

• Avantages

La chute de tension V_bruden en entrée est proche de 0 (V+ = V- dans un AOP)

L'utilisation de l'amplificateur opérationnel augmente la réactivité du système

• Inconvénient

Convient principalement pour la mesure de petits courants

Principe du Coulombmètre

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

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) ?

• Comment améliorer la bande passante ?

Réalisation du Projet

Feuille d'heures

Tâche	Prélude	Heures S1	Heures S2	Heures S3	Heures S4	Heures S5	Heures S6	Heures S7	Heures S8	Heures S9	Heures S10	Total
Analyse du projet	0