Wattmètre
Principe de fonctionnement
Le wattmètre calcule la puissance consommée par un appareil électrique en mesurant simultanément la tension aux bornes de l'appareil et l'intensité du courant qui le traverse. L'appareil étant alimenté par le secteur qui fournit une tension alternative, le wattmètre mesure la puissance instantanée plusieurs fois par cycle et en calcule la moyenne.
Ce montage associe une partie basse tension (microcontrôleur) sûre à manipuler à une partie reliée directement au secteur qui peut faire mal si on met les doigts au mauvais endroit. Afin de permettre un bricolage en toute sécurité de la partie basse tension, il faut s'assurer qu'elle est totalement isolée (isolation galvanique) du secteur. Pour cela, la tension et l'intensité sont mesurées par le biais de transformateurs (de tension et de courant).
La partie basse tension est alimentée en 5 V par une alimentation à découpage récupérée d'un adaptateur quelconque. À noter également que les tensions positives et négatives d'alimentation des amplificateurs opérationnels sont produite à partir des 5 V par un circuit MAX232. Ce type de circuit fournit au maximum 10 mA, ce qui est largement nécessaire car aucun AO ne doit fournir de courant important.
La tension et le courant sont mesurés par le convertisseur analogique/numérique d'un microcontrôleur PIC18F2610 qui calcule la puissance instantanée consommée ainsi que sa moyenne sur une seconde (50 oscillations de tension). Il calcule également d'autre grandeurs comme les valeurs efficaces de tension et courant, la puissance apparente, le facteur de puissance.
Mesure de la tension
La mesure de la tension d'alimentation se fait par l'intermédiaire d'un transformateur de tension, c'est un transformateur normal dont le secondaire est en circuit ouvert. Dans le cas présent, il s'agit du transformateur d'un vieux chargeur de téléphone portable.
À la sortie du transformateur, on observe une tension alternative sinusoïdale dont l'amplitude est d'environ 10 V (elle oscille entre -10 V et +10 V). Le microcontrôleur ne peut mesurer que des tensions comprises entre 0 et 5 V, on utilise donc le montage suivant qui divise l'amplitude de la tension d'entrée par 10 et la décale de 2.5 V pour l'amener dans la plage de mesure du PIC.
En ce qui concerne la tension, il est très probable que son amplitude ne varie pas beaucoup pour les différents appareils susceptibles d'être testés. On peut donc se contenter d'un gain unique. Il est à noter que le gain choisi n'est pas optimal car en sortie la tension oscille entre environ 1.5 V et 3.5 V et ne couvre pas toute la plage de mesure du PIC. Pour l'adapter convenablement, il suffit de diminuer légèrement la résistance R16.
Mesure de l'intensité
L'intensité est mesurée par l'intermédiaire d'un transformateur de courant. En pratique ce transformateur de courant est réalisé en faisant passer d'un des fils du secteur à travers un tore sur lequel sont enroulées un grand nombre N de spires. L'enroulement primaire du transformateur est alors composé d'une seule spire et l'enroulement secondaire et composé des N spires. Lorsque le secondaire est en court-circuit, le courant qui y circule est le courant primaire divisé par N. Dans le cas présent j'ai pris dans ma boîte à bobines un tore qui semblait contenir vraiment beaucoup de spires d'un fil très fin. Les deux bornes du secondaire sont branchées à une résistance de faible valeur dont la tension aux bornes est proportionnelle au courant qui y circule.
L'intensité du courant qui circule à travers différents appareils à tester peut varier énormément, de quelques milliampères à plusieurs ampères. Afin d'avoir la meilleur précision de mesure pour toutes ces valeurs de courant, on utilise différents facteurs d'amplification avant la mesure par le PIC. Dans ce montage, on a 3 calibres qui multiplient la tension par 1, 10 ou 100 et qui la décalent de 2.5 V pour la centrer au milieu de la plage de mesure du PIC.
Ci-dessous, on montre la partie qui amplifie le signal d'un facteur 10. L'amplification et le décalage se font simultanément au niveau de l'AO U3. Le reste du montage sert à écrêter la tension de sortie pour s'assurer qu'elle reste bien entre 0 et 5 V avant d'entrer dans le microcontrôleur. On a utilisé l'AO U6 en montage suiveur pour avoir une faible impédance de sortie, ce qui permet d'utiliser un temps d'acquisition plus court lors de la conversion analogique/numérique (charge du condensateur plus rapide). Je ne suis pas sûr que ça soit absolument nécessaire...
En parlant de choses pas nécessaires, il y a aussi un amplificateur d'instrumentation de gain 1 à la sortie du transformateur de courant. Il n'est probablement pas non plus nécessaire.
Un problème souligné par un commentaire sur hackaday est que la tension en sortie du transformateur de courant est déphasée par rapport au courant (pourquoi ?), et dans certains cas, ce déphasage peut introduire un erreur importante dans la puissance mesurée. En connectant une charge purement resistive (une résistance) j'ai pu déterminer que ce déphasage est d'environ 10°. Il est corrigé en décalant l'échantillonage de la tension par rapport à celui du courant.
La prise en compte de ce déphasage apporte une correction non négligeable car sans elle, la puissance indiquée pour certaines alimentations à découpage en veille était négative
Conversion analogique numérique
Pour tenter d'avoir la meilleure précision et reproductibilité dans la conversion analogique numérique, ce circuit contient une référence de tension de 5 V, qui est ensuite divisée par 2 pour fournir les -2.5 V utilisés pour le décalage des tensions.
Afin d'estimer au mieux la puissance consommée par un appareil, il faut mesurer la puissance instantanée un grand nombre de fois par oscillation de la tension du secteur. C'est à dire qu'il faut faire un grand nombre de mesures durant les 20 ms que durent un cycle. Le PIC18F2610 a une vitesse d'acquisition théorique de 100000 éch./s, ce qui donnerait 1000 éch./cycle (il faut mesurer tension et intensité). Cette vitesse d'acquisition laisse peu de temps pour d'autres opérations, le PIC a une vitesse max de 10 MIPS, ce qui laisse 100 instructions par échantillons à la vitesse max. C'est certainement possible ça nécessite pas mal d'attention lors de la programmation.
On peut aussi utiliser la périodicité de la tension du secteur et faire l'acquisition sur plusieurs cycles, par exemple sur une seconde c'est à dire 50 cycle. Si le nombre n d'échantillons n'a pas de diviseur commun avec 50, on peut être sûr que durant ces 50 cycles, aucun échantillon ne sera pris au même moment du cycle et on aura effectivement n échantillons par cycle. Ci-dessous on montre un exemple où l'on prend 51 échantillons sur 5 cycles. La position des échantillons des cycles suivant les premier a été ramenée dans le premier cycle où l'on voit qu'il y a effectivement 51 échantillons/cycle.
Calibration
Ce système nécessite une calibration pour pouvoir indiquer une mesure correcte. Il faut lui brancher un appareil dont la puissance est connue pour calibrer les rapports de transformation pour la tension et l'intensité. Pour avoir des mesures de tension et courant RMS correcte, il faut calibrer l'appareil en connaissant la tension du secteur. Pour l'instant ces deux constantes de calibration sont codées en dur dans le firmware, il faut développer un menu de calibration.
L'afficheur LCD
L'afficheur LCD utilisé dans ce montage a été récupéré sur une imprimante (probablement Lexmark T522) qui traînait dans une poubelle. Il s'agit d'un afficheur de 2 lignes de 16 caractères avec 6 boutons (marquage BJ5200G02004). Ce module est contrôlé par i2c et n'a pas été très compliqué à faire fonctionner grâce à d'autres qui ont trouvé les commandes adéquates :
et les liens contenus dans ces deux sites.
À faire
Pas mal de choses restent à faire :- Développer un menu de calibration dans le firmware ;
- Afficher l'énergie consommée en kWh, donner le prix correspondant ;
- Tester le wattmètre en le comparant à un autre wattmètre crédible du commerce ;
- Déterminer pourquoi la puissance indiquée pour une alimentation à découpage en veille peut être négative.
Photos
