Sondes et sécurité de mesure

Sondes x1 et x10

L'entrée d'un oscilloscope présente en général 1 MΩ en parallèle avec 20 à 30 pF.

• La sonde x1 relie directement la pointe à l'entrée : 1 MΩ, mais le câble ajoute sa capacité, et la bande passante chute à quelques MHzSouvent 6 à 10 MHz seulement en position x1, même sur un oscilloscope de 100 MHz..
• La sonde x10 ajoute 9 MΩ dans la sonde : avec l'entrée, 10 MΩ au total, et la tension est divisée par 10. Le circuit mesuré est moins perturbé, et la bande passante bien meilleure.

Déclarer le facteur de sonde : une sonde x10 non déclarée à l'appareil donne une lecture 10 fois trop faible : un 24 V s'affiche 2,4 V. Vérifier aussi le petit commutateur x1/x10 sur la sonde elle-même.

Compenser la sonde :

On la branche sur la sortie carrée de réglage de l'oscilloscope, souvent 1 kHz, et on tourne sa petite vis jusqu'à obtenir des paliers bien plats : Une sonde mal compensée fausse l'amplitude et la forme des signaux rapides : à contrôler à chaque changement de sonde ou de voie.

Le piège de la masse

Un oscilloscope de paillasse est un appareil de classe I : son boîtier est relié à la terre par le cordon d'alimentation. Or la masse de chaque prise BNC, donc la pince crocodile de chaque sonde, est reliée à ce boîtier. La pince posée sur un point qui n'est pas au potentiel de la terre crée un court-circuit phase-terre à travers la sonde : éclair, pince et câble de sonde détruits, déclenchement du différentiel... et parfois l'oscilloscope avec.
Exemple classique : le « moins » d'un pont de diodes alimenté directement par le 230 V, au primaire d'une alimentation à découpage. Il n'est jamais au potentiel de la terre : y poser la pince crée un court-circuit à travers une diode du pont.

Autre conséquence : les masses de toutes les voies sont reliées entre elles. Deux pinces de masse sur deux potentiels différents : court-circuit entre ces deux points.

Oscilloscope USB, PC et portables

La masse d'un oscilloscope USB est celle du port USB, donc celle du PC :

• PC de bureau : son boîtier est relié à la terre. Même piège que l'oscilloscope de paillasse.
• PC portable sur son chargeur : selon le chargeur, la masse est reliée à la terre, ou pas.
• PC portable sur batterie : rien n'est relié à la terre. Si la pince de masse touche la phase, le court-circuit n'a pas lieu... mais le port USB, la prise casque, les parties métalliques du PC et de l'oscilloscope passent au potentiel de la phase. Celui qui touche le PC s'électrise.

Interdit absolu : couper la terre d'un oscilloscope de paillasse (fiche sans terre, adaptateur) pour « faire flotter » sa masse. Son boîtier, ses BNC et ses boutons peuvent alors se retrouver sous tension, sans aucune protection.

L'oscilloscope portable sur batterie n'a pas de liaison à la terre. Mais en entrée de gamme, ses voies partagent souvent la même masse : deux pinces sur deux potentiels différents court-circuitent toujours le circuit. Seuls les modèles à voies isolées, marqués d'une catégorie CAT, autorisent des références différentes sur chaque voie, dans la limite de leur tension nominale.

Mesurer en électronique de puissance

Variateurs, alimentations à découpage, onduleurs : on veut y mesurer entre deux points dont aucun n'est à la terre. Les bonnes solutions :

• La sonde différentielle haute tension : ses deux pointes ont une impédance élevée, aucune n'est reliée à la terre. Elle délivre à l'oscilloscope une tension réduite (1/20, 1/100, 1/200...), référencée à sa masse.
• L'oscilloscope à voies isolées, souvent portable et industriel : chaque voie a sa propre référence.
• La pince de courant pour les intensités (chapitre 3).
• Le transformateur d'isolement, pour isoler le montage mesuré, jamais l'oscilloscope. Le montage flotte alors : toucher deux de ses points reste dangereux.

Exemple : la sortie d'un variateur 400 V

Bus continu ≈ 400 × √2 ≈ 560 V. Entre deux phases de sortie : des impulsions de ±560 V. Avec une sonde différentielle 1/100, l'oscilloscope reçoit ±5,6 V. En déclarant le facteur 100, on règle directement 200 V/div : les impulsions occupent un peu moins de 3 divisions de part et d'autre du zéro.

• À 50 µs/div, on voit les impulsions une à une : à 4 kHz de découpage, une période de 250 µs occupe 5 divisions.
• À 5 ms/div, on voit leur largeur varier au rythme du sinus : c'est la MLIModulation de Largeur d'Impulsions : voir le cours Variateurs et onduleurs. Le courant moteur, lissé par l'inductance des enroulements, est lui presque sinusoïdal..

Exemple réel : la sortie d'un onduleur solaire hybride

Un oscilloscope-multimètre portable, avec une sonde différentielle isolante réglable en 1/50 ou 1/500. Au rapport 1/500 et à 200 mV/div, une division vaut 0,2 × 500 = 100 V : le sinus de 230 V (230 × √2 ≈ 325 V crête) monte à 3,25 divisions de part et d'autre du zéro. La sonde affiche elle-même ses limites : tension maximale entre ses pointes, et par rapport à la terre. À respecter comme le reste.

Catégories de mesure CAT

La catégorie indique où l'appareil peut mesurer sans danger, selon les surtensions transitoires (foudre, manœuvres) qu'il doit supporter. Plus on se rapproche de l'origine de l'installation, plus elles sont violentes.

Catégorie	Où ?	Exemples
CAT II	Appareils branchés sur une prise	Électroménager, outillage portatif
CAT III	Installation fixe du bâtiment	Tableaux, canalisations, moteurs fixes
CAT IV	Origine de l'installation	Branchement, compteur, câbles extérieurs

La catégorie s'accompagne d'une tension, par rapport à la terre : CAT III 600 VUn tel appareil doit supporter une surtension transitoire de 6 kV., CAT IV 300 V... Une entrée marquée CAT I, « O » ou sans catégorie n'est pas prévue pour une mesure directe sur le réseau.

Le maillon faible :

Un ensemble de mesure vaut sa pièce la plus faible. Oscilloscope CAT III 600 V + sonde CAT II 300 V = ensemble CAT II 300 V. Idem pour la pince de courant et les cordons.

• Les indications CAT de certains appareils d'entrée de gamme ne sont pas vérifiées : préférer un appareil dont la conformité est attestée par un laboratoire reconnu.
• Une sonde x10 ordinaire est limitée à quelques centaines de volts, souvent moins en haute fréquence : lire son marquage.

Cas pratiques de dépannage

1. L'ondulation d'une alimentation 24 V
Sonde x10 déclarée, pince de masse sur le 0 V de l'alimentation, pointe sur le +24 V. Couplage AC, 50 mV/div, 5 ms/div, mode Auto.

• Alimentation linéaire : ondulation à 100 Hz, en dents de scie ;
• alimentation à découpage : ondulation à la fréquence de découpage, souvent plusieurs dizaines de kHz. Passer à 10 µs/div.

Une ondulation qui grandit avec les années signale souvent un condensateur de filtrage fatigué.

Un oscilloscope portable observe le découpage d'une alimentation (vidéo dans le cours Alimentations à découpage).

2. Un parasite intermittent
Couplage DC, calibre adapté au signal normal, seuil de déclenchement placé au-dessus du niveau normal, mode Normal ou Monocoup, pré-déclenchement 50 %. L'oscilloscope attend patiemment : au premier parasite, il fige l'écran, avec ce qui s'est passé avant et après.

Parasites captés sur une liaison : un déclenchement bien réglé les isole (vidéo dans le cours CEM).

3. La sortie d'un variateur
Sonde différentielle et pince de courant AC/DC, jamais une sonde ordinaire : voir l'écran « électronique de puissance » de ce chapitre.