Mesurer des nanowatts
Certains tentent de mesurer des puissances très faibles, en dessous d'un microwatt, avec un voltmètre et un ampèremètre. Sauf que ces appareils de mesure perturbent la mesure ! Et après, ils s'étonnent de trouver des valeurs débiles. Alors qu'une simple capacité et un voltmètre feront l'affaire. Ça m'énerve...
De temps en temps, sur le web, des tentatives de réalisation de systèmes consommant le moins possible provoquent des discussions sans fin car les mesures de tension et de courant pour de très faibles valeurs (si on parle de nanowatt, méfiez-vous) sont souvent délicates, voire requièrent des appareils plus compliqués que les habituels multimètres numériques que certains pensent infaillibles. Ce n'est pas le cas, et on peut contourner les ennuis en réfléchissant un peu.
Exposé du problème
- Vous avez une source d'énergie électrique qui délivre du courant sous une certaine tension.
- Vous avez un appareil qui consomme du courant sous une certaine tension.
Quelle est la consommation électrique ? Il vous faut mesurer :
- La tension : vous prenez un voltmètre.
- Le courant : vous placez un ampèremètre en série.
C'est fait pour ça.
Sauf que ces appareils risquent de perturber la mesure.
Mesures perturbées
En effet, chaque appareil de mesure a besoin d'introduire de quoi mesurer.
Voltmètre
Un voltmètre va présenter une certaine impédance d'entrée, généralement il s'agit d'une résistance d'une dizaine de MΩ. Une valeur qui semble déjà élevée, mais si vous cherchez à mesurer des courants en dessous du microampère sous quelques volts, la résistance de votre voltmètre consommera 100 nA sous un volt. Cela risque non seulement de ne pas être négligeable, mais en plus cela pourrait faire tomber la tension, et votre appareil sera perturbé, il ne fonctionnera pas pareil !
Ampèremètre
Votre ampèremètre n'est pas parfait : il va introduire en série une certaine résistance, ce qui peut devenir gênant si la résistance de l'appareil est du même ordre de grandeur, et en plus le courant traversant la résistance de l'ampèremètre va provoquer une chute de tension, et vous n'aurez pas la tension voulue, votre appareil sera perturbé, et pareil, il ne fonctionnera pas comme si l'ampèremètre était absent !
Les deux à la fois
Les deux à la fois, c'est pire, forcément.
Et si le courant consommé varie dans le temps, suffisamment rapidement pour que votre voltmètre et votre ampèremètre soient incapables de suivre les variations, et intégrer le signal pour afficher une valeur plus ou moins moyenne, vos mesures seront bizarres, surtout en dessous d'une centaine de millivolts et d'une centaine de microampères.
Capacité de découplage
C'est là que vous pensez avoir rusé en ajoutant une belle capacité, dite de découplage. C'est une excellente idée ! Cette capacité va pouvoir absorber les variations transitoires de tension en donnant ou acceptant des charges, lissant la tension.
Mais à ce moment-là, procédez différemment pour les mesures. Arrangez-vous pour que votre capacité soit suffisamment grosse pour que votre appareil fonctionne assez longtemps, par exemple une heure, sans la source d'énergie.
Votre capacité de découplage devient votre source d'énergie. Elle va délivrer les charges électriques requises pour que votre appareil fonctionne, et sa capacité, par définition est reliée à la tension par Q=CV
measuring the voltage periodically
Lorsque la capacité va fournir les charges pour le fonctionnement de l'appareil, sa tension va baisser. C'est là qu'il faut choisir une capacité suffisamment grosse pour que vous ayez le temps d'utiliser votre voltmètre sans que la tension descende de trop.
Il vous suffira d'un voltmètre et d'un chronomètre :
- Choisissez votre capacité de découplage, et notez sa valeur, par exemple 100 μF.
- Placez votre voltmètre sur les bornes de la capacité.
- Chargez votre capacité.
- Débranchez la source d'alimentation : votre système est en fonctionnement, le voltmètre indique que tout est OK. Notez la tension, par exemple 1.23 V.
- Débranchez le voltmètre. Ainsi vous ne perturberez pas votre montage.
- Attendez un moment, par exemple 100 secondes.
- Branchez le voltmètre et faites une nouvelle mesure, par exemple 1.01 V
La tension sur la capacité est descendue de 1.23 à 1.01, soit 0.22 V. La tension fut 1.1 volt en moyenne. Vous avez donc consommé :
pendant 100 secondes, soit un
Comme la tension moyenne était de 1.1 volt, la puissance moyenne fut de 242 nW (nanoWatts).
Vous pouvez aussi caractériser de la même manière une source d'énergie, par exemple des cellules solaires.
Connectez votre source d'énergie sur une capacité suffisamment importante pour que ça vous laisse le temps de faire des mesures de tension à intervalles réguliers.
Et comparez ensuite avec la consommation de votre système, vous saurez alors comment gérer l'énergie, surtout si elle est intermittente, il suffira de dimensionner correctement la capacité, ou un autre moyen de stockage.
Conclusions
Vous n'avez pas eu besoin d'un ampèremètre (il est remplacé par un chronomètre), et votre système n'a pas été perturbé, il a fonctionné normalement.
Vous auriez laissé branché le voltmètre, il aurait ajouté une consommation d'une centaine de nA lié à sa résistance interne d'une dizaine de MΩ sous un volt.
Vous choisirez une capacité et un temps de mesure adapté à ce que vous voulez faire, mais il est à peu près évident qu'une très grosse capacité, et qu'un temps très long améliorera la précision de votre mesure.
Ce sera encore plus malin de réaliser des mesures périodiques, et de reporter les consommations sur un graphique, voire faire un diagramme courant/tension, qui vous donnera quelques indications sur votre système. Cela vous permettra de sentir ce qui se passe, et de vérifier la cohérence de l'ensemble.
Et rappelez-vous que la précision ne sera pas extraordinaire, vue l'imprécision de la valeur de la capacité.
À présent, vous pouvez retourner à votre montage et faire vos mesures.