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Les transformateurs

1-      Principe mis en jeu (Force éléctromotrice induite dans une spire)

Lorsqu’on place un circuit conducteur dans un champ magnérique variable, il apparait dans ce conducteur, une force électromotrice (tension) proportionnelle à la vitesse de variation de champ magnétiqe .

induction

2-      Constitution d’un transformateur :

Un transformateur est constitué

-          - D’un bobinage ou enroulement dit  primaire, alimenté par une tension variable (sinusoïdal par exemple) et qui produit un champ magnétique variable.

-          - D’un circuit magnétique qui concentre le champ magnétique variable. Le matériau constituant ce circuit magnétique dépend de la fréquence de variation du champ magnétique. L’air peut constituer le circuit magnétique ! Sa dimension dépend de la puissance à transmettre.

-          - D’un bobinage dit secondaire qui est soumis au champ magnétique variable et dans lequel est induit la force électromotrice produite par la variation de champ magnétique. (Remarque : un transformateur peut avoir plusieurs secondaires)

principe

3-      Représentation symbolique d’un transformateur :

Il existe plusieurs réprésentation symbolique d'un transformateur. Une représentation courante dans les schémas électroniques est la suivante:

schema1

4-      Quelques images de transformateur :

Distribution  grande puissance (qq MW ; 400kV, 50Hz)

               transfoHT

Transformateurs petite et moyenne puissance basse tension à circuit magnétique E/I

IMAG0231                                                     IMAG0243

                                   

Transformateur à circuit magnétique torique                    Transformateur étanche

IMAG0232                                                  IMAG0244

2 Transformateurs accordés ‘’moyenne fréquence’’ (180kHz et 480kHz)

IMAG0233

            

Transformateur à air VHF 144MHz                   Autotransformateurs  HF (1,8 à 30 MHz) dit Balun

IMAG0235                                            IMAG0234

 

Ce qu’il faut savoir pour l’examen :

Deux utilisations principales du transformateur doivent être connues :

1-     Le changement de tension

Toute la puissance électrique mise en jeu dans le transformateur est échangée entre primaire et secondaire par l’intermédiaire du circuit magnétique. Ce circuit magnétique sera dimensionné par rapport à la puissance mise en jeu. On admettra pour simplifier le raisonnement, un transformateur parfait, c'est-à-dire un transformateur dans lequel il n’y aura pas de pertes liées à son fonctionnement propre. Ce sera le cas pour les pertes dites « cuivre » liées à la résistance des enroulements. Ce sera aussi les cas pour les pertes « fer » liées à l’échange d’énergie dans le circuit magnétique. Ainsi il est admis de considérer que toute la puissance demandée au secondaire sera absorbée par le primaire sur le générateur alimentant le primaire.

L’équation de principe sera donc au départ : P primaire = P secondaire ou encore P1 = P2

principe

En respectant les indications du schéma P1 = P2 devient :

U1xI1 = U2xI2

Présenté autrement :            

equ1                  

n est appelé rapport de transformation.

-          Si  n > 1, le transformateur est dit élévateur de tension (U2 > U1)

-          Si n < 1, le transformateur est dit abaisseur de tension (U2 < U1)

-          Si n = 1, le transformateur est dit ‘’d’isolement’’ ou de sécurité (U2 = U1)

 En remarquant que chaque spire du primaire ou du secondaire est soumise à la même variation de champ magnétique circulant dans le circuit magnétique, nous pouvons admettre (mais ça se démontre !) que chaque spire (primaire ou secondaire) reçoit la même force électromotrice induite, ainsi le rapport des tensions U2 et U1 est égal au rapport du nombre de spires n1 et n2.

La première formule essentielle à savoir utiliser pour l’examen devient :

eq2

 

-          Proportionnalité entre tension et nombre de spires de chaque enroulement

-          Proportionnalité inversée entre nombre de spires et courant circulant dans chaque enroulement è n1I1 = n2I2.

Remarque : la tension est toujours plus grande du côté où le nombre de spires est plus grand.

2-     L’adaptation d’impédance :

Reprenons le cas d’un transformateur chargé par une résistance R.

tranfo2

Ecrivons que la puissanceP1 = P2

eq3

Divisons chaque membre de l’équation par I1 au carré :

eq4

Mais I2/I1 =1/n, mais aussi U1/I1 = résistance équivalent vue du primaire du transformateur :

eq5

On pourra ainsi dire que la résistance vue du primaire est égale à la résistance placée au secondaire multipliée par l’inverse du rapport de transformation au carré.

Remarque : la résistance est toujours plus grande du coté où le nombre de spire est plus grand.

Cette propriété est souvent utilisée pour adapter une charge (une antenne par exemple) à l’amplificateur de sortie d’un émetteur. Par exemple, une ligne d’alimentation d’une antenne (feeder) ramène une impédance de 200 , comme l’émetteur doit voir une charge, généralement, de 50 , le rapport de transformation devra être de n = Ö(200/50) = 2.

Ainsi le secondaire du transformateur devra avoir deux fois plus de spire que le primaire.

Cette propriété était aussi utilisée pour adapter un haut-parleur (2,5) à la charge correcte d’un étage amplificateur à lampes (5000).

Cas particulier de l’autotransformateur :

Un autotransformateur est un transformateur ‘’simplifié’’ dans le sens où il n’y a qu’un seul enroulement commun au primaire et au secondaire. Le primaire est fractionné et une prise sur une partie intermédiaire de l’enroulement fournit la tension secondaire. Il n’y a plus d’isolement entre primaire et secondaire comme dans un transformateur classique.

autotransf

Il faut noter que cet autotransformateur est pratiquement réversible 110v è 220v. Il est possible aussi de bobiner des spires supplémentaires pour obtenir une tension supérieure. Certain appareil dispose d’un contact glissant le long des spires afin d’utiliser une tension variable à partir de 0v et jusqu’à un maximum pouvant être supérieure à la tension primaire.

En radio, une forme particulière de l’autotransformateur est utilisée pour l’adaptation d’impédance (balun 1/1, 1/ 4; 1/9).

 Le balun 1/1 permet l’adaptation d’une ligne d’alimentation d’antenne asymétrique (sortie coaxiale d’un émetteur) vers une antenne symétrique comme un doublet :

balun1 1

Dans tous les cas, le choix du circuit magnétique dépend de la fréquence de fonctionnement du transformateur afin de diminuer les pertes inévitables dans le circuit magnétique. On peut utiliser des tôles en fer doux feuilletées et chargé de silicium, de la poudre de fer agglomérée (alimentation à découpage, transformateur moyenne fréquence), voir tout simplement de l’air pour les hautes fréquences.