Le transformateur

Principe du transformateur

1.1.1 Construction

Le transformateur est constitué de deux bobines positionnées de telle sorte que le champ magnétique variable, produit par l'une, embrasse les enroulements de l'autre. Pour repérer ces dernières, on appelle primaire la bobine alimentée par la source CA et secondaire, la bobine raccordée à la charge. Examinez la Figure 1-1.

Figure 1-1 Symbole du transformateur

1.1.2 Rapport de tours

N.B.: Dans notre étude, nous supposerons que le transformateur est idéal. Cela veut dire que toutes les lignes de force provenant du primaire atteignent le secondaire. On dit ains

i que le couplage est parfait.

Supposons que le primaire est constitué de 1000 tours de fils et le secondaire, de 500 tours। En appliquant une tension CA de 220 volts au primaire, un champ magnétique variable s’échappe des enroulements du primaire. Ainsi, les lignes de force provenant du primaire croisent les enroulements du secondaire en induisant une tension à se

s bornes. La valeur de cette tension est trouvée comme suit:

1.1.1 au primaire:

e primaire = N primaire x Df / Dt (loi de Faraday)

ou encore: ep / Np = Df / Dt

La tension CA provenant de la source au primaire induit une variation du champ magnétique ...

1.1.2 au secondaire:

U secondaire = N secondaire x Df / Dt

ou encore: es / Ns = Df / Dt

La variation du champ magnétique provenant du primaire induit une tension au secondaire. La variation du champ magnétique (Df / Dt) au secondaire étant la même qu'au primaire, on peut alors déduire ceci:

ep / Np = es / Ns

et enfin

ep / es = Np / Ns = a

et encore

ep = a x es

Si a est plus grand que 1, le transformateur est dévolteur.

Si a est plus petit que 1, le transformateur est survolteur.

En revenant au transformateur du début où Np = 1000, Ns = 500 et ep = 220 volts.

a = 1000 tours / 500 tours = 2 (dévolteur)

es = 220V / 2 = 110V

# 1 - Exemple

Un transformateur a un rapport de tours de 0,5.

Questions:

a) Np = 2000 tours que vaut Ns?

b) Si ep = 220 volts CA, que vaut es?

c) Est-il survolteur ou dévolteur?

Solutions:

a) Np / Ns = a => Ns = Np / a = 2000 / 0,5 = 4000 tours.

b) ep / es = a => es = ep / a = 220V / 0,5 = 440V.

c) survolteur (a<1)

# 1 - Exemple

Un transformateur a 1000 tours au primaire et 100 tours, au secondaire.

Questions:

a) a = ?

b) Si es = 10 V, que vaut ep?

c) Est-il survolteur ou dévolteur?

Solutions:

a) a = Np / Ns = 1000 tours / 100 tour

s = 10

b) ep = es x a = 10V x 10 = 100V

c) dévolteur (a>1)

# 2 - Exemple

Un transformateur a 220V appliqués à son primaire et on retrouve 40V à son secondaire.

Questions:

a) a = ?

b) Si Ns = 100 tours que vaut donc Np?

c) Est-il survolteur ou dévolteur?

Solutions:

a) a = ep / es = 220V / 40V = 5,5

b) Np = Ns x a = 100 tours x 5,5 = 550 tours

c) Dévolteur (a>1)

1.2 Comportement en courant

Un transformateur ne dépense ni ne fournit d'énergie (transformateur idéal), c'est-à-dire que toute l’énergie qui y entre doit forcément en sortir:

P entrée = P sortie

P primaire = P secondaire

ep x ip = es x is

ep / es = is / ip = a

Cette relation démontre: lorsqu’un transformateur est dévolteur, le courant du secondaire (is) est supérieur à celui du primaire et évidemment; lorsqu’un transformateur est survolteur, le courant au secondaire (ip) sera inférieur à celui du primaire। Ceci explique aussi les différences de grosseur des fils observées entre le primaire et le secondaire d’un transformateur.

# 1 - Exemples

Une charge de 10 W est reliée au secondaire d'un transformateur dont le rapport de tour est 4,4. La tension appliquée au primaire est de 220 volts.

Questions:

a) es = ?

b) is = ?

c) ip = ?

d) P sortie = ? et P entrée = ?

e) Est-ce que P sortie = P entrée ?

Solutions:

a) es = 220V / 4,4 = 50V

b) is = 50V / 10W = 5A

c) ip = is / a = 5A / 4,4 = 1,14A

d) P sortie = 5A x 50 V = 250 watts

P entrée = 220 volts x 1,14A = 250 watts

e) P entrée = P sortie = 250 watts

1.2 Caractéristiques des transformateurs d'alimentation

1.2.1 Caractéristiques principales

Dans les fiches signalétiques, on rencontre généralement ceci:

a) Tension de primaire;

b) Tension de secondaire (avec et sans charge);

c) Puissance maximale transformable exprimée en VA (volts x ampères) ou le courant maximum (à pleine charge) au secondaire.

1.2.2 Résistance interne au secondaire

La tension de secondaire est différente avec et sans charge. Ceci est causé par la résistance interne. Elle provient de la résistance des fils utilisés pour les enroulements et des diverses pertes du transformateur. On évalue cette résistance en se servant des caractéristiques fournies par les manufacturiers de transformateurs (voir les fiches signalétiques) et du théorème de Thévenin. Examinez la Figure 1-2।

Figure 1-2: Résistance interne d'un transformateur।

# 1 - Un transformateur 167L36 de la compagnie Hammond (É.U.) a les spécifications suivantes:

ep = 115 V - 60 Hz

esNL = 38.3 Vct*

esFL = 36 Vct*

isFL = 2 A

*ct = center tap = prise médiane

Questions:

a) Que vaut R int?

b) Quelle est, en VA, la puissance transformable par ce transformateur?

Solutions:

a) R int = (esNL - esFL) / isFL = (38.3V - 36V) / 2A = 1.15W

b) P sortieFL = 36V x 2A = ७२व

Figure 1-3: Hammond 167L36 (É.U.).

Les points indiquent la phase entre le primaire et le secondaire।

1.1 Types de transformateurs

1.1.1 Transformateur à secondaires multilpes

Figure 1-4: Transformateur à secondaires multiples

On y voit:

Un secondaire pouvant fournir 5 ampères à 6,3 volts CA.

Un secondaire pouvant fournir 1 ampère à 12,6 volts CA.

Un secondaire avec prise médiane divisant le secondaire en deux secondaires de 5 volts CA, chacun pouvant fournir 3 ampères.

1.1.1 Autotransformateur

Dans un autotransformateur, le primaire et le secondaire partagent ensemble une partie de leur enroulement. Toutes les règles vues précédemment concernant les transformateurs s'appliquent à ce type de transformateur.

# 1 - Examinez la Figure 1-6.

1.1 Isolation du secteur

Règle générale, le boîtier métallique d'un appareil électrique est relié à la masse. Cependant, si deux appareils électriques près l’un de l’autre étaient branchés au secteur et si le fil vivant de l'un et le fil neutre de l'autre étaient branchés sur le boîtier de l’appareil, une différence de potentiel égale au secteur serait présente entre ceux-ci. Il y aurait la possibilité d’une électrocution (Figure 1-7).

Si l'alimentation de ces deux appareils utilisait des transformateurs, ils seraient alors électriquement isolés l'un de l'autre. (Figure 1-8).

N.B.: Un auto-transformateur ne peut servir à isoler du secteur.

1.1 Exercices

# 1 - Quel est le rapport de tours d'un transformateur ayant 40 tours au secondaire et 680 tours, au primaire?

# 2 - Quel est le rapport de tours d'un transformateur qui a une tension secondaire de 550 V lorsqu'une source de 220V à 50 Hz est branchée au primaire?

# 3 - Quelle tension RMS doit être appliquée au primaire du transformateur du #1 pour avoir 6,3V RMS au secondaire?

# 4 - Quel est le courant ip du transformateur du #2 lorsqu'une résistance de 2k est branchée au secondaire?

# 5 - Le secondaire du transformateur du #2 possède 1400 tours. Combien de tours compte le primaire?

# 6 - Quand une charge de 0,8W est branchée au secondaire d'un transformateur dévolteur dont es = 24 V, le courant du primaire est de 8A. Que vaut alors le voltage du primaire?

# 7 - Vous êtes en train de concevoir un ampli de 100 watts RMS/canal. Vous découvrez qu'un transformateur de 60V à prise médiane est nécessaire. Sachant que l'appareil peut consommer jusqu'à 250 watts, trouvez, dans les fiches signalétiques, le transformateur qui répond à ce besoin.

# 8 - Au #7, lorsque l'amplificateur consomme 250 W, que vaut alors le courant au primaire du transformateur si l'appareil est branché sur une prise de 220 V, 50 Hz?

# 9 - Au #8, que vaut le courant au secondaire du transformateur?