Mesurer tension, fréquence, déphasage

Lire par divisions

• Tension : le sommet est à 3 divisions du zéro, au calibre 10 V/div : Umax = 3 × 10 = 30 V. Crête à crête : 6 divisions, soit 60 V.
• Valeur efficace : pour un sinus seulement, U = Umax / √2 = 30 / 1,414 ≈ 21,2 V.
• Période : 10 divisions à 5 ms/div, T = 10 × 5 = 50 ms, d'où f = 1 / T = 1 / 0,050 = 20 Hz.
• Graduations : une division est partagée en 5. Une graduation vaut ici 10 / 5 = 2 V en vertical, et 5 / 5 = 1 ms en horizontal.

Pour gagner en précision : mesurer la période entre deux passages à zéro dans le même sens, plutôt qu'entre deux sommets, trop arrondis pour être repérés précisément. Et mesurer plusieurs périodes : 4 périodes sur 8 divisions se lisent mieux qu'une seule sur 2.

Mesures automatiques et curseurs

L'oscilloscope calcule en permanence : Umax, Umin, crête à crête, moyenne, efficace, fréquence, période, rapport cyclique, temps de montée...

Efficace AC ou AC+DC ?

• AC+DC : la vraie valeur efficace, qui chauffe une résistance ;
• AC : la valeur efficace des seules variations, sans la composante continue.

Exemple : un carré de 0 à 10 V, rapport cyclique 50 %.
Moyenne : 5 V. Efficace AC+DC : √(10² × 0,5) = 7,07 V. Efficace AC : 5 V.
Vérification : 7,07² = 50 = 5² (moyenne) + 5² (AC).

Les pièges :

• Signal écrêté : Umax et crête à crête sont faux, sans aucun message d'erreur sur certains appareils.
• Signal trop petit : résolution insuffisante, mesures instables.
• Moins d'une période à l'écran : fréquence non calculée ou fausse.
• Moyenne et efficace sont calculées sur tout l'écran : préférer un nombre entier de périodes, ou l'option de calcul sur un cycle.
• Le bruit gonfle la mesure crête à crête.

Les curseurs sont deux lignes que l'on place soi-même : horizontales pour lire un écart de tension ΔU, verticales pour lire un écart de temps Δt, et souvent 1 / Δt en fréquence. Ils servent pour mesurer une constante de temps, un retard ou un déphasage.

Deux voies : le déphasage

Deux signaux de même fréquence, observés avec la même base de temps, peuvent être décalés dans le temps. Ce décalage, rapporté à la période, est le déphasage :
Exemple : une période occupe 10 divisions, donc 1 division = 360 / 10 = 36°. Les deux courbes passent à zéro, en montant, avec 2 divisions d'écart : φ = 2 × 36 = 72°.
En temps, au réseau à 50 Hz (T = 20 ms, soit 2 ms/div ici) : Δt = 4 ms, φ = 4 / 20 × 360 = 72°.
La courbe qui passe à zéro la première (à gauche) est en avance. Ici, la grise est en avance sur l'orange.

Les fonctions de calcul :

• A+B, A−B : somme ou différence des voies. A−B donne la tension entre deux points dont aucun n'est à la masse... avec une précision limitée : ce n'est pas un substitut à la sonde différentielle en électronique de puissance (chapitre 4).
• XY : la voie A déplace le point horizontalement, la voie B verticalement ; le temps disparaît. On obtient une courbe de LissajousDeux sinus de même fréquence : une droite s'ils sont en phase, une ellipse s'ils sont déphasés, un cercle pour 90° avec des amplitudes égales..

Autre exemple réel : les tensions d'un alternateur
Vidéo dans le cours Alternateurs. observées sur deux voies.

Constante de temps d'un circuit RC

Un générateur carré alimente une résistance R et un condensateur C en série. Voie A : le générateur ; voie B : la tension du condensateur Uc. La constante de temps τ = R × C est la durée au bout de laquelle le condensateur atteint 63 % de sa charge finale.
Exemple, avec R = 10 kΩ :

1. La charge complète occupe 5 divisions : 63 % de 5 = 3,15 divisions ;
2. la courbe franchit 3,15 divisions au bout de 1 division horizontale, à 0,2 ms/div : τ = 0,2 ms = 200 µs ;
3. C = τ / R = 200 × 10⁻⁶ / 10 000 = 20 × 10⁻⁹ F = 20 nF.

Avec les curseurs, c'est encore plus précis : curseurs horizontaux à 0 et 100 %, puis à 63 % ; curseurs verticaux au début de la charge et au croisement. Même principe pour une bobine : τ = L / R, lu sur la tension de la résistance, image du courant :

Vidéo dans le cours Composants passifs. Autre méthode pour une bobine, en sinus : UL = UROn règle la fréquence du générateur jusqu'à ce que les tensions de la bobine et de la résistance soient égales : l'impédance de la bobine vaut alors R, d'où L = R / (2π × f), en négligeant la résistance du fil. Exemple : R = 1 kΩ, égalité à 1,6 kHz : L = 1 000 / (6,28 × 1 600) ≈ 0,1 H = 100 mH.

Déphasage entre tension et courant

L'oscilloscope ne mesure que des tensions. Pour voir le courant, on insère une petite résistance en série, le shunt : sa tension u = R × i a la même forme et la même phase que le courant. Le montage : le shunt est placé côté masse du générateur. Les pinces de masse des deux sondes vont à ce point commun, qui est aussi la masse du générateur, souvent reliée à la terre.

• Voie A : la tension totale, celle du récepteur à la chute du shunt près (1 Ω devant 100 Ω : 1 % d'écart) ;
• voie B : la tension du shunt, image du courant. Avec 1 Ω, 0,5 A donne 0,5 V.

Exemple : décalage de 4 ms à 50 Hz, courant en retard : φ = 72°, cos φ = cos 72° ≈ 0,31. Un récepteur très inductif.
Tension et courant observés au PicoScope pendant le redressement du cos φ, en très basse tension (vidéo dans le cours Puissance monophasée).

Mesurer une intensité avec une pince

Une pince de courant pour oscilloscope délivre une tension proportionnelle à l'intensité, par exemple 10 mV/A ou 100 mV/A. Elle n'a aucun contact électrique avec le conducteur : c'est la solution la plus sûre pour observer un courant sur le réseau.

• Pince AC (transformateur) : alternatif uniquement.
• Pince AC/DC (effet Hall) : continu et alternatif. Indispensable pour un courant avec une composante continue, un courant redressé ou un appel de courant. Faire son zéro avant chaque mesure, pince fermée à vide.

Lecture : pince 100 mV/A, trace de 0,5 V crête : I = 0,5 / 0,1 = 5 A crête. Beaucoup d'appareils permettent de déclarer la pince pour afficher directement des ampères.

Exemple : l'appel de courant d'un moteur

Moteur de 4 A nominal : au démarrage direct, il peut appeler 5 à 8 fois plus, soit 20 à 32 A efficaces pendant une fraction de seconde. Réglages :

1. pince AC/DC au calibre 10 mV/A, voie déclarée en ampères ;
2. 10 A/div, 100 ms/div : l'écran couvre 1 s ;
3. déclenchement front montant, seuil 5 A, mode Monocoup ;
4. pré-déclenchement 10 %, puis démarrage du moteur.

L'écran fige la pointe de démarrage puis la décroissance vers le courant nominal : impossible à voir avec un multimètre.