LE TRANSFORMATEUR

Bonjour à toutes et à tous.

.

Encore un titre qui claque comme celui d’un bon vieux film d’horreur…
Avec un synopsis genre :

Dans une forêt noire, au fin fond d’un chemin bosselé et tortueux, bordé d’arbres noueux aux formes étranges, se détache la silhouette sordide d’une cabane trouée où habite un homme torturé par de multiples démons du passé, un savant fou que seules de pauvres créatures ont, pour leurs malheurs rencontrées.
Elles étaient humaines, avant de devenir ce qu’elles sont devenues, avant de croiser le chemin… Du TRANSFORMATEUR !!! (musique lugubre…).

Bon…

Aujourd’hui, j’ai décidé de vous parler d’un composant qui en fait n’est que l’assemblage de deux bobines autour d’un même noyau, alors si je n’ai pas parlé de la bobine, qu’on appelle aussi une self ou encore une inductance, c’est parce que ce composant est très basique puisqu’il s’agit d’un simple fil enroulé sur lui-même ou autour d’un noyau.
La bobine est un composant très usité car très utile dans nombreux domaines qui vont de l’audio à la radio en passant par l’automobile et la téléphonie, c’est un élément inductif pouvant même être utilisé comme capteur.
Bon, le comportement d’une bobine est lié au fait qu’un conducteur émet un champ magnétique lorsqu’un courant le traverse, ce champ étant renforcé si ce conducteur est enroulé.
C’est le principe de l’électro-aimant, de la bobine d’allumage, du relais…
… Et du transformateur, mon invité du jour…

.

AVERTISSEMENT :

Les transformateurs secteurs délivrent en général des tensions inoffensives, cela dit, il faut bien entrer la tension domestique et cette partie du transformateur est potentiellement mortelle, nombre de ces engins, non contents de convertir une tension en une autre se sont aussi permis de convertir des êtres vivants en choses inertes…
Vérifiez bien si le transfo que vous allez manipuler n’est pas alimenté.

Vous voilà ainsi prévenus.

Autre chose : dans cet article je ne parlerai qu’en présence de mon avocat en détails que du transfo « abaisseur » monophasé car c’est lui qui est le plus usité, mais le principe est le même pour les autres.

Ensuite, sachez qu’avec le transformateur, on ne va travailler qu’en tension alternative, c’est ainsi qu’il fonctionne et nous en reparlerons plus avant.
Sachez aussi que la « transformation » en question n’en n’est pas une, c’est plutôt une conversion.
Encore un abus de langage qu’on a déjà rencontré chez d’autres composants, moi j’aurais appelé ce dispositif un convertisseur, mais on ne me demande jamais rien et je trouve cela injuste et même irréfléchi quand j’entends les immenses conneries que sont capables de sortir les candidats aux élections quand il s’agit d’écologie liée à l’énergie. Mais là, comme à mon habitude, je m’égare un peu…

.

Un peu d’histoire :

L’histoire des champs électro-magnétiques date de la création de l’univers, au niveau humain, même si on connaissait déjà l’électricité et le magnétisme depuis l’antiquité (ambre, aimants naturels, peau de matou…), ils étaient domaines « séparés » jusqu’en septembre 1820 ou un certain Hans Christian Oersted (1777-1851) fit l’expérience qui porte son nom et motiva un autre physicien (André Marie Ampère 1775-1836), qui était dans l’assistance de l’académie des sciences ce jour là, à aller plus loin en décrivant une semaine plus tard toutes les lois de l’électromagnétisme telles qu’elles nous sont connues aujourd’hui. Il est intéressant de préciser que ce dernier a toujours cité Oersted dans les communications concernant ses démonstrations sur le sujet, et ça, c’est beau.
Bon, ils n’ont pas inventé le transformateur, c’est venu un plus tard par les travaux sur l’induction magnétique et l’apparition des bobines d’induction menés par tout un tas de savants de nationalités différentes.
A la base de tout cela, qui mènera à l’apparition des premiers transformateurs électriques vers 1880, nous retiendrons deux noms célèbres : Michael Faraday (1791-1867) et Joseph Henry (1797-1878).
En passant, nos deux compères, comme certains, ont laissé leurs noms comme unités : Le Farad pour la capacité électrique et l’Henry en ce qui concerne l’inductance.

.

Ceci dit, commençons.

Puisque nous savons ce qu’est le flux électrique et que nous connaissons quelques composants incontournables, il est grand temps de penser à les alimenter autrement qu’avec des piles ou des accumulateurs.
En effet, bien que les générateurs chimiques soient les garants d’un flux électrique régulier, ils ont deux principaux inconvénients : leur prix et leur durée de vie, sans compter que sur leur fin de vie, ou de décharge, la tension se casse la figure.
Une autre source de tension facilement accessible, permanente et qui est donc la plus utilisée est la prise secteur domestique.
Le problème est qu’en électronique, le flux électrique est continu et le plus souvent en basse tension…
La prise secteur, elle, délivre une tension bien plus haute et de surcroît alternative, inutile de vous décrire les fâcheuses conséquences de son branchement direct sur un circuit conçu pour être alimenté par une basse tension continue :

Clic!…Pssssschiiiiitt!!!…Paf!!!…Pin!Pon!Pin!Pon!Pin!Pon!….Bip!..Bip!….Bip!……..Biiiiiiiiiiiip!…
« Désolé madame… C’était votre mari ? ». 😦

Pour une utilisation en électronique, il y a falloir triturer un peu notre tension domestique, de prime abord il faut l’abaisser, ensuite la redresser, puis la lisser et très souvent, la stabiliser.

.

L’abaissement :

Pour cela, l’utilisation d’un transformateur est une très bonne solution (si on met de côté son prix relativement important et proportionnel à sa puissance).
Une autre manière de faire, serait d’utiliser une grosse résistance, ce qui apporterait en bonus un chauffage auxiliaire, mais ne serait vraiment pas terrible en terme de rendement et de consommation.
Encore une autre manière serait d’utiliser la réactance d’un condensateur, l’inconvénient c’est que c’est assez limité en puissance, mais cela convient très bien pour alimenter des LEDs par exemple (chez moi 70% de l’éclairage est basé là-dessus).
Bon, ne nous égarons pas trop… L’article concerne le transformateur… Son utilisation est simplissime, on branche son primaire sur le secteur et on récupère la tension convertie sur les broches de son secondaire.
Primaire ? secondaire ? nous verrons un peu plus loin de quoi il s’agit.

.

Le redressement et le lissage :

Une fois la tension domestique abaissée par le transformateur, elle reste alternative (donc oscille entre positif et négatif 50 fois par seconde), son redressement est facile grâce à l’usage d’un composant que nous connaissons bien : la diode, il existe plusieurs méthodologies de redressement : mono alternance à une diode, double alternance à deux ou quatre diodes…
La plus usitée, est la double alternance à quatre diodes en pont, ce montage est appelé « pont de Graetz » (en hommage à Léo Graetz (1856-1941)).
En gros, cette méthode transforme les alternances négatives en positives, mais il faut savoir que les diodes (qui ont leur seuil de polarisation) font subir une perte d’amplitude à la valeur de crête égale à leur chute de tension, c’est le seul inconvénient de cette méthode, problématique seulement lors du redressement d’une faible tension.

Après ce redressement, la tension est positive mais alterne encore, cette fois entre le zéro et la crête, il faut maintenant la lisser grâce à l’emploi d’un autre composant incontournable : le condensateur qui va se charger lorsque l’alternance monte à la crête et se décharger lorsqu’elle redescend.
Il va en résulter alors une tension continue, encore légèrement ondulante mais exploitable.

Pour illustrer cela, voici un transformateur relié à un circuit de redressement comportant un pont de Graetz et un condensateur de lissage/filtrage :



Nous voyons bien les quatre diodes et le condensateur (électrolytique) de lissage, vous remarquerez en passant, les deux bobinages du transformateur, superposés autour de son noyau que l’on devine et la présence d’un fusible, toujours utile.

Aparté : ce montage est mal identifié car l’étiquette laisse entendre que le transformateur sort 17 Volts et effectivement, si nous branchons un voltmètre à la sortie du montage, il nous indique bien 17 Volts en continu… Mais c’est pourtant bien un transformateur 12 Volts qui est utilisé.
D’où viennent donc ces 5 Volts supplémentaires ? c’est la cause du redressement, parce que la tension à été mesurée alors que le transformateur fonctionnait à vide le 17 Volts correspond à la tension de crête après redressement (le condensateur s’est chargé à cette valeur).
L’amplitude baissera lorsqu’une charge sera reliée, le condensateur chargera, et délivrera les 12 Volts attendus.

Je fais un autre petit aparté en ce qui concerne la récupération d’un circuit de redressement dont on ne connait pas la date de fabrication… En effet, si le condensateur à déjà pas mal d’heures de fonctionnement, il serait de bon aloi de le changer car s’il se met en court circuit, le transformateur va cramer et si vous comparez le prix d’un condo à celui d’un transfo~~> 😦

Bon, encore un petit aparté : un circuit de redressement à deux diodes n’est pas intéressant et n’est plus utilisé depuis un bon moment (il exige un tranfo à prise médiane), je l’ai cité parce qu’il à existé du temps de l’électronique à lampes et qu’il est possible de le rencontrer sur d’anciens montages…

Et encore un aparté pour dire qu’il y en a assez, des apartés mais je ne sais pas pourquoi j’adore les apartés, je suis donc un « apartémaniaque », alors, s’il y a un psychologue dans la salle… 🙂

.

La stabilisation :

Le courant secteur n’est pas un exemple de stabilité, et la charge aussi varie… D’un coté comme de l’autre cela crée des fluctuations gênantes, il faut donc un troisième sous-montage afin de délivrer une tension invariable quelques soient les fluctuations d’amont et d’aval… C’est très souvent impératif.
Bon, c’est un article sur le transformateur, mes dérives sur le redressement, le lissage, et la stabilisation ne sont la que pour mettre en évidence le rôle principal de la vedette de cet article et le fait qu’il ne sert pas à grand chose utilisé seul.
Pour stabiliser une tension, il existe pléthore de méthodes et de composants comme les régulateurs (sans blague !!!).
Mais rien n’empêche de faire un circuit de régulation à l’aide de transistors (Darlington), de diodes (Zener) et de condensateurs (encore et toujours).

J’ai passé sous silence la protection contre les courts-circuits qui doit aussi être étudiée et qui fait appel aussi à un autre sous-ensemble, moins compliqué il est vrai, mais indispensable si on n’est pas un adepte de la roulette Russe… Jeu stupide :
« Pan ! Perdu ! On recommence ? »
« Juste un moment Igor, j’enlève la balle… »

.

Le principe du transformateur et sa constitution :

il est simple (mais il fallait y penser) car il repose sur l’induction électro-magnétique.
En présence d’un flux électrique le traversant, un conducteur génère un champ magnétique, ce champ, s’il est placé à proximité d’un autre conducteur et s’il est variable dans le temps, va créer une force électromotrice engendrant un courant électrique.
Le transformateur utilise cette propriété sous la condition que chaque conducteur, sous forme de fil isolé, soit bobiné autour d’un noyau commun et conducteur lui aussi.
Nous avons donc deux circuits isolés galvaniquement, couplés magnétiquement par induction lorsqu’un courant est appliqué sur l’un des enroulements.
Ces deux enroulements, sont appelés primaire et secondaire.
Sur le primaire, nous appliquons la tension d’entrée, donc celle que nous voulons transformer et nous récoltons la tension convertie sur le secondaire.
Le nombre de spires au secondaire correspond à une tension par rapport au nombre de spires du primaire, pour faire simple, si l’on bobine le même nombre de spires au secondaire qu’au primaire, nous y obtenons à peu près la même tension.
Le nombre de spires, le diamètre du noyau et des fils, conditionnent la puissance.
Si on ajoute des spires au secondaire alors sa tension augmentera, si on en enlève alors elle diminuera.
Bien entendu si on élève la tension, l’intensité va diminuer et vice-versa.

Un transformateur est très flexible, on peut enrouler plusieurs secondaires voire se brancher à divers points d’un même, histoire de récolter plusieurs tensions différentes qui seront, je le rappelle, toutes alternatives, inutile donc d’envoyer du continu sur le primaire, vous ne récolterez rien sur le secondaire car seule l’alternance du flux permet l’effet.
Le noyau d’un transformateur n’est pas un bloc de ferraille mais est constitué d’un empilage de fines tôles isolées en fer doux, un feuilletage nécessaire afin d’éviter les pertes magnétiques. En effet si vous envoyez un champ magnétique alternatif puissant autour d’un morceau en fer massif, il va exagérément chauffer jusqu’à faire fondre tout ce qui en est proche (c’est d’ailleurs le principe utilisé dans certaines fonderies).
Le choix de la matière des tôles est aussi important pour le rendement afin de réduire les pertes magnétiques dites « pertes fer ».
Alors on a tout essayé au niveau des matériaux, (permalloy, anhyster…) et on en est arrivés aux tôles au silicium à grains orientés qui sont de nos jours les plus utilisées grâce à leur grande perméabilité offrant une induction plus élevée.
Pour réduire encore les pertes (en bloquant les courants de Foucault), les tôles sont isolées les unes des autres par un composé du genre vernis à grande rigidité diélectrique, et leur forme est aussi variable (en M, en U, en C, en R…).
Bon, un article n’y suffirait pas puisque l’isolation, la matière et même le type de bobinage sont importants afin de réduire les pertes dites « pertes cuivre » selon le type de transfo voulu (bobinage en galettes alternées, enroulage bi-concentrique…).
Oui, c’est un peu le serpent qui se mange la queue car en réduisant un type de perte, on en augmente un autre…
Il existe ainsi des transformateurs toriques (ceux qui ressemblent à des galettes), c’est le même principe sauf que le primaire et le secondaire sont enroulés autour d’un noyau circulaire formé par une bande de tôle fine enroulée sur elle-même, ces transformateurs ont un meilleur rendement, rayonnent très peu, ne vibrent pas, sont de volumes et poids moindres à puissances égales, mais sont plus chers à cause de leur mode de fabrication plus compliqué.

Bon, voilà pour le principe et la constitution, passons maintenant au côté sombre de la chose.

.

L’identification :

beaucoup de transformateurs ne portent sur eux aucun marquage sur leurs caractéristiques ou bien des références constructeurs souvent inintelligibles et c’est bien dommage au vu du prix de ces engins.

Voici un vieux transformateur bien identifié, hélas c’est plutôt rare :



C’est un modèle dit « à étrier » avec un cadre en tôle qui permet sa fixation sur un châssis, ce cadre contribue au maintien des tôles empilées (astuce : si l’animal commence à vibrer il est possible d’y remédier en serrant le cadre à l’aide d’un étau).
Nous voyons bien ici que ce transformateur possède un primaire de 220 Volts et un secondaire de 22 Volts, qu’ils sont bien localisés (haut/bas) et qu’il envoie 1,5 Ampères, comme vous avez lu mon article sur les bases de l’électricité, alors vous connaissez la formule qui permet de calculer la puissance (P=UI), ainsi la puissance de notre ami est donc de 33 Watts.
En général la puissance d’un transfo est plutôt exprimée sous la forme « VA » qui signifie Volts X Ampères donc, comme P=UI alors P=VA donc VA= Watts… CQFD.
Notre exemplaire serait donc estampillé « 220V-22V-33VA »
Ça ne change pas grand chose puisque si, à partir de cette dénomination, nous recherchons l’intensité plutôt que la puissance, il suffit d’appliquer I=P/U donc A=P/V ce qui donne : 33/22=1,5A

.

OK, mais si on part d’un transformateur non identifiable ?

Tout d’abord, localiser primaire et secondaire :

en ce qui concerne les fils, quand il y en a, leurs couleurs sont fantaisistes, c’est joli mais peu utile.
Ça pose un problème, et si comme moi vous en récupérez à droite et a gauche il va falloir connaître certaines données pour éviter de griller les enroulements de l’animal en le branchant au petit bonheur la chance ou en lui envoyant/demandant trop de puissance.
Ne croyez pas que le primaire est forcément celui qui n’a que deux fils, il existe des transformateurs avec trois fils au primaire et deux fils au secondaire car certains sont prévus pour entrer du 110V ou 220V au choix et ne sortir qu’une seule tension.
Compter les fils ne suffit donc pas, il faut aussi les regarder de près.
Dans le cas général qui nous intéresse, nous sommes face à un transformateur abaisseur de tension donc l’enroulement primaire est constitué d’un fil de faible section avec beaucoup de spires et le secondaire d’un fil de section plus importante avec moins de spires que le primaire.
Mais souvent, on ne voit pas les fils cachés sous un cache protecteur (souvent adhésif) qu’on hésite à enlever (dans ce cas là il faut regarder du coté des connexions), pire encore, c’est chose impossible avec les transformateurs moulés (bon, ceux-ci sont généralement marqués).
Un multimètre va nous être d’une grande aide pour mesurer la résistance des enroulements.
Nous savons tous qu’un fil de faible section est plus résistif qu’un autre de section plus importante, nous savons aussi que plus le fil est long, plus il est résistif.
Voilà donc comment discerner le primaire du secondaire, tout simplement en comparant leur résistance Ohmique respective.
Vous l’avez compris, le plus résistif est le primaire.

Ensuite le voltage :

facile, on alimente le transformateur par son primaire, et on pose les pointes de touche d’un multimètre (réglé sur alternatif bien entendu) sur le secondaire.

La puissance maintenant :

là, les choses se corsent et c’est un peu la galère car les formules permettant le calcul de la puissance d’un transfo demandent des données difficiles à obtenir :

– La section du noyau en mm2 (qui se calcule donc en multipliant sa hauteur par sa largeur).
– La perméabilité des lamelles selon leur matière (en Weber 1.10 à 1.40).
– Le coefficient de rendement des lamelles (0.80% à 0.90%) selon leur qualité.

Bon, ce n’est pas facile et pourtant c’est important parce que si vous tirez trop de courant, vous allez ponctionner des points de vie à l’animal qui pourtant utilisé normalement survivra dans le temps à pratiquement tous les composants de votre montage…
Alors que faire ?
J’ai trouvé dans mes anciens grimoires une formule simplifiée qui permet (à partir du moment où la section du noyau est mesurable) d’avoir une bonne idée de la puissance qu’il peut fournir.
Donc vous mesurez la section du noyau (nous sommes d’accord, le noyau c’est la partie de l’empilage des lamelles où s’enroulent les spires), vous l’élevez à la puissance 2 puis vous divisez le résultat par 13500 et vous obtenez alors une puissance en Watts.
Ce n’est pas encore terminé, il faut maintenant multiplier ce résultat par le coefficient de rendement des tôles que nous ne connaissons pas, alors nous prenons un rendement faible de 0.80% et nous avons notre approximation.
C’est une approximation qui fonctionne, mais vérifiez quand-même que ça ne chauffe pas trop sous la charge.
A propos de chaleur, les transformateurs peuvent chauffer assez fort sans dommages car les matériaux utilisés le permettent, mais on ne me retirera jamais de l’idée que ce n’est pas vraiment bon dans le temps et que la chaleur c’est de l’énergie perdue.

Et si on a pas accès au noyau ?
J’ai une autre méthode, elle est déjà visuelle: mini transfo=mini puissance, petit transfo=petite puissance, moyen transfo=moyenne puissance, gros transfo=grosse puissance, énorme transfo=énorme puissance.
Vous l’avez compris, et cela suit une certaine logique… Plus le transfo est puissant, plus les diamètres des bobinages sont importants, plus le noyau est imposant, et plus il est lourd.
Déjà cela me permet d’avoir une idée de la puissance, et quelquefois cela suffit, si je veux plus de précision, je branche sur la sortie une petite charge genre 250mA pour un petit modèle et je tâte le transformateur, s’il n’est pas trop chaud j’augmente ensuite graduellement la charge jusqu’à que la température augmente, je pars du principe qu’en utilisation normale un transformateur doit dissiper une température très raisonnable.
Donc si j’ai besoin de 3A et qu’en tirant 1A le transformateur est déjà très chaud j’en essaye un autre.
C’est pour cela que j’en ai beaucoup en stock et que j’en récupère à chaque fois que j’en ai la possibilité.

En voici quelques-uns de ma collection :



Le plus gros, en bas à gauche, est un transformateur de four micro-ondes (c’est un élévateur qui sort 2000V !!!), le plus petit, en bas à droite est un transformateur moulé à souder directement sur un circuit imprimé ce qui est très pratique.

.

D’autre types ?

Oui, il en existe, le plus courant des transformateurs est celui dont je viens de parler et qu’on pourrait appeler « Transformateur d’alimentation abaisseur de tension domestique à 50Hz »
Mais il en existe d’autres, tous bâtis sur le même principe mais adaptés à d’autres fréquences, d’autres usages.
En voici quelques types particuliers :

– Transformateur élévateur de tension : le même que l’abaisseur mais inversé, ne croyez pas que c’est un abaisseur branché à l’envers (n’essayez pas… Boum !!!), mais c’est le principe.

– Transformateur d’isolement : C’est un transformateur qui restitue la même tension que celle qu’il reçoit. Vous allez me dire qu’il n’y a aucun intérêt à utiliser ce « non-transformateur », ne croyez pas cela car dans ce cas particulier, on utilise une particularité du transformateur : son isolation galvanique entre primaire et le secondaire gage de sécurité.
Il est donc utile dans les équipements de sécurité, bloc opératoire d’hôpital par exemple ou bien pour effectuer des mesures du côté primaire d’une alimentation avec un appareil de mesure relié au secteur comme un oscilloscope.

– Transformateur HF : HF comme hautes fréquences (vidéo par exemple).

– Transformateur BF : BF comme basses fréquences (audio pour adapter un micro à un ampli par exemple).

– Transformateur HT et THT : HT comme haute tension, THT comme très haute tension, la grosse patate en K volts, dangereux l’engin, utilisé sur les tubes cathodiques, les moteurs à explosion.

– Autotransformateur : c’est un transformateur à un seul bobinage, ses avantages sont qu’il est moins cher, plus petit et que son rendement est plus élevé son inconvénient principal est qu’il n’a pas d’isolation galvanique (danger !).

– Autotransformateur variable : communément appelé « Variac » c’est un autotransformateur dont on peut bouger le point de prélèvement de la tension via un curseur qu’on déplace le long d’un enroulement toroïdal mono-couche.

– Transformateur de mesure : il permet de mesurer de très très forts courants sans danger, très pratique aussi car nul besoin d’ouvrir le circuit pour insérer un shunt (c’est le principe de la pince ampèremétrique).

– Transformateur de puissance : les gros trucs qu’on voit souvent sur les bords de grandes routes, faciles à repérer puisque les lignes aériennes à très haute tension s’y branchent, bon, là c’est du très lourd avec refroidissement actif.

.

C’est la fin.

Voilà, nous sommes en fin d’article, son but était de présenter cet incontournable et comme à mon habitude, je me suis laissé un peu entraîner par le sujet, le freinage a été dur mais efficace puisque j’ai ainsi évité les rébarbatives formules mathématiques associées aux champs magnétiques et électriques, conservant ainsi à ce site une certaine vulgarisation qui est sa marque de fabrique et sa raison de vivre.
J’aime bien le coté « magique » du transfo, son utilité aussi, j’ai déjà dit quelque part que sans lui pas question de transporter un flux électrique sur de longues distances sans pertes très importantes.
Certains ont des dimensions qui se mesurent en mètres, certains autres coûtent un bras car ils utilisent des matériaux et des traitements spécifiques comme par exemple des tôles au cobalt-vanadium pour obtenir des rendements proches de la perfection.
D’autres encore sont tellement puissants qu’ils sont refroidis, (autrefois avec des substances très polluantes (PCB chez EDF) et maintenant par des huiles minérales qui le sont moins), et on trouve dans certains laboratoires de recherche des types très spécifiques aux formes étranges qui sont visuellement des œuvres d’art mais c’est subjectif…

.

À bientôt.