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Technique - Transformateur


 

Nous voici parvenus au terme de l'étude du courant alternatif avec ce chapitre consacré au transformateur, élément capital de nos circuits. Nous utiliserons le transfo dans les alimentations mais aussi dans nos circuits radiofréquence quand il s'agira de transmettre de l'énergie d'un circuit vers un autre par couplage magnétique.

Le principe :

Un transformateur est constitué de deux enroulements indépendants appelés primaire et secondaire, bobinés sur un noyau magnétique commun.

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A quoi cela sert-il ?

Le transformateur, qui ne fonctionne qu'en alternatif, alimenté au primaire par une tension alternative  U, nous permettra d'obtenir au secondaire, soit une tension plus élevée soit une tension moins élevée. En radiofréquence, nous pourrons bénéficier de ces effets de réduction-augmentation sur les impédances des circuits.


Principe de fonctionnement du transformateur:

L'enroulement primaire est alimenté par une tension sinusoïdale, le circuit est donc fermé. Cet enroulement peut être représenté comme une inductance L de réactance X et un courant I y circule. Ce courant alternatif I, produit à son tour un flux sinusoïdal dans le circuit magnétique du transformateur.
Nous l'avons dit, le circuit magnétique est commun et au niveau du secondaire, chaque spire qui est traversé par ce flux variable est le siège d'une force électromotrice e. C'est ainsi qu'apparaît la tension secondaire.

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transfo2.gif (3753 octets)

Vous pouvez observer à votre gauche l'allure des transformateurs les plus usuels.

Conventions :

Les grandeurs physiques du primaire seront notées avec l'indice 1

On considérera le transformateur comme parfait, càd exempt de pertes.
Les grandeurs physiques se rapportant au secondaire seront notées 2

Le transformateur est dispositif réversible.

Constitution :

Le noyau magnétique, qui est fermé, est constitué de tôles empilées les unes sur les autres, on dit qu'il est feuilleté, ceci pour réduire les pertes par courant de Foucault.
Ces tôles sont réalisées à partir de tôles de fer avec adjonction de silicium pour réduire cette fois-ci les pertes par hystéresis.


Les enroulements sont réalisés à base de fil conducteur isolé. On trouve donc au moins deux enroulements, l'un appelé primaire, l'autre appelé secondaire, ces enroulements sont totalement isolées entre eux.
Un transformateur peut comporter plusieurs enroulements secondaires.
Le rapport de transformation :

Nous avons dit que notre transformateur avait la capacité d'augmenter, de diminuer ou de restituer à valeur égale la tension primaire (dans ce dernier cas il s'agira d'un transfo d'isolement). Il existe donc une relation liant ces deux tensions (primaire et secondaire)
et cette relation fait apparaître le rapport de transformation noté "m".
Cette relation dit que le rapport des tensions secondaire sur primaire est égale au rapport du nombre de spires du secondaire sur nombre de spires du primaires.


         U2                 N
2
m =  ____       =   ____
         U1                 N1



avec m grandeur sans unité
U en volt
N = nombre de spires


Et pour les courants primaire et secondaire ?

Voyons cela sous l'angle pratique. Nous admettrons que le bilan énergétique de notre transformateur soit le suivant : P1= P2.
Ceci ne peut être vrai que dans la mesure où nous négligeons les pertes mais dans la pratique c'est presque correct.
Si donc P1 = P2 (puissance consommée au primaire = puissance restituée au secondaire), nous écrivons le P1 = U1 * I1 et P2 =U2*I2
Si notre transformateur est abaisseur de tension, pour obtenir la puissance, il faudra que le courant augmente, c'est la simple application de la loi d'Ohm. En revanche si notre transformateur est élévateur, il faudra que le courant secondaire soit inférieur au courant primaire pour satisfaire la condition.
Donc intuitivement on pense que le courant régira en sens inverse de la tension (pour l'aspect quantitatif bien sûr!) et donc inversement au rapport de transformation.

       I2               1
   _______   =   ___
       I1               m
                I1
      m =   ____
                I2

Notez bien que le rapport des courants est l'inverse du rapport des tensions ou du nombre de spires du transformateur
Nous pensons quand il s'agit de transformateur à l'utilisation la plus classique qui consiste à abaisser ou augmenter la tension réseau, or le transformateur n'est pas utilisé uniquement pour cela. Imaginez que vous ayez un amplificateur BF et que l'impédance de sortie de cet amplificateur soit de 200 W, en face de cela vous utilisez un haut-parleur de 4 W. Même sans avoir encore vu le chapitre dédié aux adaptations d'impédances, il vous semble évident que quelque chose ne va pas aller. On peut  (on doit) dans ce cas de figure réaliser une adaptation et on la réalise grâce à un transformateur.

Et maintenant les impédances

Nous appellerons Z1 l'impédance du primaire et Z2 l'impédance du secondaire.
Essayons de calculer le rapport Z1/Z2

Z2      U2 / I2             U2           I1
__ =   _______  =  ____ x  ____
Z1      U1 / I1             U1           I2

Nous remarquons que U2/U1 = m et que
I1/I2 = m
donc Z2/Z1= m2
 

 transfo4.gif (1420 octets)


Ce résultat est à retenir, servez-vous de l'exemple qui suit.
Nous devons relier la sortie de notre amplificateur de 200
W à notre haut-parleur de 4W.
Quel devra être le rapport de transformation de notre transformateur ?

m =  racine (4/200) = 0,14, càd que notre secondaire devra avoir 7 fois moins de spires  (1/0,14) que notre enroulement primaire, notre transfo devant être abaisseur dans ce cas là.



Le monde réel :

Nous avions supposé notre transformateur parfait, hélas comme vous avez déjà dû le remarquer dans cette vie, rien n'est parfait et le transformateur n'y échappe pas.
Le transformateur a des pertes par courants de Foucault, et vous remarquerez, plus particulièrement sur les petits modèles que même à vide càd sans charge au secondaire, le transfo chauffe !
Les fils composant les enroulements sont résistants, c'est incontournable. Plus le courant demandé croît, plus la chute de tension RI croît, plus l'effet joule croît, moins la tension disponible au secondaire est importante.
Le transformateur est également affligé de perte par hystérésis. Tout ceci conduit à une perte de rendement du transformateur.
Le rendement se calcule en divisant la puissance sortie au secondaire par la puissance consommée au primaire.

L'auto transformateur :

Il existe un type de transfo appelé auto-transformateur. J'attire votre attention sur le fait qu'il ne s'agit pas d'un véritable transfo offrant une isolation complète de la source, l'auto-transfo à un point commun réseau-utilisation et peut s'avérer dangereux. Sur le principe on déplace un curseur sur l'enroulement primaire, c'est tout.

transfo5.gif (1196 octets)


La puissance et les transformateurs :

La puissance des transformateurs s'exprime en VA (volt ampère). Ce n'est pas une curiosité, ceci permet de s'affranchir des inévitables déphasages tension courant et d'exprimer ainsi une puissance maximum susceptible d'être fournie par le transfo.

Rappelons qu'aux pertes près, P1 = P2. Le rendement des transformateurs classiques avoisine les 0,85 - 0,9 soit 85 à 90 %.


Les transformateurs en HF :

Vous utiliserez fréquemment les transformateurs en HF. Ils servent souvent sur un enroulement à constituer un circuit résonnant, l'énergie est ensuite transmise par le secondaire à l'étage suivant.
Les tores qui ont été longtemps ignorés par les radioamateurs français sont de plus en plus utilisés. L'utilisation de tores, hormis l'aspect financier, n'offre que des avantages.
Le rayonnement et les fuites sont supprimés, les blindages ne sont plus nécessaires, c'est compact et facile à réaliser.
Vous trouverez souvent dans le circuit magnétique un noyau permettant de faire varier L donc la fréquence d'accord du circuit. Il existe des noyaux en ferrite et des noyaux en aluminium qui ont exactement le comportement opposé. Ceci est résumé dans le tableau ci dessous.

Noyau ferrite Noyau alu
Enfoncer F diminue F augmente
Sortir F augmente F diminue

Le transformateur est un composant indispensable, il nous aidera à résoudre bon nombre de problèmes d'adaptation d'impédances, en autres sans négliger, par ailleurs, son rôle "historique" d'élévateur ou abaisseur de tension.