1. Définition et propriétés

Le transformateur, un dispositif électrique dont la fonction principale est d’élever ou d’abaisser une tension entre l'enroulement primaire et l'enroulement secondaire. Cela se fait par transfert d’induction magnétique. Il est utilisé dans pratiquement tous les équipements électriques et électroniques.

Le transformateur peut assurer aussi une isolation galvanique entre deux parties d’un circuit électrique pour garantir les installations et les personnes. il permet également de protéger des dysfonctionnements d’un système. Il existe de nombreux types pour différents domaines d’applications son utilisation est relativement simple lorsqu’on a bien compris son fonctionnement. 

2. Symboles

Les transformateurs sont représentés par différents symbole normalisé que l’on peut voir sur les figures ci - dessous. Le symbole du transformateur à noyau de fer correspond à deux bobines séparées par une ligne verticales qui symbolisent le circuit magnétique. Celui-ci est indiqué sur la figure 2.

                 La figure: 2 représente  les symboles normalisés d'un transformateur.                              .                      

La figure : 3 et 4 représentent d'autres symboles d’un transformateur.

La figure: 5  Symbole d'un transformateur monophasé à deux enroulements.

3. Constitution d'un transformateur

Un transformateur est constitué de deux enroulements de fil bobinés et d’un noyau ferromagnétique fermé et composé avec un matériau de forte perméabilité. L’une de ces bobines, est appelée primaire, qui est alimentées par une source de tension alternative et l’autre enroulement, que l’on nomme secondaire, ce dernier est relié à une charge. Le principe d’un transformateur est représenté sur la figure T1.

Figure T1 Principe d’un transformateur.

4. Principe de fonctionnement

Un transformateur fonctionne selon le principe de l'induction électromagnétique, qui précise qu'un conducteur porteur de courant produit un champ magnétique autour de lui et vice-versa. Un transformateur est constitué de deux ensembles de spires voire la figure T4.

Enroulement primaire (A) : collecte la puissance

Enroulement secondaire (B) : fournit l'énergie

Les spires du primaire et du secondaire sont enroulés ensemble sur un noyau de circuit magnétique en fer, mais ces bobines ne sont pas en contact l'une avec l'autre, comme le montre la figure T2.

Le noyau est constitué d'un matériau magnétique doux composé de tôles sur la figure T4 indiqué par la lettre C reliées entre elles afin de réduire les pertes du noyau. La perte dans le noyau est la perte d'énergie dans le noyau causée par un flux magnétique alternatif. Un champ magnétique instable finit par détruire le fonctionnement du matériau du noyau.

Lorsque l'enroulement primaire figure T2 noté A est connecté à une alimentation électrique alternative, le courant circule dans la bobine et un flux magnétique est induit. Une partie de ce champ magnétique se lie aux enroulements secondaires figure T4 noté B par induction mutuelle, produisant ainsi un flux de courant et une tension du côté secondaire.

La tension produite du côté de la charge est proportionnelle au nombre de tours de l'enroulement secondaire par rapport à celui de l'enroulement primaire. La transformation de la tension et du courant est donnée par la formule suivante:

V1 / V2 = N1 / N2 = I2 / I1

• V1 :Tension appliquée à l'enroulement primaire du transformateur
• V2 :Tension produite au niveau de l'enroulement secondaire (de charge) du transformateur
• N1 :Nombre de tours dans l'enroulement primaire
• N2 :Nombre de tours dans l'enroulement secondaire
• I1 : Courant dans l'enroulement primaire
• I2 : Courant à travers l'enroulement secondaire

Figure T2 : Enroulements primaires (A) et secondaires (B) d'un transformateur enroulé sur un noyau magnétique (C)

5.Les différentes technologies

Fabrication des transformateurs

Selon la manière dont les enroulements primaires et secondaires sont enroulés autour du noyau central en acier laminé ou en fer, les transformateurs sont classés en deux catégories les transformateurs à noyau et les transformateurs à coque :

Transformateur à noyau : Dans un transformateur à noyau, les bobines primaires et secondaires sont enroulées à l'extérieur et entourent l'anneau du noyau, comme le montre la figure T3.

Transformateur à coquille : Dans un transformateur à coquille, les enroulements primaires et secondaires passent à l'intérieur du noyau magnétique en acier, formant une coquille autour des enroulements, comme le montre la figure T4.

6. Les différents types de transformateurs

6.1 Le transformateur d’alimentation

C’est un dispositif qui permet de produire les diverses tensions d’alimentations que l’on retrouve dans de nombreux circuits électriques et électroniques.

6.2 Le transformateur de tension (TT)

Il est utilisé sur les lignes à haute tension pour alimenter des appareils de mesure voltmètre, wattmètre ou de protection relais. Il sert à isoler ces appareils de la haute tension et à les alimenter à une tension adaptée.

6.3 Le transformateur d’isolement

Il permet d’assurer la sécurité d’une installation (il protège contre les électrocutions par exemple) en créant une isolation galvanique entre le primaire et le secondaire. Il se distingue par un nombre de spires presque égal entre le primaire et le secondaire. On l’utilise notamment dans les blocs opératoires.

6.4 Le transformateur d’Impédance

Il est utilisé pour adapter l’impédance de deux circuits, principalement dans le domaine audio. Les transformateurs déphaseurs ils permettent de soulager le réseau en cas de surcharge, en dirigeant l’électricité sur les lignes les moins sollicitées. Pour cela, ils créent un déphasage entre leurs tensions d’entrée et de sortie.

6.5 Les transformateurs de courant

Associés aux compteurs d'énergie et centrales de mesure, ces transformateurs permettent, grâce à un rapport de transformation adapté, de réaliser des mesures sur des circuits de fortes puissances.

6.6 L'autotransformateur

Dans ses types de transformateur, il n'existe qu'un seul enroulement l'enroulement secondaire est commun avec une partie de l'enroulement primaire. Ils permettent l'abaissement ou l'élévation de la tension.

Ces deux circuits sont donc reliés électriquement. Plus économiques et moins encombrants, ces équipements sont particulièrement utilisés pour les applications haute tension. Toutefois, les autotransformateurs présentent deux défauts majeurs en cas de défaut, la tension au secondaire peut potentiellement être égale à celle du primaire et le courant de court-circuit est plus élevé que dans un transformateur.

7. Domaines d’application des  transformateurs

Les transformateurs sont utilisés dans de nombreuses applications, comme la production, le transport et la distribution d’énergie, l’éclairage, les systèmes audio et les équipements électroniques.

7.1 Les transformateurs de distributions

Le transformateur de distribution est un transformateur qui fournit la transformation de tension finale dans le système de distribution d'énergie électrique, abaissant la tension utilisée dans les lignes de distribution utilisé par le client. Différents types de transformateurs sont disponibles, tels que les transformateurs monophasés, triphasés, souterrains, montés sur socle et sur poteau. La figure T5 montre un transformateur de distribution.

En figure T5 un transformateur de distribution.

7.2 Les blocs d'alimentations

Le bloc d’alimentation sur secteur, que l’on surnomme parfois adaptateur d’alimentation ou chargeur, est un dispositif intégrant une alimentation à découpage l’une de ses principales fonctions est la conversion du courant alternatif en courant continu. Différentes technologies existent mais le principe de fonctionnement reste le même.Ils sont utilisés dans la plupart des équipements électroniques comme par exemple les ordinateurs, les smartphones, etc. A titre d'information nous représentons en figure T6 divers chargeurs d'alimentation .

Figure T6 Divers chargeurs d'alimentation.

7.3 Les alimentations à découpage

Les alimentations à découpage utilisent aussi des transformateurs. Ces types d’alimentation sont largement utilisés dans de nombreuses applications que nous avons l’habitude d’utiliser tous les jours tels que  l'informatique, et l'électronique grand public. La figure T7 représente un module d'alimentation à découpage qui est adaptée à la fois pour les amplificateurs Class AB et Class D/T.

Figure T7  Module d'alimentation à découpage d'un amplificateur audio.

7.4 Comment contrôler un transformateur ?

L’ohmmètre ne permet pas de contrôler parfaitement une coupure ou une fuite entre deux bobines séparées. Un transformateur peut parfois avoir quelques spires en court-circuit mais, il existe une méthode beaucoup plus fiable que le multimètre pour contrôler un transformateur avec voir le montage de la figure 6.5. 

Figure 6.5 Contrôle d’un transformateur .

Un générateur de fonction et oscilloscope seront necessaires pour réalisé ce contrôle. Le générateur devra délivrer un signal de  de 50Hz , un  condensateur de 4,7 nF va assurer la liaison vers le primaire du transformateur. L’oscilloscope étant branché sur le secondaire et le signal  observable est représenté sur la figure 6.6.

Figure 6.6 Observation du signal à l'oscilloscope.

Si  le transformateur est bon le signal A sera visible sur l’écran du scope ; si une spire est en court-circuit vous aurez alors le signal B.

Conclusion