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Voltmètre Ampèremètre de tableau de bord

(Note)

 lcd 3.5

Maj : 10/09/02

 

Modules de tableau

Il est indispensable d'installer sur le tableau électrique un ou deux afficheurs lcd à quatre digits avec un commutateur à galettes qui sert à la fois de :
.Voltmètre pour tester avec précision la tension de chaque batterie individuellement.
. Ampèremètre général, et par sous-circuits, acceptant les 300 ampères du démarreur tout en montrant aussi les quelques centaines de mA de charge du panneau solaire.
. Niveau des cuves d'eau et gazole en litres vrais.
. Compte tours moteur.
. Compteur de longueur de chaîne dévidée.
. Température de l'eau de mer...
Les applications sont multiples et toutes basées sur un simple module d'affichage.

Il y a deux solutions équivalentes que je détaillerai ultérieurement dans des projets.
. Soit utiliser un module voltmètre du commerce, vous en trouvez chez tous les distributeurs :
4 digits, point sélectable, 200 mV pleine échelle, entre 10 et 20 euros suivant la qualité, le type d'encadrement et de montage plastique et le distributeur, en kit ou monté. En réalité ce n'est qu'un 3 digits 1/2 car il affiche seulement de 1999 à 0000.
Soit utiliser un afficheur 4 (vrais) digits multiplexé commandé par un petit microcontrôleur avec convertisseur analogique numérique, qui affiche lui de 9999 à 0000.

Cela permet de tout faire ! Avec une forte résistance en série, c'est un voltmètre universel
Branché aux bornes des gros câbles batterie, qui constituent un très bon shunt de résistance non négligeable, il mesure la perte en ligne du câblage, c'est un ampèremètre (l'étalonnage est facile, pour faire le calibre 200 mV, il y a une résistance série qui peut être modifiée pour s'adapter au calibre de tension voulu.
Pour mesurer le niveau des cuves et autres affichages, un petit microcontrôleur fournira une tension par le convertisseur numérique analogique et la position du point. Ce convertisseur DA n'est pas utile si l'afficheur seul est utilisé.

 

 

L'alimentation flottante

Tout est possible, avec un module 4 digits, analogique ou à microcontrôleur, il suffit de résoudre un petit problème. Pour mesurer toutes sortes de tensions, le module doit impérativement être alimenté par une tension flottante, totalement isolée de la tension du bord. Attention au choix du module, un panneau lcd consommera environ 1 mA, mais un afficheur à led une centaine de fois plus !

J'ai réalisé de très nombreuses alimentations flottantes. Voici un des principes très simple, par commutation.

 Convertisseur

Alimenté par la tension du bord, un oscillateur (NE555, 2 transistors, un UJT…) fournit une horloge de quelques dizaines ou centaines de kHz. Cette horloge attaque simplement la commande (gate) d'un transistor (mosfet) dont la source comporte quelques dizaines de tours de fil sur un petit tore ferrite, très courant ou récupéré dans une vieille alimentation de PC. Un bobinage identique constitue le secondaire, suivi d'une diode de redressement et d'un condensateur. Comme la charge est connue est constante, il n'est même pas nécessaire de faite une régulation (feedback) en rajoutant un optocoupleur. Cela constitue une très bonne tension flottante utilisée pour des quantités d'applications. Le rendement est supérieur à 80%.

Ce dispositif n'a que des avantages mais aussi un énorme défaut. Il est impossible de l'empêcher de rayonner, les fronts raides de la commutation polluent tout le spectre radio, il est impossible d'utiliser un récepteur radio à proximité.
Il est évidemment possible de blinder en boîtier soudé en fer étamé, sorties à perles ferrite afin de beaucoup réduire la pollution, mais cela complique beaucoup, il faut monter des filtres cloisonnés à 2 étages au moins avec selfs et condensateurs, en entrée et sortie.

Il faut donc réfléchir au système avant de se lancer, une petite batterie 12 v flottante est une solution beaucoup plus simple, et la faible consommation du système à voltmètre autorisera plus d'un mois de marche en continu entre deux charges.
C'est cette solution qui est privilégiée après que les convertisseurs aient été longuement utilisés…

La charge de l'accumulateur étant peu fréquente, il n'est pas utile de prévoir un interrupteur à 3 positions (marche, arrêt, charge) sauf si l'accumulateur flottant est très sollicité par d'autres applications plus gourmandes. Un simple bloc secteur, comme celui utilisé pour le GSM , donne toujours une tension flottante. Il peut servir à charger, avec surveillance manuelle, sinon un circuit spécialisé fera cela très bien sans avoir à s'en préoccuper. Le bloc serra branché sur le secteur du quai ou sur le groupe, ou sur le convertisseur 12/220 V.

Voici un de mes prototypes, ici pour alimenter deux modules voltmètres. Vous remarquerez que les trois bobines ont beaucoup de mal à rentrer dans le petit tore, il a fallu forcer… Cette variante utilise un cmos 4093 en oscillateur, le mosfet est un BS 170.
Les ICL7136 sont des Harris assez médiocres. Ce montage sert à vérifier la tension et les courants d'une batterie alimentant un automate et chargée par un dispositif automatique.

  Deux voltmètres et alim
Photo 100 koctets !

 

 

Le doubleur de tension flottant

Une autre idée peut sembler bonne, utiliser une variante du doubleur à commutation rapide. Ce système très classique utilise un condensateur intermédiaire, branché pendant une période sur la source pendant laquelle il se charge, l'autre période sur la sortie ou il se décharge dans le condensateur d'exploitation. Ce système double presque la tension, les pertes sont d'autant plus réduite que la consommation est faible.

 Doubleur

La commutation est très rapide, le condensateur de transfert se charge en position basse et se décharge dans le tampon en position haute, la tension de sortie est bien double, en négligeant les pertes.

Il pourrait sembler intéressant d'utiliser le condensateur de sortie en flottant (non relié au + 12 V), mais ce n'est pas une bonne idée, car le double inverseur est réalisé par des transistors mosfet qui, malgré leur grande impédance, ne sont pas des isolateurs parfaits à grande vitesse.

Il y aurait toujours un couplage capacitif entre les tensions ce qui fausserait totalement la mesure. Ce système n'est donc pas exploitable ici.

Pour ces diverses réalisations de pompes de charges, il existe des réalisations commerciales, en circuit intégré de très bonne qualité. De nombreuses variantes sont possibles, le condensateur réservoir étant souvent remplacé par des montages à selfs.
Ces pompes existent avec toutes les tensions et courants possibles en entrée et en sortie, il suffit de puiser dans les énormes catalogues, chez Maxim par exemple. Les rendements sont remarquables, de l'ordre de 90 % avec très peu de composants.
Ces montages sont utilisés partout en électronique, ils permettent par exemple d'alimenter un montage à partir d'une simple pile R6 de 1.2 V.

 

 

Le problème de la stabilité

Il faut faire très attention avec les modules bas de gamme, ils dérivent énormément en vieillissant. J'en ai réglé plusieurs avec soin, alimentation de qualité, références de tension à la place des zeners, résistances de précision à couche métallique à la place des potentiomètres. Les calibres étaient réglés à mieux que le millième, et horreur, après deux saisons ils avaient dérivé de 10 %…
J'améliore beaucoup la situation en faisant cuire longuement le montage final au four ménager, ou dans une enceinte bricolée avec semelle de vieux fer à repasser dont le thermostat marche encore, vers 100 degrés pendant de longues heures. Il faut évidemment enlever l'afficheur et les électrochimiques qui exploseraient. Il existe plusieurs constructeurs des variantes du circuit ICL7106, le Maxim est considérablement plus stable que la concurrence.

 lcd 3.5

 

 

Choisir entre module tension ou microcontrôleur

Pour le débutant, le kit voltmètre universel semble certainement le plus simple, mais c'est aussi le moins performant. Un petit contrôleur gérant un afficheur 4 digits est plus souple et permet de tout afficher avec une précision extrême. Cela est de toute manière indispensable si vous voulez aussi afficher le niveau des cuves, ou la longueur de la chaîne, car il faudra toujours rentrer une table d'étalonnage. N'oubliez pas que tous ces petits microcontrôleurs ont une horloge et que les bus sont bruyants, cela s'entendra sur les récepteurs. Le blindage n'est jamais simple.

 

 

Comment identifier un tore inconnu ?

L'accumulateur isolé ne vous plait pas, vous voulez faire une alimentation flottante. En bon bricoleur, vous avez accumulé dans une jolie boite une quantité de tores récupérés sur des alimentations réformées, mais vous n'avez aucune idée de leurs caractéristiques. Il faut donc les tester mais vous n'avez pas de gros moyens.
Choisissez celle dont la taille vous parait raisonnable, pour la puissance que vous voulez tirer. Bobinez une trentaine de spires en passant deux fils isolés simultanément. Vous avez maintenant deux bobines identiques, repérez les extrémités, l'une sera baptisée primaire, l'autre secondaire.

Supposons que vous vouliez tirer 8 volts 100 ma. En attaquant en 12 V, c'est ce que vous obtiendrez avec les pertes. Si vous voulez une tension quelconque, il suffira ensuite de jouer sur le rapport des spires. Sur le secondaire nous allons monter une diode en série avec un condensateur réservoir. Pour cet exemple nous chargerons donc V=R*I donc R=V/I =8/0.1, environ 80 ohms. La puissance dissipée sera P=V*I=8*0.1=0.8 watt, une résistance de 83 ohms, 1 watt convient parfaitement. Branchez un voltmètre continu sur cette résistance, nous allons maintenant alimenter le primaire pour lire les 8 volts.

Pour cela alimentez le primaire, une borne au +12, au travers d'un ampèremètre analogique (la lecture est plus stable et les grands mouvements de l'aiguille se voit beaucoup mieux pour accorder), l'autre au transistor de commutation, drain d'un Fet, la source étant à la masse. La gate est tirée à la masse par une résistance quelconque (disons 1 kohm) pour éviter la mise en court circuit par charges statiques. Il vaut mieux utiliser une alimentation dont le courant est limité au double de la sortie (exemple 0.2 A), sinon des fusibles. Il faut maintenant attaquer la gate par un signal carré variable, un générateur convient parfaitement pour les tests, sinon un oscillateur à NE555 et potentiomètre. Le Fet travaillera évidement à saturation afin de ne pas chauffer, il faut donc attaquer avec une tension suffisante de quelques volts. En balayant de quelques kHz à quelques centaines de kHz, vous trouverez la plage de fréquence nominale du tore, le rendement sera optimal, à mieux que 80% pour une la bonne fréquence. Un oscilloscope est indispensable pour regarder les signaux, cela est très instructif et dépend énormément de la fréquence.

Une remarque pour nos amis les pauvres
Vous êtes dans la déchéance la plus totale, et vous n'avez même pas un oscilloscope numérique couleur qui pourtant ne coûte qu'à peine le prix d'une Twingo. Mais rusé comme un renard vous voulez utiliser l'entrée line-in de la Sound Blaster et un logiciel d'oscilloscope gratuit pour voir les signaux. La déception sera totale, vous ne pouvez passer que du signal BF d'une dizaine de kHz. Pour cette application nous restons en dessous du MHz, mais les signaux sont très raides et à grande dynamique, il faut passer quelques dizaines de MHZ pour observer les pics, oubliez la SB…

Une fois l'accord trouvé, il faut augmenter progressivement la charge et diminuant la résistance, pour trouver le point ou le rendement commence à tomber. C'est le début de la saturation de la ferrite, qui commence à chauffer. Il faut rester en dessous de la moitié de cette limite.
Une fois le montage finalisé, il faudra filtrer entrée et sortie avec soin comme évoqué précédemment.

 

 

Utiliser le câble à batterie comme shunt

C'est un excellent moyen de réaliser un bon ampèremètre acceptant les centaines d'ampères du démarreur et des puissants chargeurs.
Il suffit pour cela de réaliser deux conditions.
. Tous les négatifs des batteries arrivent sur le boulon de la borne de la première.
. De ce point part seulement le câble shunt vers le gros boulon commun négatif sur le moteur.
. Un seul câble relie ce point commun au gros boulon sur le moteur sur lequel partent tous les négatifs des équipements du bateau. Aucun autre fil ne part des bornes négatives.

 Etoile

Avec ce système la totalité des courants de charge et de décharge passent par ce tronçon commun de quelques dizaines de centimètres. Il est évident qu'avec un ampèremètre classique de tableau à shunt, les forts courants ne peuvent pas passer, les démarreurs, guindeaux et autres moteurs de winches sont câblés en direct.

Pour réaliser le shunt idéal, il suffit de souder en même temps l'énorme câble batterie, et un câble plus petit de mesure. Il vaut mieux partir assez gros, pour éviter la corrosion sur la cosse, puis ressouder un fil fin une dizaine de centimètres plus loin. Cette bretelle d'une cinquantaine de centimètres, de résistance approximative d'un centième d'ohm, chutera environ un volt pour une centaine d'ampères, les pertes sont considérables à forts courants !   Cosse

Vous comprendrez qu'il faille un câble énorme, qui fait deux fois la longueur du bateau, pour alimenter un guindeau qui tire 100 ampères… C'est pour cela que les belles installations ont la batterie servitude guindeau dans le pic avant, malgré que cela soit déplorable pour la gestion des poids.

 lcd 3.5

 

Voltmètre à aiguille décalée

Il existe une autre approche, sans afficheur, seulement pour le voltmètre, en utilisant un instrument à cadran analogique. Il est évidemment stupide d'utiliser un galvanomètre gradué de 0 à 15 volts, alors que la tension lue sera toujours entre 11 et 14 V, l'écart est trop faible pour être perçu.
Il faut donc un instrument qui affiche la plage 10 à 15 volts seulement entre butées, la position de l'aiguille est alors très visible.
Il y a deux solutions pour cela. Si le cadre a été prévu pour cela, décaler mécaniquement le zéro. Le cadre est toujours alimenté par deux ressorts spiraux, l'un est réglable pour caler le zéro de l'aiguille. Si l'instrument a une butée sur aiguille renforcée, en forçant un des ressorts, l'aiguille est écrasée sur la butée et ne décolle qu'à 10 pour une pleine échelle de 15. C'est un instrument classique sur les tableaux, gradué d'origine de 10 à 15.
Autre solution, avec un galvanomètre classique gradué de 0 à 5, l'alimenter au travers d'une zener 10 volts. Le résultat est identique.

 

 

Liens

Table des matières Elektor, très nombreux articles sur le sujet : matthieu.benoit.free.fr/elektor
Catalogue, afficheurs : gotronic.fr
Kits : velleman.be
qkits.com
electronickits.com/kit/complete/meas/ck101
Réalisation : chez.com/xizard/Les_montages/Voltmetre_LCD

* Liens vérifiés le 16/06/09

 

Vous trouverez les réponses aux questions que vous vous posez sur l'évolution du projet et le moyen d'obtenir schémas, kits, produits finis, assistance, garde d'enfants à domicile, ratons laveurs, extrême-onction, contrat d'élimination d'ennemis, fourniture de call girls et plus ici :

Du schéma au produit fini ?



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