Wattmètre précis et sensible

[Tropique]

Hello,

Je vais vous présenter un wattmètre spécifiquement destiné à la mesure "fine" d'appareils de faible puissance.
On se préoccupe de plus en plus d'écologie, d'économie d'énergie, et on conseille d'évaluer la consommation de tous les appareils branchés au réseau, particulièrement ceux qui le sont 24h/24, comme les chargeurs de brosse à dents ou de GSM p.ex.
On trouve maintenant de petits boitiers qui permettent de mesurer la consommation, et bien d'autres choses.
Exemple:
http://www.p3international.com/produ.../P4400-CE.html


Problème:

Ces instruments ont une résolution de 1W; or pas mal d'appareils ont une consommation en stand-by de cet ordre, voire moins: le but des règlements actuels est d'arriver sous le watt, et la prochaine étape, déjà implémentée par certains fabricants, est de consommer moins de 100mW.
Une mesure valable est donc apparemment impossible. On pourrait imaginer se baser sur la fonction cumulative et laisser l'appareil branché suffisamment longtemps: si un appareil consomme 0.9W, on le laisserait branché 10h, et on devrait lire 9Wh. Vraiment?
Non, pas de chance non plus, l'intégration ne se fait pas à la manière d'un compteur mécanique, et ce qui est sous la résolution est perdu définitivement.
Une solution serait de remplacer le shunt interne par des valeurs 10, 100 et 1000X plus élevées. C'est faisable, mais il est assez délicat d'intervenir sur le boitier existant, et la commutation de shunts est délicate, en particulier à 10A.
En outre, il y a d'autres difficultés.
Les appareils ayant une puissance de quelques dizaines de watts ou plus ont généralement un facteur de puissance décent: il est rare de descendre sous 0.5.
Pour les petites puissances, c'est tout le contraire: il n'y a pas de restriction règlementaire, et des PF de moins de 0.1 ne sont pas des exceptions.
Il y a plusieurs raisons à celà: en électricité traditionnelle, les petits transfos ont un courant magnétisant catastrophique, et les petits moteurs, synchrones ou asynchrones ne valent guère mieux.
Mais c'est surtout au niveau des alims électroniques que se rencontrent des extrêmes: une alim à condensateur peut avoir un PF de 0.05; une petite alim à découpage sans PFC fonctionne avec un redresseur de crête dont le PF pourra descendre à 0.2 ou moins: pour améliorer le rendement, les éléments résistifs sont réduits au minimum.
En plus, on remet à la mode un type d'alim éxécrable: il s'agit d'une sorte d'échantillonneur-bloqueur de puissance qui se connecte au secteur pendant quelques dizaines de µs, près du passage à 0, pour extraire une alimentation basse tension (non-isolée, bien sur).
La mesure valable de telles alims exige des performances exceptionnelles, en termes de linéarité notamment.
En plus, avec des convertisseurs A/D d'usage général, d'une douzaine de bits clockés à quelques KHz, il est impossible de capturer correctement les impulsions de courant, et la résolution en tension est amputée de 4 à 5 bits.

La solution?
Il faut un multiplieur suffisamment rapide, et extrèmement linéaire dans toute sa dynamique. C'est le circuit que je propose ici. Pourquoi réinventer un circuit multiplieur? Après tout, la fonction n'est pas une nouveauté, et de nombreuses solutions, certaines très élégantes, ont déjà été proposées, par Bob Pease et Stephen Woodward p.ex., or l'expérience montre que c'est rarement une bonne idée de réinventer la roue, fût-elle plus ronde.
En fait, ce n'est pas de cela qu'il s'agit, mais plutot d'un retour aux sources.
Les exemples mentionnés permettent de faire des circuits très simples, grâce à diverses astuces: compensation de coéfficient de T° par un shunt en Cu, mesure en simple alternance, utilisation d'optocoupleurs comme éléments de calcul.
Par contre, il pêchent par leur précision, leur linéarité, et leur compensation en T° n'est pas idéale.
La solution passe par un vrai multiplieur, stable, linéaire et précis; des circuits existent: des ADXYZ ou des MPY123, mais ces ICs, en plus d'être difficiles à se procurer coûtent la peau des b****s, quand ce n'est pas la peau des c******s.
J'ai donc conçu un circuit à base de composants courants permettant de réaliser cette fonction.
Voici déjà le schéma et deux photos, à bientôt pour la description.....
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[jiherve]

Bonsoir
Bravo Tropique!
C'est joli et élégant.
Réalisation mécanique astucieuse
JR

[Tropique]

Nous allons entrer dans le vif du sujet, mais voyons d'abord les précautions d'usage:

La totalité du circuit est reliée au secteur. Il doit donc être soigneusement enfermé dans un boitier isolant, fermé, et les accessoires apparaissant à l'extérieur, comme l'axe du sélecteur de fonction, doivent également être isolants.
Il ne faut pas travailler sur le circuit lorsqu'il est sous tension. C'est de toutes façons inutile, la mise au point et les réglages peuvent se faire hors tension, avec une alim de labo et un multimètre. Cet aspect sera décrit en détails plus loin, personne n'a donc d'excuses pour prendre des risques.
Le condensateur C3 est un modèle de sécurité, de type X, prévu pour être branché sur le secteur. Il ne faut pas lui substituer un modèle ordinaire.

Voyons le fonctionnement du circuit.

Il s'agit essentiellement d'un multiplieur, construit autour de U1: il effectue le produit instantané du courant et de la tension, et la valeur moyenne de sa sortie reflète la puissance active mesurée.
Le circuit choisi, un MC1496, est courant et bon marché: c'est un double modulateur équilibré (DBM) utilisé notamment en télécommunication. C'est un circuit très primaire: en plus des 6 transistors de base de la fonction, il y a des sources de courant et c'est tout. Cela signifie que les entrées ne sont normalisées ni en niveau de référence, ni en amplitude; la circuiterie qu'il y a autour va donc se charger de ces fonctions, et va également linéariser le circuit.
Cet aspect est très important pour mesurer des facteurs de puissance très bas, fréquents dans les alims de faible puissance.
Le DBM est basé sur des amplis différentiels, qui possédent une non-linéarité intrinsèque, provenant des propriétés des jonctions semiconductrices. Pour les applications classiques de cet IC, ces non-linéarités sont sans importance: après un modulateur ou un mélangeur, il y a toujours des filtres qui éliminent les harmoniques indésirables, et aucun effort de linéarisation n'a été incorporé dans le circuit.
Ici, la linéarité est primordiale, et ces défauts vont être éliminés.
Voyons d'abord la voie "courant".
Elle est traitée par la partie inférieure du modulateur, appelée "signal" dans la terminologie de cet IC. Le signal entre sur les bases de transistors, S+ et S-, qui les convertissent en courant avec une transconductance fixée par R3, placée entre les émetteurs. Ici, l'entrée S- est fixée par un diviseur et l'entrée S+ est attaquée par un AOP. Celui-ci sert d'élément actif à un pont composé de R7,R8, R10,R11, qui compare la tension aux bornes du shunt courant, à la tension apparaissant réellement aux bornes des émetteurs, 2G et 3G. De cette manière, les transistors sont incorporés dans la contre-réaction de l'AOP, et leurs imperfections sont éliminées. Le signe des entrées a été choisi de façon à ce que les résistances du pont ne perturbent pas la balance de la résistance R3, les courants générés sont parfaitement complémentaires.
L'ajustable "zero I", sur une des branches du pont, permet de rattrapper toutes les erreurs d'offset de l'AOP et de tolérances des résistances.
Le fonctionnement en boucle fermée de la voie courant permet une compensation parfaite, ce qui est important car le courant varie non seulement entre +Imax et -Imax à 50Hz, mais Imax lui-même varie entre 0 et le maximum, en fonction de la charge mesurée. Cette perfection n'est donc pas un luxe.

Dans la suite, nous verrons quelle stratégie a été adoptée sur la voie "tension", vu qu'une telle compensation n'est pas possible.
En attendant, voici quelques images supplémentaires....
A bientot

[Tropique]

Voyons la voie "tension":

La tension secteur est échantillonnée par les résistances R16, R30,31. Pourquoi trois résistances?
Pour des raisons de sécurité d'abord, il s'agit de résistances de précision ayant une tenue en tension assez faible; pour la linéarité ensuite: avec des tensions basses, le coéfficient de tension est totalement négligeable; et pour minimiser l'effet capacitif enfin: il ne s'agit pas d'introduire un déphasage indésirable qui fausserait la mesure (dans des conditions extrêmes, il est vrai, mais il faut mériter le qualificatif "de précision").
Cette tension est appliquée aux étages supérieurs du modulateur (entrées "carrier" dans la terminologie de ce circuit). Cet étage doit également être linéarisé, d'autant plus que, contrairement à l'étage inférieur, il n'y a pas de résistances de dégénération prévues dans les émetteurs. Ici la méthode de compensation devra être totalement différente: non seulement les émetteurs ne sont pas accessibles, mais même s'ils l'étaient, il ne serait pas question de les linéariser comme pour le courant: la non-linéarité est essentielle au processus de multiplication, et si on la supprime, on détruit également la fonction.
Malheureusement, la non-linéarité des jonctions est de type exponentiel/logarithmique, et non quadratique, qui aurait permis d'avoir à la fois la multiplication et la linéarité.
Avec une caractéristique exponentielle, la fonction de transfert n'est plus linéaire, mais en forme de tangente hyperbolique. Pour des excursions limitées, cette fonction peut passer pour linéaire, mais lorsque la dynamique est importante, des déviations sérieuses apparaissent.
Ici, la compensation est basée sur les principes de la théorie translinéaire. Je ne vais pas entrer dans les détails, ceux qui veulent approfondir peuvent faire des recherches sur "translinear" et "Barrie Gilbert".
En résumé, on crée une distorsion exactement opposée à celle introduite par les amplis différentiels, et on réalise simultanément une compensation en T°, exacte puisqu'on compense du Si avec du Si, et non avec une thermistance ou un shunt en cuivre.
L'étage translinéaire utilise un transistor double, Q1/Q2 mais il est réalisé de façon non-conventionnelle: normalement, ce type de circuit est associé à des sources de courant mais il faut dire que ces étages font généralement partie d'un IC, dans lequel il est facile de créer des sources de courant. Ici, la version discrète a été adaptée pour fonctionner avec un AOP, puisque ce sont les éléments actifs disponibles. Cependant, même si son apparence est différente, ce circuit fonctionne exactement comme la version traditionelle.
Le courant dans Q1/Q2 a été choisi expérimentalement pour compenser exactement la non-linéarité du 1496. Bien qu'il s'agisse d'une compensation en boucle ouverte, la précision est suffisante pour garder la déviation à +/- 1 point de mesure entre zéro et le maximum.
L'ajustable "Zero U" permet de rattraper les erreurs d'offset du 1496, du BFY81 et les tolérances des résistances.

L'alimentation.
C'est une alim capacitive très classique; ce qui l'est moins est la régulation shunt qui la suit: au lieu d'une classique diode zener, c'est l'AOP lui-même qui joue ce rôle, rendu possible grâce à R17. Le ballast est constitué de R22 et de la réactance de C3.
Cette disposition inhabituelle permet de disposer d'un 24V extrêmement stable pour alimenter les circuits. La référence primaire est un modèle "band-gap" de 2.5V très classique, de type LT1004 p.ex.

La sortie
La sortie du modulateur est sous la forme de courants complémentaires, disponibles aux sorties O+/O-. Ces courants sont convertis en tensions par les résistances R1 et R2. Pour la mesure proprement dite, une méthode assez radicale a été adoptée: la sortie (-), bufferisée par un AOP attaque directement la masse du module millivolmètre; celui-ci est donc complètement flottant. C'est une variante basée sur la méthode que j'ai décrite dans le post sur le 7106. la sortie (+) est appliquée à l'entrée du module, avec éventuellement un facteur de 1/10 en fonction de la gamme.
Il y a aussi une possibilité de commuter un condensateur, C6, qui mérite une petite explication:
Certains appareils, principalement des chargeurs, mais d'autres aussi, ont un fonctionnement intermittent: une ou deux fois par seconde, le circuit s'active le temps nécéssaire pour fournir la puissance et puis revient au repos. Si l'on tente de mesurer ce genre d'appareil, on aura un défilement incessant des digits, totalement inexploitable. Quand C6 est en circuit, il introduit une constante de temps de près de 10s qui permet d'avoir des mesures stables dans ces cas aussi.
Ce filtrage peut avoir une utilité dans d'autres circonstances: dans les zones résidentielles, le matin et le soir, il y a sans arrêt de petites fluctuations de tension, dues à la mise en- et hors-service de toasters, séche-cheveux et autres percolateurs. Au niveau puissance, ces fluctuations sont souvent amplifiées par beaucoup de charges (mises au carré), et causent une instabilité de l'affichage. Le filtrage élimine cet effet; 330µF est sans doute un peu large pour cette fonction, ce pourrait être réduit pour accélérer le temps de stabilisation.

A suivre....

[A voir en vidéo sur Futura]

[Tropique]

Examinons maintenant le shunt:

Il est composé d'une partie fixe: R18, et d'une autre commutée: R23, R24.
Initialement j'avais prévu d'implémenter trois gammes: 2, 20 et 200W, puisque j'avais déjà un boitier pour 2KW. Et puis lorsque j'ai réfléchi à la réalisation mécanique, j'ai décidé de baser le système sur une rallonge à prises multiple. A partir de ce moment, l'ajout de la gamme 2KW pouvait être considéré comme quasiment gratuit: il suffisait de réserver une des prises à ce calibre et d'ajouter un shunt permanent, ce que j'ai fait.
Les valeurs sont prévues pour donner des multiples de 3.3 milliohm: 0.33 ohm et 3.3 ohm, ce qui explique les valeurs biscornues de R23 et R24.
En fait, il n'est pas nécéssaire de respecter précisément ces valeurs: ce qui compte sont les rapports de ces valeurs: 10, 100 et 1000. C'est important pour que les calibres "s'emboitent bien".
La partie basse puissance du shunt est protégée par des diodes de puissance tête-bêche. C'est utile non seulement en cas de fausse manoeuvre, mais aussi quand on veut tester des appareils dont la puissance en stand-by est minuscule par rapport à la puissance maxi: exemple typique, le four à µondes, dont l'horloge consomme un ou deux watts, mais qui peut monter à plus d'un kilowatt dans certaines phases de fonctionnement. Ici, même avec la résolution de 1mW, la protection est assurée pour près de 1.5KW en permanent, et nettement plus pour quelques secondes. Le shunt forte puissance n'est pas inclus dans la protection, c'est une tige de 1cm d'alliage résistif, et il est plus robuste que les diodes.
La présence des diodes permet aussi de changer de calibre en charge.

Choix des composants:

A priori, toutes les résistances doivent être au moins des métal-film 1%. C'est vrai que pour une ou deux, des simples carbone suffiraient, mais il est inutile de faire dans le détail. Même des résistances n'intervenant pas directement dans la mesure ont un effet indirect sur la stabilité des polarisation p.ex., il vaut donc mieux opter pour la qualité.
Pour les résistances "critiques", R1, R2, R26, R27, R16, etc, il vaut mieux aller plus loin et prendre des modèles 0.1%, 40ppm/°C ou mieux si on en a les moyens.
Les résistances en paires ou en quadruplets doivent venir du même lot et seront avantageusement prétriées pour être appariées: R13, R14 R10, R11, R8, R7, etc. Cela permettra éventuellement de réduire la valeur des ajustables, et donc d'améliorer la stabilité.
Rien de tout cela n'est indispensable (je ne l'ai pas fait), mais c'est utile si l'on souhaite un instrument de classe supérieure.
R20 peut être créée en mettant une 82K en série avec une 3.9K.
La référence D6 peut être n'importe quel modèle fonctionnant à partir de 250µA ou moins.
Le transistor double risque de causer des soucis à certains: bien que le BFY81 soit un des plus courants, il risque d'être parfois difficilement disponible ou coûteux (sans vraie bonne raison). En principe, n'importe quel modèle pourrait être utilisé, mais je ne pourrais pas garantir que le courant de polarisation sera optimum dans tous les cas. Il y a de nombreux modèles sur le marché dont pas mal meilleurs que le BFY: citons le LM394 ou la série des MAT0xx. On peut aussi se rabattre sur des "arrays": exemple typique, le CA3046.
Si la géométrie diffère trop du BFY, il faudra retoucher les valeurs de R12, R13, R14 pour retrouver une linéarité correcte. On pourrait même en désespoir de cause les apparier soi-même: si on utilise des PNP en boitier métal, on pourra souder les boitiers ensemble pour un bon tracking thermique. A n'utiliser qu'en dernier recours.
Le MC1496 se passe de commentaires, il devrait être facilement disponible. La numérotation s'applique au modèle DIL.
On pourrait, si on veut des performances encore meilleures, le "reconstruire" à partir de transistors dans des arrays: de cette façon on pourrait prendre le même type pour Q1/Q2, avec l'avantage d'une compensation encore plus précise.
Les ajustables doivent être des cermets multitours de bonne qualité.
Comme AOP, on pourrait choisir un modèle plus "luxueux" que le démocratique LM324 . Il y a de nombreuses références en quadruple, mais il faudra s'assurer qu'il accepte de fonctionner en U7, et qu'il puisse descendre jusqu'à +1V en mode commun d'entrée pour U6. On pourrait aussi mettre des "singles", comme le OP77.
Le condensateur C6 doit être un tantale.
Le sélecteur de calibre doit être en matériau isolant, et doit pouvoir supporter 1A en permanence et 3A en surcharge.
Et bien sûr, comme indiqué au début, C3 doit un un modèle X, prévu pour 250V en alternatif.
R25 doit être une résistance haute tension, ou doit faire au moins 0.5W, ou doit être scindée.

A bientôt pour les notes de construction et de réglage....

[Tropique]

Chacun est bien entendu libre de choisir l'implémentation qu'il souhaite.
Je vais donc essentiellement passer en revue les points à surveiller lors de la construction.

Pour ceux qui choisiraient de dupliquer ma réalisation, un petit conseil:
Choisir une prise multiple bien adaptée à cet usage. Personnellement, j'ai pris la première qui m'est tombée sous la main, et je l'ai regretté: pour commencer, ça a été un cauchemar pour l'ouvrir. Elle était évidemment équipée de vis "inviolables", qui normalement ne me causent aucun problème, mais ici, même si ça avaient été des têtes standard, ça aurait été aussi difficile, tellement elles étaient de mauvaise qualité et déteriorées par le serrage.
Ensuite pour modifier le cablage interne sans la sinistrer totalement, j'ai du déployer des trésors d'ingéniosité. A bon entendeur...

Le circuit, qu'on en fasse un PCB ou qu'on le réalise comme moi sur une plaque à trous, doit être traité comme un circuit "sensible", genre montage audio. Il faut donc bien séparer, comme sur le schéma, la partie puissance de la partie traitement. En particulier, la piste "Live" qui vient alimenter le circuit doit rester limitée, et ne doit surtout pas se balader près des amplis ou du modulateur.
Il est également pratiquement indispensable de blinder la plus grande partie du circuit: j'ai utilisé des morceaux de circuits imprimé vierge, voir les photos.
Pour le blindage côté composants, j'ai utilisé de la tôle de laiton, insérée sur le transistor double. cela permet un blindage électrique en même temps qu'une égalisation des températures des composants, surtout entre le transistor et le modulateur, puisqu'il le compense en T°. Il faut garder à l'esprit qu'un écart de 1° entre les deux causera une erreur d'échelle de 0.3%.
Cela dit, pas de panique, dans un boitier fermé, sans courant d'air, et sans composant à dissipation importante, il n'est pas difficile de garder l'écart à une fraction de degré.
Pour cette raison aussi, les shunts, qui dissipent un peu plus, sont montés à l'écart du circuit principal: soit dans la prise, soit sur le sélecteur de calibre.
A propos des shunts:
Ils sont réalisés avec des résistances de faible ou moyenne puissance mises en //, plutot qu'avec une résistance bobinée: cela peut paraitre bizarre, mais même à 50Hz, les 2µH d'une résistance de 0.33ohm peuvent causer des problèmes: non pas avec des facteurs de puissance proches de 1, mais sur des charges fortement réactives. Si l'on mesure une alim capacitive ayant un PF de 0.05, la petite avance de phase supplémentaire causée par l'inductance parasite suffira à faire baisser la puissance active lue d'une dizaine de %.
Les shunts devront être ajustés précisément pour avoir des rapports en puissance de 10; dans un premier temps, on se contente d'une valeur approchée, un peu trop élevée: exemple, pour la 0.327 ohm, on met trois résistances de 1 ohm en //. par la suite on montera une résistance d'appoint si nécéssaire.
Pour le shunt de 3.3 milliohm, on va viser la valeur exacte, en coupant la longueur théorique nécéssaire de ruban ou barre à shunt: c'est lui qu'on utilisera comme référence pour ajuster les autres.
Le cablage devra être réalisé soigneusement, pratiquement en copiant le schéma théorique: prendre le neutre vers la partie traitement et le pied des autres shunts aux bornes de R18; il faut soigneusement éviter toute boucle de masse.
Attention, certains modules voltmètre ont une résistance de 1M prémontée en // avec l'entrée (c'est le cas de celui que j'ai utilisé). Celle-ci doit être ôtée pour un fonctionnement normal.

A suivre....

[Tropique]

Pour faire les réglages dans de bonnes conditions, il va falloir construire un petit accessoire: voir image "Test jig".

Il s'agit d'une source de tension, réglable par un potentiomètre, et d'une source de courant, utilisant une alim de labo 0 à 30V 1A et une résistance qui permettra de fixer le courant.
Accessoirement, cet alim génère aussi la tension nécéssaire aux circuits du wattmètre, injectée par le point test "Test +32". Au préalable, court-circuiter ou enlever la LED pour ne pas l'endommager.
De cette façon, le circuit peut fonctionner sans aucune connection au secteur.
Il faut connecter cet accessoire aux points "normaux", et pas directement sur le circuit: live et neutral sur la fiche secteur, et la connection "shunt" vers la prise de sortie. C'est important pour ne pas fausser la calibration avec les chutes de tension dans les cables.
Dans un premier temps, régler la tension à 0 et ne pas mettre R: on peut s'assurer que la tension régulée interne (après R22) est aux environs de 24V.
Vérifier que le circuit régule normalement en mesurant (par rapport au neutre) la tension de sortie de U7: elle ne doit être ni en butée haute ni en butée basse. A ce stade, le voltmètre LCD doit également fonctionner et afficher une valeur quelconque.

Lorsque toutes ces vérifications sont faites, on peut ajuster "zero P" pour amener la lecture à 000 (calibre indifférent).
Ensuite, on peut s'assurer que le circuit multiplie bien: on applique une tension, p.ex. 150V, et un courant, p.ex. 90mA avec une résistance de 330ohm, et on vérifie que sur le calibre 20W, on lit une valeur normale: entre 10 et 15W p.ex..

On peut alors entamer la procédure de réglage proprement dite.
Réglage des zeros:
Enlever R et régler U à 230V; régler "zero I" pour ramener la lecture à 0.
Régler U à 0, et mettre R à 330ohm (calibre 20W); régler "zero U" pour ramener la lecture à 0.
Enlever R, et retoucher "zero P" si nécéssaire.
Refaire la procédure deux ou trois fois jusqu'à ce que tout reste stable, à 0 dans les trois conditions (il y a une faible interaction des réglages les une sur les autres).
Réglage du calibre 2KW:
Régler U à 230V; injecter 900mA dans la prise 2kW via une 33ohm et un ampèremètre (si on ne dispose que d'un multimètre, remplacer le voltmètre par une résistance de 10M). Régler l'ajustable du module voltmètre pour lire la valeur de puissance 230 X Imesuré.
Remarques:
- réglages à faire quand le secteur ne fluctue pas
- si on a les moyens d'injecter plus de 900mA, c'est préférable, la précision sera meilleure.
- si le module n'est pas réglable, on peut rendre R3 partiellement variable
Réglage du calibre 20/200W:
Injecter 90mA dans la prise 2-200W; régler U à 200V. Dans le calibre 20W, ajouter une résistance d'appoint sur R23 pour lire la puissance correcte. Si R26 et R27 sont correctes, le calibre 200W le sera aussi.
Réglage du calibre 2W:
Avec U à 200V, injecter 9mA (avec une 3K3) dans la prise 2-200W. Faire l'appoint sur R24 pour lire la puissance correcte.

Voilà, en principe c'est tout, j'aurai juste encore quelques remarques à faire.

[Tropique]

Pour terminer, voici encore quelques infos supplémentaires.

Sur mon prototype, il y a un petit défaut: à la mise sous tension, le zéro est décalé de 5 à 6 points, et met quelques minutes à se stabiliser à zéro. C'est une irritation mineure, et je n'ai pas particulièrement tenté d'y remédier.
J'ai une idée assez précise de la raison de ce décalage: les résistances R1 et R2 de sortie du multiplieur sont soumises à une ddp importante, environ 6V et c'est la différence entre ces deux tensions qui est affichée par le voltmètre, directement dans les gammes 2 et 20W. Il suffit donc de 0.1mV de différence pour décaler l'affichage d'un point, et 0.1mV c'est peu par rapport à 6V: 1/60000 ème exactement. Si la valeur des résistances ou de l'ajustable change dans cette proportion, cela causera le décalage. J'ai utilisé des résistances metal-film de base, à 200ppm/°C, et je ne les ai pas appariées, il y a donc une asymétrie non négligeable au niveau de l'ajustable. Tout cela, combiné aux petits gradients de T° causés par des dissipations de quelques mW à gauche et à droite suffit à expliquer cette "mise en chauffe".
Conclusion, faites ce que je dis, et non ce que je fais!

Il faut aussi être conscient d'une petite limitation, causée par les diodes de protection: dans la gamme 200W, le courant de crête dans le shunt vaut 1.23A, ce qui cause une ddp de 400mV pour un facteur de puissance unitaire.
Si ce facteur est plus bas, on va s'approcher des 600-700mV fatidiques, et les diodes vont commencer à conduire, faussant la mesure.
Les remèdes sont simples: on peut p.ex. enlever les diodes de protection, mais c'est fort radical, et on se retrouve à la merci de la moindre fausse manoeuvre, encore qu'on puisse mettre deux fusibles sur le sélecteur.
On peut aussi opter pour une solution plus raisonnable: mettre 4 diodes au lieu de deux: un gros pont redresseur court-circuité p.ex.
L'inconvénient, c'est que la puissance dissipée par les résistances du shunt en cas de surcharge permanente sera 4 fois plus élevée; il faudra donc les dimensionner en conséquence. C'est pourquoi je n'ai pas choisi cette voie, avec aussi deux autres bonnes raisons: si on soupçonne un PF faible et qu'on est proche de 200W, on peut faire la mesure dans la gamme 2KW.
En plus, les charges de cette puissance ont généralement un PF acceptable, contrairement aux appareils de très faibles puissance. L'utilisation d'un PFC est d'ailleurs obligatoire à partir de 75W.

Si certains ont examiné de façon détaillée le schéma, ils se seront peut-être demandés quel est le rôle de R25.
J'ai constaté, lors de la mise au point, que même avec l'offset courant parfaitement réglé, l'application de la tension seule suffisait à provoquer une variation de l'affichage. Il s'agit apparemment d'une "fuite" de la voie tension vers la voie courant, puisque le décalage est indépendant du signe de la tension appliquée. J'avoue n'avoir pas pu élucider la raison profonde de cette fuite: c'est vraisemblablement interne au 1496.
Il aurait été possible de se contenter de régler le zéro après coup, avec le circuit alimenté normalement et sans charge: comme le décalage est faible et que la tension ne varie que de +/-15% autour de 230V, cela aurait suffit à masquer le problème, mais j'ai préféré compenser "proprement", comme la variation était négative, j'ai compensé en positif par une petite charge.
Comme je ne connais pas la raison du décalage, il se peut qu'il ait une autre valeur dans certains exemplaires. Le diagnostic est simple: si après avoir suivi la procédure de réglage, on constate une modification du zéro lorsqu'il est réellement branché sur le secteur, cela veut dire que R25 doit être modifiée.
On peut aussi avec le "test jig" inverser la haute tension appliquée au potentiomètre: si le zéro change avec le signe de la tension appliquée, c'est que la compensation est inadéquate.

Tout ce qui précède ne concerne que des pouillèmes, mais il faut mériter l'appellation "de précision".

Voilà, à part ça c'est un appareil sans à-peu-près, sans concession, fonctionnant vraiment dans les quatre quadrants. Pour s'en convaincre, on peut faire une petite manip simple et amusante: on alimente l'appareil par sa sortie: voir photo self-test. (attention à ne pas toucher la fiche du wattmètre).
On peut ainsi voir quelle est sa consommation propre (enlever le signe - !).
De même, si on met une génératrice sur un vélo d'appartement, on pourra voir ce qu'on réinjecte dans le réseau!

Pour conclure, soyez conscients que c'est l'exemplaire 0 d'une série de 1.
Si j'en avais un autre à refaire, je choisirais des options un peu différentes: j'étais initialement parti pour un 2-200W, en n'utilisant qu'un seul shunt. J'ai été obligé de revoir mes choix, mais on pourrait faire mieux, particulièrement avec un shunt par gamme: la chute de tension serait 3X la plus faible (ou un tiers de la plus forte), et l'atténuateur du voltmètre serait fixe à 1/3.
Cela éliminerait la plupart des inconvénients évoqués. Comme ils sont mineurs, j'ai préféré m'en accommoder, mais si des candidats constructeurs veulent faire mieux, la voie leur est grand ouverte.
J'aurais pu décrire une version améliorée "virtuelle", mais c'est toujours un exercice risqué: l'imprévu surgit parfois des endroits les plus inattendus.
L'appareil présenté n'est peut-être pas parfait, mais il a été effectivement réalisé, et il fonctionne. Libre à ceux qui veulent de le modifier.
A+, pour d'autres aventures!....

[Tropique]

Il est possible, sans modification, de faire également des mesures au-delà de 2KW:
il suffit de brancher la charge dans la prise 2KW, et de choisir le calibre 200W. Avec cette combinaison, le calibre théorique devient 20KW. Evidemment, il ne s'agit pas d'aller jusque là: c'est juste de la "débrouille" pour pouvoir mesurer des charges un peu au-dessus de 2KW, et le point décimal sera placé au mauvais endroit, mais ça permet de se tirer d'affaire dans certains cas.
La puissance maximale dans ce mode sera déterminée par les capacités en courant du shunt et de la prise multiple utilisée: dans mon cas, 16A c.à.d. plus de 3.5KW.

Cet appareil a une fonction unique: wattmètre actif. C'est un choix délibéré de ma part, c'est la seule chose que l'on ne peut pas mesurer en utilisant de bons voltmètres et ampèremètres. Certains regrettent peut-être cette limitation et auraient également aimé avoir tension, courant, puissance apparente, etc.
Cela aurait été possible sans complication sérieuse, sauf qu'il aurait fallu multiplier les commutations internes, corvée à laquelle je n'ai pas voulu m'attaquer, puisque je n'en avais pas de réel besoin.
Si on veut inclure ces fonctions, le principe général est de redresser les signaux d'entrées et d'appliquer un niveau constant sur l'entrée opposée.
P.ex., pour mesurer la tension, , on met un doubleur de tension sur le secteur, dont on applique la sortie sur la chaine R16/R30/R31, dont on double la valeur.
Sur l'entrée courant, R7, on applique une tension constante, p.ex. 0.33V si le doubleur a un condensateur de sortie, et que l'on veut afficher la tension de crête. Ce principe permet de garder la configuration de sortie du voltmètre quelque soit la fonction choisie.
Ce n'est pas difficile, ça ne nécéssite pas beaucoup de matériel en plus, mais c'est fastidieux.

J'ai parlé au début d'un type d'alimentation qui reprend du poil de la bête. Voici un exemple d'un de ces "circuits de la mort", version Harris. Il y en a de pires, mais c'est déjà pas mal: voir en particulier les pointes de courant sur les oscillogrammes, et les précautions et avertissements:
http://www.selectronic.fr/includes_s.../HV3_2405E.pdf
Pour arriver à mesurer la puissance active absorbée par un tel engin, il faut un wattmètre qui soit vraiment à la hauteur.

Ne pas oublier, lors de la construction que tous les éléments de fixation traversant le boitier et proches de parties internes sous tension doivent être isolants: voir p.ex. photo watt-rear.

Fin (?)

[invite1c20f11a]

Bonjour Tropique,

Et mon tri, y as-tu pensé?
pont

[Tropique]

Bonjour Tropique,

Et mon tri, y as-tu pensé?
pont

Le triphasé?
Honnêtement non. Ca ne faisait pas partie des exigences de départ. Le but était de faire un instrument capable d'évaluer de façon précise la gourmandise de toutes les petites "sangsues" du quotidien, qui sont invariablement en monophasé, et présentent des challenges aux appareils disponibles dans le commerce.
Rien n'empêche de reprendre les mêmes principes pour du triphasé, mais je ne pense pas que le même genre de problème se pose: les niveaux de puissance sont plus élevés et les facteurs de puissance mieux controlés. Les solutions classiques devraient donc être suffisamment performantes.
Il est aussi possible de mixer les solutions classiques et celle-ci: faire la méthode des deux wattmètres avec deux appareils comme celui-ci p.ex.
Si tu as une application particulière à laquelle je n'ai pas pensé, on peut en discuter et voir s'il est possible de faire des adaptations.

[invite1c20f11a]

Bonjour Tropique,

Au fait, (hors sujet) Y a-t-il un rapport entre ton pseudo et ta situation géographique?

Je t'avouerai que je n'ai pas regardé à fond ta ralisation, j'ai vu qu'elle était magnifique et je me suis marré dans ton choix de vieux circuits intégrés que j'aime bien, ces deux et le LM339, on retrouve cela à toutes les sauces.

J'ai remarqué, depuis longtemps, que les transfos d'alim chauffaient. Pourquoi chauffent-ils? Leur rôle n'est pas de chauffer.
Et il m'est arrivé des aventures, par ex j'ai récupéré, au tas de ferraille, du matériel jeté par l'armée, dont une alimentation, bennée, donc inutilisable, pour pièces. Comme je voulais faire une alimentation de labo, à l'époque cela ne figurait pas sur Selectronic, j'ai vu qu'il y avait un transfo, marqué 20V, 7A, en boîte étanche abîmée. Et donc j'enlève la boîte, 2 surprises: de la poudre bizarre, glissante dans les doigts, c'en était plein à moitié, et le transfo, en tôles inox blanches très fines, jamais vu ça, on aurait presque dit du nickel pur. La découpe n'est pas américaine, il n'y a qu'une seule coupe, il faut déformer la tôle pour la passer dans la bobine. Enfin bon....Je vérifie qu'il est toujours bon, il me sort bien le 20V, et il est silencieux total. Tout parfait.

. .Donc je fabrique mon alim, avec mes méthodes, j'avais été appris par un ingénieur de chez Lambda (1er constructeur mondial d'alim) qui devait d'ailleurs devenir directeur technique, et j'utilisais des composants lambda, extra. Je fais mon alim, il y a forcément avec moi un bon coef de sécurité, je ne m'amuse pas avec des petits radiateurs à ailettes, et l'alim marche au poil, avec auto transfo variable en entrée, pour réduire au minimum la puissance sur les ballasts.

. .Et je fais les essais. Le transfo faisant 7A, je devais en tirer 7Ax2/3=5A, effectivement, j'en tire 5A, tout va bien. En essai une heure, à 5A je vois que le transfo reste froid, comme déconnecté! Mille dieux, pourtant il marche? Alors je poursuis les essais, pour voir à quelle intensité il va chauffer, et je suis monté à 20A en sortie, je n'ai pas insisté, le bobinage chauffait, la ferraille pas, je ne l'ai jamais vue chauffer par elle-même. J'en ai fait la démo à mon petit club d'électronique, les deux bornes Dyna de sortie étaient écartées de 12cm environ, j'ai mis un voltmètre numérique dans les trous de 4mm des bornes, tension réglée vers 19,80V pour bénéficier de la précision max. Ensuite j'ai attaché sous la borne de gauche, bien serré, un fil galvanisé de 1mm de diamètre, je l'ai tendu vers l'autre borne ouverte et rabattu et serré immédiatement, faisant en somme un court-circuit. La tension du voltmètre n'a pas bougé d'un centivolt, mais le pauvre fil de fer s'est mis à chauffer, à rougir, à vaporiser le zinc dans une grosse fumée, à se ramollir, pendre et finalement tomber en morceaux, et le voltmétre n'a pas bougé à la coupure. L'opération a duré quelques secondes. Comme j'ai expliqué:<une alimentation stabilisée ne doit pas bouger!>

. .A l'époque, Elektor sortait une super-alimentation stabilisé capable de donner au maximum 20V 1A, régulé à 1%, alors que j'étais à 1 pour 2000, au moins. Leur schéma était tellement mauvais qu'avec un de mes gars, en le retravaillant, et en supprimant du matériel, car ils avaient mis deux régulations successives, on avait multiplié par 100 la stabilité.

.Donc j'ai pu voir des transfos ne chauffant pas, et ceux qui chauffent c'est parce qu'ils sont mal calculés. et ton appareil est intéressant pour mesurer les pertes des transfos, seulement je me demande comment on peut assurer que le produit de la mutiplication d'une tension par un courant, puis par le "cos(a) donne la puissance active? Quand on regarde la tension secteur avec de bons diviseurs à résistances, compensés, on voit que ce n'est pas joli, qu'il y a plein d'harmoniques et d'autres fréquences et impulsions disparates, et suivant l'heure de la journée, cela change beaucoup de forme, soit trapézoïdale, soit triangulaire, bref comment définir un cosinus dans ces conditions? C'est ça que je ne comprends pas.

. . Et pourquoi ne pas faire traiter cela par un PIC? Après conformation des signaux (amplification calibrée) il y a des convertisseurs 14 ou 16 bits rapides, et ensuite on enfourne cela dans un PIC 16 bits, cela n'irait-il pas?

. .Dans un premier temps, tu ne gagnerais pas grand chose, mais ensuite par des fonctions adjacentes, tu pourrais calculer d'autres résultats, et mémoriser.

. Merci de ta réponse.
pont

[Tropique]

Bonjour Tropique,

Au fait, (hors sujet) Y a-t-il un rapport entre ton pseudo et ta situation géographique?

Non, pas vraiment.

J'ai remarqué, depuis longtemps, que les transfos d'alim chauffaient. Pourquoi chauffent-ils? Leur rôle n'est pas de chauffer.

Ils sont calculés au minimum, par raison d'économie: avec le nombre de spires du primaire, le noyau commence juste à saturer, et a donc des pertes assez élevées.

.Donc j'ai pu voir des transfos ne chauffant pas, et ceux qui chauffent c'est parce qu'ils sont mal calculés. et ton appareil est intéressant pour mesurer les pertes des transfos, seulement je me demande comment on peut assurer que le produit de la mutiplication d'une tension par un courant, puis par le "cos(a) donne la puissance active?

Il n'y a pas de cos qui intervient; le produit U*I est fait de manière instantanée, et ne dépend pas du fait que les formes d'ondes soient sinusoidales: en fait le circuit est également capable de calculer la puissance active réelle si la tension est continue, ou impulsionnelle ou autre, avec un courant également de forme quelconque, et même pas nécéssairement corrélée. D'ailleurs, la méthode de calibration que je donne est basée en DC.

Quand on regarde la tension secteur avec de bons diviseurs à résistances, compensés, on voit que ce n'est pas joli, qu'il y a plein d'harmoniques et d'autres fréquences et impulsions disparates, et suivant l'heure de la journée, cela change beaucoup de forme, soit trapézoïdale, soit triangulaire, bref comment définir un cosinus dans ces conditions? C'est ça que je ne comprends pas

C'est précisément pour ça que cette méthode a été adoptée, et surtout également parce que le courant peut être encore bien plus distordu: p.ex. un gradateur réglé à 10% du maximum.

. . Et pourquoi ne pas faire traiter cela par un PIC? Après conformation des signaux (amplification calibrée) il y a des convertisseurs 14 ou 16 bits rapides, et ensuite on enfourne cela dans un PIC 16 bits, cela n'irait-il pas?

C'est possible, c'est la méthode employée par les wattmètres du commerce, mais pour avoir une bonne précision avec de faibles facteurs de puissance et des formes de courant "difficiles", il faut travailler en 16bits et plusieurs dizaines de KHz, sinon, on a le problème commun à tous ces appareils bon marché, dont la dynamique en amplitude et la résolution temporelle sont insuffisantes.
Mais effectivement, rien n'empêche d'améliorer, de proposer autre chose, etc.
Il y a des circuits dédiés à la mesure d'énergie pour les compteurs électroniques, qui pourraient détournés en wattmètre... Et sans doute encore mille et une autre méthodes. Ceci est un choix, pas nécéssairement le meilleur, le plus universel ou le plus performant.

[polo974]

Bonjour à ceux qui ont aimé ce wattmètre...
J'avais en tête depuis un certain temps la possibilité de faire un wattmètre sans multiplieur (analogique).
J'ai donc réalisé une simul (loin du proto câblé...).
Le principe:
un générateur de pwm réflétant la tension actionnant un switch commutant une tension image du courant et son opposé.
résultat: un signal reflétant la puissance.

Si ça inspire quelqu'un ...

pwm2.asc.txt
(virer le .txt du nom de pwm2.asc.txt pou simuler)

j'ai utilisé des pseudo-composants parfaits pour les 2 aop le comparateur et le switch (genre 4053)

[Tropique]

J'avais en tête depuis un certain temps la possibilité de faire un wattmètre sans multiplieur (analogique).
J'ai donc réalisé une simul (loin du proto câblé...).
Le principe:
un générateur de pwm réflétant la tension actionnant un switch commutant une tension image du courant et son opposé.
résultat: un signal reflétant la puissance.

C'est effectivement une méthode possible de multiplication. Dans la même catégorie, "hybride", entre digital et analogique, il y a des variantes à pompes de charges, à convertisseur V-->F, à multiplying DAC, etc.
L'avantage principal de cette méthode, c'est qu'elle permet une très bonne précision sans "matching" de composants, ou compensations thermiques.
Son inconvénient est d'utiliser un échantillonnage, et donc une fréquence d'horloge, qui va limiter la bande passante. A cause de Shannon, bien évidemment, mais aussi d'effets plus subtils: le modulateur PWM n'est parfaitement linéaire que pour un signal stationnaire, et lorsque la fréquence augmente et se rapproche de celle de la dent de scie de référence, les produits d'intermodulation indésirables deviennent non-négligeables.
Il faut donc maximiser la fréquence de porteuse par rapport aux composantes du signal d'entrée, comme pour les amplis classe D, mais cette augmentation diminue elle-même la précision, parce que les temps de propagation et de commutation deviennent significatifs.
Pour du 50Hz pur, le compromis n'est pas critique, mais pour des formes d'onde "sales", c'est probablement plus délicat.

Pour des mesures électrotechniques "traditionnelles", ou seul le cos phi est à prendre en compte, cette méthode permet certainement une meilleure précision que celle du multiplicateur à DBM employée dans ce projet.

[inviteea266b73]

Bonsoir à tous ! désolé de resortir un sujet mais il y a une question qui me trotte dans la tete..

Comment est-ce possible de mesurer la puissance active exacte sans tenir compte du cos phi ?

[Tropique]

Comment est-ce possible de mesurer la puissance active exacte sans tenir compte du cos phi ?

Il tient non seulement compte du cos phi, mais aussi de son expression "généralisée", le facteur de puissance.
Le cos phi, c'était valable il y a 50 ans, c'est l'électrotechnique de grand-papa.
Maintenant, avec toutes les charges de type électronique, cela n'a plus beaucoup de sens.
Quel cos phi pourrait-on attribuer à un redresseur simple alternance, comme celui qui crée la petite puissance sur les sèche-cheveux?

Le circuit calcule en temps réel la puissance instantanée, et il la moyenne.
Pour illustrer cela, voir simu:
Le secteur alimente une charge inductive: on voit bien que le courant est en retard sur la tension (à 180° près, ce sont les conventions de signe du simulateur).
La courbe rouge représente la puissance instantanée, celle qui est calculée par le circuit.
On voit que cette puissance oscille, et qu'il y a même des moments où elle est positive: la charge restitue de l'énergie à la source.
Le wattmètre en tient compte, et il moyenne le tout.
Si on le branche sur une installation photovoltaique, il va afficher une puissance négative.
Idem si on l'alimente par la charge au lieu du secteur, comme dans l'une des photos.