Tensions moyennes et tensions efficaces

N'utilisant désormais avec nos élèves que des voltmètres numériques, il convient de savoir ce que l'on mesure véritablement avec ces appareils lorsque la tension est variable.

Tension moyenne:

On appelle tension moyenne, la moyenne sur une période de la tension. Mais en alternatif sinusoïdal la moyenne est nulle. En fait quand on parle de tension moyenne c'est généralement la moyenne faite sur le signal redressé.

Tension efficace:

On appelle tension efficace la racine carrée de la moyenne sur une période du carré de la tension. Pourquoi s'intéresse-t-on à cette grandeur plutôt qu'à la tension moyenne? Tout simplement parce qu'en terme de puissance moyenne, c'est cette grandeur qui intervient. A tension continue égale à la tension efficace, on a la même puissance dans un dipôle résistif.

Mesure d'une tension continue:

Désormais pour réaliser des appareils électroniques, il est généralement plus aisé d'utiliser des composants électroniques logiques. Ces composants logiques dont l'exécution est progressive nécessitent un fonctionnement à l'aide d'une horloge (fonctionnement synchrone). Aussi profite-t-on de cette caractéristique pour faire une mesure de tension convertie en mesure de durée basée sur l'étalon très précis de la fréquence du quartz utilisé pour l'horloge.
A l'aide d'un dispositif simple on convertis cette durée en un nombre de période d'horloge et l'on peut alors obtenir une valeur numérique affichable d'une mesure analogique.
Si l'affichage de notre tension se fait sur 3 digits il y a donc théoriquement 1000 valeurs différentes ce qui nécessite une plage de durée de 0 à 1000 fois la fréquence de l'horloge.
Si l'on prend une fréquence d'horloge de 1 µs cela correspond à une durée maximale de la mesure de 1 ms.

Mesure d'une tension efficace :

Avec un signal alternatif sinusoïdal, on a deux façons de mesurer la tension efficace.

            ►Première méthode :

                        - On redresse le signal (Pont de diodes,…).
                        - On prend la valeur moyenne de signal en ne gardant que la composante continue (Filtre passe-bas).
                        - On multiplie par le facteur de forme du signal sinusoïdal.

                        - On traite ensuite la tension continue obtenue comme précédemment.

            ►Deuxième méthode :

                        - On multiple le signal par lui-même (multiplieur).
                        - On prend la valeur moyenne du signal en ne gardant que la composante continue (Filtre passe-bas).
                        - On prend la racine carrée du signal obtenu.
                        - On traite ensuite la tension continue obtenue comme précédemment.

Les voltmètres du labo utilisés en position AC+DC (ou ~):

Les voltmètres bon marché que l’on dispose généralement utilisent la première méthode c'est-à-dire qu’ils :

            - affichent la tension efficace d’un signal sinusoïdal (calculé à partir de la tension moyenne multiplié par le facteur de forme),

            - n’affichent pas la tension moyenne !!(à cause du facteur de forme),

            - n’affichent pas la tension efficace d’un signal non sinusoïdal !

Si l’on veut avoir un voltmètre qui affiche la tension efficace qu’elle que soit la nature du signal, il faut disposer d’un voltmètre haut de gamme RMS (Root Mean Square) qui fonctionne selon la seconde méthode.

Les voltmètres du labo utilisés en position DC (ou =):

Tous les voltmètres mesurent la valeur moyenne du signal.

Conclusion :
Si on demande à un élève de mesurer la tension moyenne d'un signal alternatif avec son voltmètre, il devra se mettre en position continue.
Si on veut qu'il nous donne la valeur moyenne du signal redressé, alors il devra se placer en position ~ et diviser le résultat lu par 1,11.
Mais quel intérêt y a-t-il à demander une tension moyenne d'un signal alternatif sans offset?