Un ampèremètre à LED avec indicateur de polarité

Figure 1: Voici à quoi ressemblera votre ampèremètre quand vous l’aurez construit. Il peut mesurer des courants continus 1cc jusqu’à 10 A et il indique la polarité, c’est-à-dire le sens de circulation du courant dans la charge.

L’instrument de mesure que nous vous proposons ici de construire est un ampèremètre à LED se servant de la faible résistance d’une piste RCS du circuit imprimé comme “shunt”: il mesure ainsi le courant circulant dans la charge, qui est égal à celui passant par RCS. La configuration particulière adoptée permet en outre de déterminer automatiquement la polarité —positive ou négative— du courant mesuré.

Cet ampèremètre mesure l’intensité du courant continu 1cc (ou ldc) circulant dans la charge et la visualise sur une barre de dix LED rouges rectangulaires
DL1 à DL1O. Dans ce circuit, nous avons monté en série une résistance RCS de très faible valeur et nous nous basons sur la chute de tension qu’elle occasionne, laquelle chute de tension est proportionnelle au courant qui la traverse (de par la loi d’Ohm): c’est ce même courant qui est consommé par la charge branchée en série aux points INPUT A et B.
En outre, deux autres LED DL11 (verte +) et DL12 (rouge -) indiquent la polarité de ce courant. Lappareil peut par exemple être relié en série avec un chargeur de batterie pour connaître le courant de charge ou celui de décharge, comme le montrent les figures 14 et 15. Quand le courant passe du chargeur de batterie à la batterie, c’est la LED DL11 (verte +) qui s’allume car le chargeur alimente directement la charge. Lorsqu’en revanche le courant qui alimente la charge vient directement de la batterie, c’est la LED DL12 (rouge —) qui s’allume.
Les seules limitations concernent la tension d’alimentation de l’instrument —qui doit être comprise entre 6 et 25V- et le courant maximal mesurable qui ne doit pas dépasser 10 A. Voilà de quoi rajeunir votre vieux chargeur de batterie dont l’ampèremètre aurait rendu l’âme! Mais toute autre utilisation aurait également notre aval.

Figure 2: Brochages des composants actifs utilisés pour réaliser cet ampèremètre à LED. Celui du LM3914 est vu de dessus, tout comme celui du LM324 (dont on voit aussi l’organisation interne, 4 amplificateurs opérationnels); celui de la zener de référence REF25Z-LM336 comme celui du transistor BC547 (tous deux en boîtiers demi lune) sont vus de dessous et enfin celui des LED est vu de face.

Figure 3: Schéma électrique de l’ampèremètre à LED. L’intensité du courant est mesurée par détection de la chute de tension aux extrémités du “shunt” RCS: résistance de faible valeur constitué par une piste du circuit imprimé et dans laquelle passe le courant ensuite consommé par la charge que l’on monte en série avec les points AB. Les deux LED DLII+ et DLI2— sont des indicateurs de polarité du courant mesuré. La valeur de ce dernier est indiquée par les dix autres LED DLI à DLIO reliées au LM3914, un voltmètre à échelle linéaire.
Le schéma électrique
Vous le trouverez à la figure 3. La mesure du courant s’effectue simplement en mesurant la chute de tension aux bornes de la RCS: elle est d’environ 5 mÛ (milliohms) et donc son montage en série avec la charge n’occasionnera qu’une perte d’insertion dérisoire.
Comme nous travaillons avec des tensions d’entrée différentielles, nous avons monté aux extrémités de RCS l’un des quatre amplificateurs opérationnels du LM324, le 1C2/A précisément; il est configuré en amplificateur différentiel avec un gain de 20 et fournit sur sa broche de sortie 8 une variation de tension de +1— 0,1 V pour chaque variation de 1 A du courant passant à travers RCS, en outre entre la broche inverseuse et la sortie de l’amplificateur différentiel 1C2/A se trouve le trimmer R9. Comme le montrent les figures 6 à 11, ce trimmer permet le réglage de l’offset en fonction de la tension d’entrée.
L’opérationnel 1C2/D fournit une référence de tension stable de 3 V, obtenue en amplifiant 1,2 fois la tension produite par une zener de précision de 2,5V (voir DZ1 figure 3). Cette valeur de référence est utilisée par l’amplificateur différentiel 1C2/A et le comparateur de tension 1C2/B, qui détermine la polarité du courant. Si le courant est égal à zéro, sur la broche 8 de 1C2/A nous obtenons une tension de repos égale au bias, soit 3V. Si elle est différente de zéro, sur la broche 8 de 1C2/A nous obtenons une réduction ou une augmentation de la tension de repos, en fonction de la polarité du courant.
Quand le courant entre par A, il est de polarité positive et on enregistre une réduction de tension; inversement quand elle est négative on enregistre une augmentation de la tension. A la broche 8 de 102/A est reliée la broche inverseuse 2 de 102/B: les variations de tension font également varier l’état de la sortie du comparateur 102/B, ce qui a pour effet d’allumer une des deux LED témoins, DL11 verte si le courant a une polarité positive et DL12 rouge s’il a une polarité négative. En outre, si le niveau logique de sortie de 102/B est de 1, le transistor TRi, au collecteur duquel est relié l’opérationnel 102/0, conduit. Ce dernier opérationnel est configuré en buffer non inverseur mais, quand le transistor conduit, 102/0 travaille comme buffer inverseur Ainsi, indépendamment de la polarité du courant, la tension d’entrée sur la broche 5 de 101 est toujours croissante. 101 est un LM3914, un voltmètre à échelle linéaire en mesure d’allumer 10 LED en fonction de la tension d’entrée. Il peut être configuré pour allumer des LED en mode barre (pour l’obtenir il faut relier la broche 9 au positif d’alimentation) ou bien en mode point (dans notre circuit la broche 9 est déconnectée car nous avons choisi ce mode). Ce choix limite encore la consommation en courant de notre ampèremètre.
Pour établir avec quelle tension on doit allumer la dernière LED de ICi -c’est- à-dire pour déterminer le fond d’échelle du voltmètre— on utilise la broche 8; en série avec elle, comme du reste avec les broches 6 et 7, on trouve deux résistances R3-R4 et un trimmer R5. La valeur de R3 détermine le courant qui traverse la LED et celle de R4, plus celle prise par le trimmer R5, permettent de régler la tension de référence avec laquelle on allume la dernière LED DL1O, ce qui a pour effet de modifier et déterminer la valeur de fond d’échelle de l’instrument de mesure. A ce propos, précisons que l’échelle des valeurs apparaissant sur le schéma électrique de la figure 3 est fictive car vous pouvez régler ce fond d’échelle à la valeur qui vous convient (voir figures 6 à 11) à la seule condition de ne pas dépasser 10 A.
Théoriquement on pourrait régler l’ampèremètre à LED en se servant des points de test TP1 et TP2: TP2 détecte la valeur de référence de la tension au repos, soit un bias constant de 3V environ; pour déterminer le fond d’échelle de l’instrument, il faut calculer la tension devant être présente sur TP1, en se servant de la formule:
VTPI = (0,1 x lfd) + VTP2
où VTP1 et VTP2 sont en V et lfd (courant de fond d’échelle) en A.
Avec une VTP2 de 3 V (voir plus haut) et une lfd choisie par exemple à 4 A, nous devrons régler le trimmer R5 pour trouver sur TP1 une tension de:
(0,1x 4) + 3 = 3,4 V.
Mais c’est là pure théorie à cause des tolérances des composants! Ce qui nous fait préférer un réglage “de terrain” beaucoup plus sûr Voyez pour cela les procédures de réglage figures 5 à 11.

Figure 4a: Schéma d’implantation des composants de l’ampèremètre à LED. Faites en sorte —avant de les souder— que toutes les LED plates DLI à DLIO soient au même niveau et qu’elles affleurent bien à la surface de la face avant du boîtier.

Figure 4b-I: Dessin, à l’échelle I, du circuit imprimé double face à trous métallisés de l’ampèremètre à LED, côté soudures.

Figure 4b-2: Dessin, à l’échelle I, du circuit imprimé double face à trous métallisés de l’ampèremètre à LED, côté composants.

Figure 4c: Photo d’un des prototypes de la platine de l’ampèremètre à LED.