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Mesure de micro courants impulsionnels

Maj : 22/06/19

Introduction à la mesure de courants continus très faibles

La mesure de très faibles courants sur des dispositifs modernes alimentés par piles (ou par une seule pile) s’avère plus compliquée qu’il n’y paraît. Il y a deux raisons principales.

Première raison : Impulsions

Le courant est souvent impulsionnel, le dispositif ne consomme quasiment rien pendant la majorité du temps et ne se réveille qu’une fraction de seconde pour un gros pic de consommation. Les dispositifs classiques qui intègrent le signal ne voient rien passer.
Avec un dispositif analogique, un petit frémissement de l'aiguille peut être perceptible, mais avec un affichage logique, rien ne sera mesurable.

Deuxième raison : Impédance

Les courants étant très faibles, le calibre de l’ampèremètre devra être très faible et donc son impédance série sera très élevée. En l’intercalant dans le circuit de la pile, l’impédance sera beaucoup trop forte et le dispositif ne fonctionnera plus du tout, comme si la pile était complétement à plat.

Il faudra donc prendre quelques précautions pour réaliser ce genre de mesures.

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Exemple pratique : Transmetteur de température radio

Intéressons-nous à une petite centrale météo (vendue une vingtaine d’Euros) avec transmetteur de température externe autour de 433,765 MHz.
D’origine, le bloc radio émetteur est alimenté par deux petites piles R3 (AAA size) qui durent environ un an.
Si l’émetteur est placé dans un endroit peu accessible et scellé dans un compartiment étanche (exemple sous un véhicule), il faudra en augmenter l’autonomie afin de diminuer la maintenance.
Il faut avoir une idée du courant moyen consommé par notre dispositif émetteur.

Mesure des courants

Nous constatons que l’émetteur envoie une trame de durée d’environ une seconde toutes les deux minutes et un flash sur une led rouge.
Un examen à l’analyseur de spectre de (zéro span) et à l’oscilloscope enregistreur, nous indique que cette trame est constituée par trois paquets de données.
L’idée de la mesure est de savoir quelle est l’énergie consommée par l’émission radio et celle consommée par la led afin de savoir s’il est utile ou non de couper la led pour augmenter sensiblement l’autonomie.
Comme les consommations sont impulsionnelles, la mesure s’avère relativement complexe.

centrale

 

Commençons par estimer les ordres de grandeur

D’origine les piles de 500 mAh durent environ un an, avec une tension moyenne de 1.4 V.
Dans une année, il y a 365*24 heures, donc 500 mAh fourniront sur un an un courant moyen de 500/ (365*24) = 0.05 mA = 50 µA (en tenant compte de l’auto dégradation)

Sur la période des deux minutes, la consommation est quasi nulle, sauf pendant la seconde que dure l’émission.
Donc pendant cette seconde d’émission, le pic de consommation sera de 120 fois de la valeur moyenne soit 0.05*120 = 6 mA.

Comme nous l’avons vu en introduction, un milliampèremètre en série n’indiquera rien car l’émetteur ne fonctionnera plus du tout. Il n’existe pas de solution simple pour mesurer une impulsion de courant brève de si faible intensité.
Regardons comment faire cela avec un oscilloscope et une simple résistance série sur l’alimentation.
Nous pouvons repérer facilement un pic de 100 mV. En dessous, il y aura des problèmes de bruit, au-dessus la chute sera trop importante.
La résistance série sera donc environ de R=V/I = 0.1/0.006 = 1000/60  = 17 ohms.
Nous pouvons mesurer correctement la durée et l’intervalle des pics, mais cette résistance parasite perturberait trop le fonctionnement du dispositif impulsionnel.
Une vraie mesure précise du courant moyen doit se faire différemment avec une source de tension à faible impédance pour simuler les piles.

Méthode du réservoir

Le principe est simple, il faut utiliser un gros condensateur électrolytique de qualité qui servira de réservoir à tension quasi constante. Ce gros condensateur sera relié à une alimentation de laboratoire par une résistance série.
Cela sera équivalent à une pile en bon état (à très faible impédance).
° Si la résistance est trop forte ou le condensateur trop faible, un petit trou de tension sera visible à l’oscilloscope sur le condensateur lors du pic de courant et la mesure sera fausse.
° Si la résistance est trop faible, la mesure de tension ne sera pas réalisable car la chute de tension sur la résistance sera trop faible.
Il faut trouver le bon compromis pour que les pics de courant soient à peine perceptibles en tension à l’oscilloscope sur la résistance, la tension de l’alimentation étant supérieure d’une centaine de millivolts à la tension de service de la mesure (exemple : Alimentation 1.5 V pour la tension de fonctionnement de 1.4 V).
Une fois l’équilibre trouvé, il suffira de mesurer avec un voltmètre de précision la chute de tension sur la résistance (environ 100 mV),et donc déduire le courant lissé qui sera la moyenne réaliste.

Mesure préalable de la fuite du condensateur

Il faut tenir compte du courant de fuite du condensateur qui est souvent supérieur au courant du dispositif à mesurer. Cela se fait en débranchant le dispositif et en mesurant la tension correspondante sur la résistance pour maintenir la même tension constante.

Mesure du courant réel

Le courant moyen exact consommé par le dispositif est donc de : courant total - courant de fuite :
I = ((V condensateur + charge) – (V  condensateur seul)) / R série
La mesure du dispositif cité en exemple s’avère bien de l’ordre des 50µA en moyenne

Une fois le courant déterminé, il faut maintenant estimer l’autonomie en fonction du type de piles.

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Autonomie des piles

Le montage d'origine utilise deux piles internes AAA (R3).

Les alcalines de bonne qualité ont une faible autodécharge, ce qui n’est pas le cas de celles des publicités agressives avec lapins et tambours qui mettent leur énergie dans la publicité mais pas dans la pile. Nous pouvons espérer environ 500 mAh (pour des NiMh, ce sera moins car la tension tombe très vite).

Cette capacité représente le maximum d’énergie que l’on peut tirer de la pile à courant faible sur une dizaine d’heures.
Cela ne veut absolument pas dire que la pile fournirait 500 mA pendant une heure, avec ce fort courant, elle se détruirait beaucoup plus rapidement.
Il est raisonnable d’estimer que ces 500 mAh peuvent fournir 50 mA pendant 10 heures.

Courant sur un an

Peut-on extrapoler d’un facteur 1000 sur un temps très long et un courant très faible ?
Cela ferait 50 µA pendant dix mille heures, soit un peu plus d’un an, ce qui est raisonnable (365*24=8760).

Courant sur dix ans

Pour un courant encore dix fois plus faible, de 5 µA, l’extrapolation vers dix ans d’utilisation ne tient plus car le courant d’autodécharge détruira la pile bien avant.
Seules certaines piles à base de Lithium sont spécifiquement conçues pour des durées de dix ans, mais pour des courants plus faibles, bien inférieurs au µA, comme par exemple le maintien de mémoires CMOS.
Il ne faudra donc pas espérer plus de quelques années d'autonomie à courant quasi nul sur une bonne pile.

Augmenter la capacité des piles

Remplacer les piles internes AAA (capacité R3 : environ 500 mAh) par des AA externes (capacité R6 : environ 2000 mAh).
On en déduit intuitivement que l’autonomie sera environ 4 fois plus grande, soit 4 ans.
En pratique, le gain sera très sensible pour des courants forts mais moindre en faible courant à cause de l'autodécharge.

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Répartition des consommations

 Pour déterminer la part d’énergie du flash de la led et celle de l’émission, il ne peut être fait de mesure directe, la connaissance de la tension et de la durée de flash n’étant pas très utile car il faudrait connaître le comportement impulsionnel de la led.
Il n’a donc qu’une seule méthode, mesurer la consommation totale come décrit, puis couper la led et refaire la mesure. Si l’écart est significatif, la supprimer sans hésiter.

En pratique la consommation de la led pendant le flash n’est pas négligeable et sa suppression augmentera sensiblement l’autonomie.

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© Christian Couderc 1999-2019     Toute reproduction interdite sans mon autorisation


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