Chapitre 3

Deuxième partie
Galvanomètres, microphones et haut-parleurs

- Les galvanomètres
- Qualité des voltmètres
- Ohmmètres et wattmètres
- Microphones, haut-parleurs et relais électromécanique

Nous allons maintenant étudier le fonctionnement du galvanomètre, du voltmètre, de l'ohmmètre et du wattmètre. Nous nous attarderons ensuite sur l'étude du microphone et du haut-parleur.

Les Galvanomètres 

• Les galvanomètres à cadres mobiles sont des appareils de mesure d'intensité. Un galvanomètre est composé :

- d’une bobine (solénoïde, solen = « tuyau » en grec)

- d’un cadre mobile

- surmonté d’une aiguille

- un cadran gradué permet de lire la mesures.

• Le galvanomètre a évolué dans sa présentation et la précision de ses mesures avec le temps et l'évolution des technologies mais son principe de fonctionnement reste toujours le même.

• Les caractéristiques d’un galvanomètre sont :

- sa résistance interne (Ri en Ω)
> de l’ordre d’une dizaine d’ohms

- son intensité de déviation maximum (I_g)
> de l’ordre du mA, voire moins (50 μA)

Luigi Aloisio Galvani est né à Bologne le 9 septembre 1737 et mort dans cette même ville le 4 décembre 1798. C'est un physicien, professeur d'anatomie et médecin italien.

Il accède au rang de professeur d'anatomie et de chirurgie à l'université de Bologne en 1773. En 1782 il est élu professeur d'obstétrique à l’Istituto delle Scienze. Des nombreux travaux de Galvani, ceux qui ont eu le plus grand retentissement concernent "l'électricité animale". La longue controverse qui s'ensuit avec Alessandro Volta conduit à l'invention, par ce dernier, de la pile. On donna son nom au Galvanomètre, dont le premier fut construit par Johann Schweigger, originaire de Nuremberg, à l'Université de Halle le 16 septembre 1820.

 - un galvanomètre ne peut lire que :

> de faibles intensités ou de faibles tensions
> des valeurs continues.

• Pour lire des tensions ou des intensités supérieures, on utilisera une résistance déterminée par la loi d’Ohm :

- en série avec le galvanomètre, ce qui donne un voltmètre

> pour ne pas perturber le circuit mesuré, I_g doit être le plus faible possible.

- en dérivation (shunt), ce qui donne un ampèremètre

> Ri doit être la plus faible possible

- le galvanomètre ne mesure que des valeurs moyennes. Pour indiquer des valeurs efficaces ou maximum,

 > une diode sera montée en série (redressement)

> une échelle de lecture adaptée sera utilisée.

Exemple

• nous possédons un galvanomètre dont les caractéristiques sont les suivantes :

- intensité de déviation maximum = 20 μA

- résistance interne = 10 Ω.

Comment réaliser un voltmètre dont le calibre est de 10 volts et un ampèremètre dont le calibre est 1 ampère ?

• Dans un voltmètre, la résistance est en série

U_g = I_g . Ri = 0,00002 x 10 = 0,0002 V
U_R = U_T – U_g = 10 – 0,0002 = 9,9998 V
R = U_R / I_g = 9,9998 / 0,00002 = 499990 Ω ≈ 500 kΩ
ou : R = (U_T / I_g) – Ri = (10 / 0,00002) – 10 = 500000 – 10 = 499990 Ω
en négligeant la résistance interne : R = U_T / I_g = 10 / 0,000 02 = 500 kΩ

• Dans un ampèremètre, la résistance est en parallèle

I_R = I_T – I_g = 1A – 0,00002 A = 0,99998 A
R = U / I = U_g / I_R = 0,0002 V / 0,99998 A ≈ 0,0002 Ω
ou : R = U_g / I_R = (Ri . I_g) / (I_T – I_g)
= (10 x 0,00002) / (1 – 0,00002) = 0,0002/9,99998 ≈ 0,0002 Ω
en négligeant la résistance interne : R = U_g / I_T = (10 x 0,000 02) / 1 = 0,0002 Ω

Qualité des voltmètres

• Le fait de brancher un voltmètre sur un circuit ne doit pas perturber le fonctionnement de ce dernier.

• Le facteur de qualité du voltmètre (Q) est égal au rapport :

- de la résistance totale du voltmètre (Ri + R)

- divisé par le calibre de l’appareil (tension lue à pleine échelle)
> ce rapport (R / U) est directement fonction de la sensibilité du galvanomètre (I_g).

- un voltmètre possède toujours le même rapport Ω/V quelque soit le calibre utilisé.

- Q = (R + Ri) / UT = Ω / V

- Q = 1 / Ig

> Les multimètres modernes (numériques) ont une résistance interne quasiment constante quelque soit le calibre utilisé.
> Leur impédance d’entrée est très grande par rapport aux multimètres analogiques (à aiguille).

Exemple

• Quelle est la valeur de la résistance R à mettre en série avec ce voltmètre (5 kΩ/V) calibré sur 10 volts pour obtenir un voltmètre calibré sur 100 volts ?

• la résistance R doit créer une différence de potentiel égale à la tension de calibre diminuée de la tension du voltmètre (100 V – 10 V = 90 V). La résistance du voltmètre est de 5 kΩ/V. La résistance R aura donc pour valeur 90 V x 5 kΩ/V = 450 kΩ

• ou : Q = 1/Ig donc Ig = 1 / Q = 1 / 5000 = 0,0002 A
R = U / I = 90 V / 0,0002 A = 450000 Ω = 450 kΩ

Ohmmètre et wattmètres

• un ohmmètre est composé d'un ampèremètre avec lequel on mesure le courant traversant la résistance à mesurer (Rx). Cet instrument nécessite donc une pile. Rc est la résistance de calibre. La résistance R est variable pour tarer l’ohmmètre à 0Ω (déviation maxi).

• un wattmètre est composé d'un voltmètre qui indique la puissance sous une impédance donnée.

• pour ces deux instruments de mesure, une échelle de lecture adaptée, non linéaire, est déterminée par les lois d’Ohm ou de Joule.

Microphone, haut-parleur et relais électromécanique

• Les basses fréquences (BF) occupent un spectre allant de 0 Hz à 20.000 Hz. Les fréquences acoustiques (audibles pour l’oreille humaine) vont de 100 Hz à 15.000 Hz.

- Toutefois, un spectre allant de 300 Hz à 3000 Hz est largement suffisant pour la compréhension d’un message en téléphonie.

- La voix humaine est composée de fréquences issues.
> des sons issus de la nasalisation lorsque l’air s’échappe par le nez comme dans les lettres m ou n (graves)
> de fréquences issues du souffle expiré par la bouche (coffre)
> de fréquences issues des cordes vocales (présence)
> de fréquences provenant des sons émis par la langue (sibillance) tels que s et ch ou, dans une moindre mesure, par les lèvres (p, f).

- Les graves et la sibillance ne sont pas utiles à l’intelligibilité d’une conversation mais servent uniquement à la reconnaissance de la voix du correspondant.
> pour une voix d’homme, les graves se situent vers 80 Hz, le coffre vers 300 Hz, la présence vers 2 kHz et la sibillance vers 3/4 kHz
> pour une voix de femme, les graves se situent vers 150 Hz, le coffre vers 400/500 Hz, la présence vers 3 kHz et la sibillance vers 5/6 kHz
> d’où le spectre retenu en téléphonie : 300 à 3000 Hz.

• Le microphone est constitué d'une membrane qui recueille les vibrations de l'air et les transforme en variation de grandeurs électriques.

C'est ainsi que l'on dessine un micro sur un schéma.

Cette représentation est la plus utilisée.

Les différents types de microphones

- microphone électret (impédance très élevée et nécessite une alimentation, très répandu dans l’environnement du PC).

- microphone céramique utilisant l’effet électrostatique du condensateur

- microphone à charbon (ou microphone résistif, impédance de l’ordre d’un millier d’ohms, utilisé dans les vieux téléphones)

- microphone dynamique (le plus répandu en radio, impédance ≈1000 Ω)

- microphone à ruban (basse impédance, très sensible, bi-directionnel)

• Le haut-parleur (HP) reproduit les vibrations d'air au rythme du courant délivré par l’amplificateur AF

C'est ainsi que l'on dessine un haut-parleur sur un schéma.

Cette représentation est la plus utilisée.

Les différents types de haut-parleurs

- le HP électrodynamique (de loin, le plus répandu) : sa membrane rigide et légère est mise en mouvement par le courant de la bobine plongée dans un champ magnétique. Son impédance est faible (environ 10 Ω, voir moins).

- le HP électrostatique (système très directif et peu puissant, utilisé parfois dans les casques, son impédance est la plus élevée de tous les HP)

- le HP piézoélectrique utilisant les propriétés de certains polymères qui réagissent mécaniquement aux tensions (utilisé dans les oreillettes)

- le HP à ruban (utilisé dans les tweeters en Hi-Fi)

- le HP ionique (ou à plasma) utilisant une bulle d’air ionisée et chauffée par un courant HF (peu répandu car très cher)

Les relais électromécanique

• Un relais électromécanique est un commutateur à commande électrique. Un relais électromécanique est composé :

- d’un électro-aimant (barreau de fer doux entouré d’une bobine)

- d’un mécanisme qui actionne une (ou plusieurs) lame qui se colle à des contacts, assurant ainsi la commutation. Les contacts se nomment :
> repos (lorsqu’aucun courant ne circule dans l’électro-aimant)
> travail (lorsque l’électro-aimant est "collé")

Relais électromécanique