Transformateur

Un transformateur est un appareil qui ne possède aucune partie mobile, et qui permet de convertir une tension alternative donnée en une autre tension alternative, en augmentant ou en abaissant sa valeur, sans en changer la fréquence. Contrairement à l'autotransformateur, un transformateur possède une isolation galvanique entre son entrée (primaire) et sa sortie (secondaire), c'est à dire qu'aucun conducteur électrique ne relie les deux parties.

Il est doté de un ou plusieurs enroulements (bobinage) primaires, et de un ou plusieurs enroulements secondaires. Le principe de fonctionnement repose sur le transfert d'énergie par mutuelle inductance (induction électromagnétique) : le courant alternatif qui parcours l'enroulement primaire crée un champ magnétique, qui est "capté" par l'enroulement secondaire qui le retransforme alors en courant. Le rapport de transformation est lié au nombre de spires de l'enroulement primaire, par rapport au nombre de spires de l'enroulement secondaire.

Par exemple, si l'enroulement secondaire comporte 50 spires alors que l'enroulement primaire en comporte 500, le rapport de transformation sera d'environ 10. En appliquant une tension de 240V au primaire, le secondaire délivrera une tension d'environ 24V. En pratique, le transfert d'énergie ne peut être total, une certaine quantité étant perdue. Le transformateur possède une caractéristique mentionnant cette propriété, il s'agit du coefficient de couplage, qui pourra être optimisé en choisissant les matériaux et formes qui vont bien. Parfois, au primaire comme au secondaire, il peut n'y avoir qu'un seul enroulement, mais avec une ou plusieurs prises intermédiaires. Il est important de retenir que le transformateur, de par sa nature, ne peut pas transmettre de tension continue, et est limité au transfert de tensions alternatives, dont la plage d'amplitude et de fréquence dépendent de son type. Il existe plusieurs sortes de transformateurs , dédiés à divers domaines : audio, secteur, haute tension, HF, etc.

Ce type de transformateur est couramment utilisé dans la réalisation d'alimentations secteur, notamment dans le domaine amateur. Côté industriel, ce type de composant est de plus en plus souvent remplacé par des systèmes de régulation à découpage, offrant à puissance égale, moins d'échauffement, un encombrement plus réduit, et souvent une gamme de tensions d'entrée plus large.

Remarque : parfois, un transformateur n'est utilisé que pour des questions d'isolement, la tension de sortie étant alors égale à sa tension d'entrée.

Le secondaire d'un transformateur d'alimentation peut délivrer une tension supérieure à celle annoncée. En règle générale, la tension spécifiée (vendue) est celle obtenue quand on demande son maximum au transformateur, c'est à dire que son courant secondaire correspond à la valeur max pour laquelle il est vendu. Cela implique la plupart du temps une tension plus élevée quand on demande moins que le courant max. La tension maximale est obtenue à vide, c'est à dire quand le secondaire n'est relié à rien, et peut atteindre une valeur de 10% à 30% supérieure à la valeur nominale. La différence entre tension en charge et tension à vide est d'autant plus importante que la puissance du transformateur est faible. Bien que cette utilisation est rare en pratique (...), ne négligez pas ce point. Car cette particularité doit être prise en considération si vous surdimensionné votre transformateur (peur du manque, ou simple récupération).

On a l'habitude de parler puissance en Watt, mais pour les transformateur, l'unité adoptée est le VA (Volt-Ampère), du fait de son utilisation en alternatif et avec des charges qui ne sont pas forcement uniquement résistives (quand la charge est purement résistive, le VA est équivalent au W). Le transformateur présente des pertes, plus ou moins importante selon son type. Ne choisissez jamais un transformateur de puissance trop limite, il chaufferait trop. Si vous avez besoin de 24W (12V / 2A par exemple), choisissez un modèle d'au moins 30VA.

Quand un transformateur possède deux secondaires identiques, il est possible de les combiner pour augmenter la tension (par mise en série) ou pour augmenter le courant (mise en parallèle). Il convient cependant de faire très attention au câblage, le sens des enroulements doit être respecté pour permettre une telle association.

Il existe plusieurs types de transformateurs secteur : transformateurs ordinaires (rectangulaires comme sur la photo ci-avant), à étrier ou à souder directement sur un circuit imprimé, transformateurs toriques, transformateurs de type "R". Ces deux derniers présentent l'avantage de produire des fuites magnétiques (rayonnements) moindres, ce qui les rend particulièrement adaptés pour un usage en audio faible niveau.

Il s'agit d'un transformateur un peu particulier spécialement conçu pour fonctionner avec trois phases au primaire et avec deux phases au secondaire, ou inversement. Il existe deux types de câblages des bobinages permettant d'assurer cette fonction : la "Connexion Leblanc" et la "Connexion Scott".

Ce type de transformateur est capable de passer l'ensemble des fréquences utilisées pour un signal vidéo, c'est à dire plusieurs MHz.

Le transfo visible sur la photo ci-dessus présente une bande passante de 20 Hz à 11 MHz à -3 dB, tout en présentant une perte d'insertion de seulement 0,5 dB pour une source de 75 ohms et une charge de 75 ohms.

Transformateur pour téléphone

On pourrait parfaitement classer ce type de transformateur dans les transformateurs audio, puisque son rôle est d'isoler un équipement (téléphone, répondeur) d'une ligne analogique du réseau public de téléphone, en autorisant seul le transfert de la voix. La différence principale avec les "vrais" transformateurs audio réside dans la qualité de la transmission, la bande passante d'un tel composant est en effet très limitée (300Hz à 4KHz environ) avec une linéarité très mauvaise (+/-3dB sur ladite plage de fréquence). Bien entendu, ces caractéristiques un peu limite suffisent amplement pour le domaine audio téléphone. Ce type de transformateur présente une impédance de 600 ohms aussi bien pour le primaire que pour le secondaire (environ 60 ohms en continu).

Ce type de transformateur, qui présente un rapport de transformation très élevé, est destiné à produire des impulsions de haute tension (quelques milliers de volts) permettant le déclenchement d'un tube à éclats (tube xénon alimenté en tension continue sous quelques 300V environ) via son électrode d'amorçage. Ses dimensions sont réduite, car peu de puissance est demandée (en continu). Certains revendeurs de composants électronique vendent les tubes à éclats avec leur transformateur spécifique, ce qui évite d'aller chercher ailleurs celui qui convient bien au tube.

Ce type de transformateur est principalement utilisé dans les circuits électroniques d'émission ou de réception HF : émetteurs TV, émetteurs radio, CB, certains interphones sans fils, récepteurs radio, etc. La photo ci-dessus montre quelques exemples de transformateurs HF utilisés dans des circuits de démodulateurs radio d'ancienne génération. Il existe des transformateurs HF dont la taille est très différente de ceux-ci, puisque pouvant dépasser une hauteur de 2 mètres (utilisation dans des émetteurs ondes courte de très forte puissance par exemple). Dans le même registre, on trouve des transformateurs FI (Fréquence intermédiaire) utilisés par exemple dans des étages de changement de fréquence dans des équipements d'émission ou de réception. Le Theremax (une des nombreuses versions de Theremins) exploite aussi de tels transfos pour les oscillateurs "HF".

Utilisés dans les voitures (pour faire produire les étincelles aux bougies qui déclenchent l'explosion du mélange carburant), dans les téléviseurs (transfos THT pour la Très Haute Tension nécessaire au fonctionnement du tube cathodique), dans certains gadgets grand public tels que "boules à plasma" ou transformateurs de Tesla (transfos haute tension et haute fréquence) qui permettent de produire des arcs électriques de très grande longueur (supérieurs à un mètre). La manipulation de ce genre de transformateurs (quand ils sont en régime de fonctionnement) peut se révéler dangereuse, voire mortelle, aussi une très grande prudence s'impose.

Exemple d'arcs électriques produits par un transformateur de Tesla :

Il s'agit d'un composant dont le principe est aussi basé sur le transfert d'énergie électromagnétique entre deux enroulements, à la différence que le primaire est placé en série dans le circuit dont on souhaite connaitre la consommation. Parfois, c'est le fil d'alimentation du circuit à mesurer qui constitue le primaire du transfo (dans ce cas, il n'y a pas d'enroulement, juste un fil qui peut rester droit), le secondaire étant ajouté par le biais d'une pince qui peut se refermer autour (pince ampèremétrique). L'intérêt de cette méthode est qu'il n'est pas nécessaire d'interrompre le circuit d'alimentation à mesurer pour y insérer un appareil de mesure.

Exemple d'une pince ampermétrique :

Autotransformateur

Un autotransformateur permet de transformer une tension donnée en une autre, en augmentant ou en abaissant sa valeur. Contrairement au transformateur classique, l'autotransformateur ne possède qu'un seul bobinage avec une prise intermédiaire, et ne possède donc pas d'isolation galvanique entre son entrée et sa sortie. En d'autres termes, une partie du bobinage est commune à l'entrée et à la sortie (partie inférieure sur le dessin de gauche ci-dessous). Tenir compte de ce point si l'isolement au secteur est important.

Le rapport de transformation entre entrée et sortie est directement lié au rapport du nombre de spires communes sur le nombre de spires totales. Il existe plusieurs sortes d'autotransformateurs : le modèle à tension de sortie variable, le modèle à tension de sortie fixe non régulé, le modèle à tension de sortie fixe régulé. La puissance de sortie disponible dépend des modèles, on peut trouver des valeurs de 300VA tout comme des valeurs de plusieurs KVA. Il existe des modèles avec voltmètre de contrôle, d'autre sans.

Pourquoi pas un transformateur classique ?

Pour des questions de transfert de puissance entre bobinage primaire et bobinage secondaire, principalement. Il existe bien des transfos 220V/110V, mais la puissance d'utilisation est souvent limitée à quelques centaines de VA. D'autre part, un transformateur classique ne permet pas d'ajuster précisément la tension de sortie, ce qui peut être pratique pour vérifier la tension en dessous de laquelle un équipement commence à ne plus fonctionner correctement.

Un autotransformateur 230V / 115V peut dans certains cas servir pour alimenter en France un appareil prévu initialement pour fonctionner aux États-Unis. Sachant cependant que ces équipements sont étudiés pour fonctionner sous 115V / 60Hz, et que la fréquence du secteur en France est de 50Hz, il faudra s'assurer que l'équipement peut aussi fonctionner en 115V / 50Hz. Cette information est en générale disponible sur une étiquette apposée vers la prise secteur de l'équipement en question, ou indiquée dans son mode d'emploi.

- Auto-transfo variable 500VA à 2000VA (30 à 70 euros)
- Auto-transfo variable ATV1 1250VA (environ 250 euros)
- Auto-transfo variable ATV3 3500VA (environ 400 euros)
- Auto-transfo variable HSG0022 300VA (environ 90 euros)
- Auto-transfo autorégulé SVC-1000W 1000VA (environ 100 euros)
- Convertisseur de tension 300W (30 .. 40 euros)

A partir de 220 V ou 230 V, permet d'obtenir en sortie une tension de 0 à 260V, en variation continue.

Il est parfois d'usage d'appeler Transformateur les blocs d'alimentation tout faits, vendus dans le commerce, et délivrant des tensions de sortie régulées, variables ou fixe (alimentation secteur pour PC portable, par exemple). Il s'agit d'un abus de langage, l'appellation réelle étant Alimentation secteur. Ce type d'alimentation est de plus en plus souvent de type à découpage, où il n'est en général pas fait usage de transformateur abaisseur de tension comme dans les alimentations linéaires (j'ai dis en général, car cela peut tout de même se trouver). Cet abus de langage existe sans doute parce que le terme Transformateur est un peu plus ancré dans les esprits...