Principe de fonctionnement du transformateur expliqué | Guide simple

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Presque tous les appareils électroniques ont un certain nombre d'appareils plus petits soudés directement sur une carte de circuit imprimé. Carte PCB. Nous parlons ici du transformateur, un élément simple mais crucial. Sa fonction première est d'ajuster la tension d'un courant électrique. Il peut augmenter une basse tension ou diminuer une haute tension. Cette capacité est essentielle au fonctionnement sûr et efficace de notre réseau électrique et de nos appareils électroniques.

Bien que de nombreuses personnes sachent ce qu'est un transformateur mais ils n'en connaissent pas le mécanisme. Un principe physique de base sous-tend le fonctionnement de cette boîte d'apparence banale. Il n'y a pas de pièces mobiles. Elle transfère l'énergie entre les circuits à l'aide d'un champ magnétique.

Que contient un transformateur ?

Pour comprendre le fonctionnement d'un transformateur, il faut d'abord en comprendre la construction. Un transformateur de base ne comporte que quelques éléments essentiels. Sa conception est simple mais incroyablement puissante. Examinons un schéma de base de sa composition.

Pensez à un anneau rectangulaire ou carré. Cet anneau est un élément solide qui sert de base à l'appareil. Imaginez maintenant que cet anneau est entouré de deux bobines de fil différentes. D'un côté, il y a une bobine et de l'autre, l'autre. C'est la construction fondamentale d'un transformateur.

Vous trouverez ci-dessous une ventilation de ces éléments :

Le noyau de fer : Le noyau est l'anneau lui-même. Il est généralement composé d'une substance ferromagnétique, telle que le fer. C'est parce que le fer est si efficace pour conduire un champ magnétique qu'il est utilisé. Le noyau est chargé de guider le champ magnétique d'une bobine de fil à l'autre. La procédure est donc extrêmement efficace. La deuxième bobine reçoit donc la quasi-totalité de l'énergie magnétique produite par la première.

La première bobine de fil est appelée l'enroulement primaire. Elle entoure le noyau de fer d'un côté. Cette bobine sert d'entrée au transformateur. L'enroulement primaire reçoit l'énergie de la source d'alimentation. Le cuivre étant un meilleur conducteur électrique, le fil est presque toujours en cuivre. Nous verrons pourquoi le nombre de fois que le fil est enroulé autour du noyau est si important.

La deuxième bobine de fil est connue sous le nom d'enroulement secondaire. Elle entoure le noyau de fer d'un autre côté. La sortie du transformateur est cette bobine. L'électricité modifiée quitte l'enroulement secondaire et se rend au circuit ou à l'appareil qu'elle alimente. Le cuivre est également utilisé pour fabriquer ce fil. Un autre facteur crucial de cette bobine est le nombre d'enroulements. C'est lui qui détermine la tension de sortie finale.

Ensemble, ces trois composants modifient la tension. Physiquement, il n'y a pas de connexion entre les enroulements primaire et secondaire. Sur le plan électrique, ils sont distincts. Seul le champ magnétique qui traverse le noyau peut déplacer l'énergie entre eux. Un autre aspect important est cette séparation, qui offre une isolation électrique.

Le principe de base : comment fonctionne l'induction électromagnétique

Le fonctionnement complet d'un transformateur repose sur un principe physique unique et puissant : induction électromagnétique. Cette idée a été découverte par Michael Faraday dans les années 1830. C'est l'une des découvertes les plus importantes de l'histoire de l'électricité.

Qu'est-ce que l'induction électromagnétique ?

En termes simples, cela signifie qu'un champ magnétique changeant peut créer un courant électrique dans un fil. Si vous avez une bobine de fil et que vous approchez un aimant, une tension apparaîtra dans le fil. De même, si l'aimant reste immobile mais que le champ magnétique qu'il crée s'intensifie ou s'affaiblit, une tension apparaîtra également dans le fil.

Le mot clé est ici changeant. Un champ magnétique constant et immuable n'a aucun effet. Le champ magnétique doit être en mouvement ou changer d'intensité. C'est ce changement qui pousse les électrons dans le fil et crée une tension. C'est la magie du transformateur. Il utilise l'électricité dans une bobine pour créer un champ magnétique changeant. Ensuite, ce champ magnétique changeant crée une nouvelle électricité dans une deuxième bobine.

Ce principe relie le magnétisme et l'électricité. L'un peut créer l'autre, mais seulement s'il y a changement. Un transformateur est conçu pour réaliser ce processus de manière optimale. Il utilise un courant alternatif (CA) pour produire le champ magnétique changeant nécessaire. Voyons comment tout cela s'articule dans le processus de travail étape par étape.

Le principe de fonctionnement d'un transformateur, étape par étape

Maintenant que nous connaissons les pièces et le principe de base, nous pouvons examiner le fonctionnement d'un transformateur étape par étape. Le processus est une chaîne d'événements continus et sans heurts.

Entrée avec courant alternatif (AC)

Le processus commence lorsqu'une source d'énergie électrique est connectée à l'enroulement primaire. Cette source d'énergie doit fournir une courant alternatif (CA). C'est la condition la plus importante pour qu'un transformateur fonctionne.

Le courant alternatif est un type d'électricité dans lequel le courant change constamment de direction. Il circule dans un sens, puis s'inverse et circule dans l'autre sens, dans les deux sens, plusieurs fois par seconde. Aux États-Unis, la fréquence standard est de 60 hertz, ce qui signifie qu'il change de direction 60 fois par seconde. Cette nature constamment changeante du courant alternatif est la clé.

Création d'un champ magnétique changeant

Lorsque le courant alternatif circule dans l'enroulement primaire, il crée un champ magnétique autour du fil. Comme le courant varie en permanence, le champ magnétique qu'il crée varie également en permanence.

• Lorsque le courant est à son maximum dans une direction, le champ magnétique est à son maximum.
• Lorsque le courant diminue, le champ magnétique s'affaiblit.
• Lorsque le courant s'inverse, le champ magnétique change également de polarité (ses pôles nord et sud s'inversent).

L'enroulement primaire agit donc comme un électro-aimant, mais son champ magnétique n'est pas stable. Il s'agit d'un champ magnétique pulsant, qui bascule en permanence. Ce champ magnétique changeant est le vecteur d'énergie dans le transformateur.

Le noyau dur guide le terrain

Le champ magnétique changeant créé par l'enroulement primaire s'étend vers l'extérieur. Le noyau de fer est placé en plein milieu de ce champ. Comme nous l'avons dit précédemment, le noyau de fer est un très bon conducteur de champs magnétiques. Il capte la quasi-totalité du champ magnétique et le concentre.

Le noyau guide ensuite ce champ magnétique changeant le long de sa trajectoire. Il dirige le champ de l'enroulement primaire vers l'enroulement secondaire. C'est la seule tâche du noyau : servir de pont pour le champ magnétique. Sans un bon noyau, une grande partie de l'énergie magnétique s'envolerait dans l'air et serait perdue. Le noyau veille à ce que la quantité maximale d'énergie soit transmise à l'enroulement secondaire.

Induction d'une tension dans l'enroulement secondaire

Le champ magnétique changeant, guidé par le noyau, passe maintenant par le centre de l'enroulement secondaire. Rappelez-vous le principe de l'induction électromagnétique : un champ magnétique changeant crée une tension dans une bobine de fil proche.

C'est exactement ce qui se passe ici. Le champ magnétique pulsant et oscillant traverse les fils de l'enroulement secondaire. Cette force magnétique en mouvement pousse les électrons à l'intérieur du fil secondaire, ce qui les fait bouger. Ce mouvement d'électrons est un courant électrique. Une nouvelle tension alternative est donc créée, ou induitaux bornes de l'enroulement secondaire.

Cette nouvelle tension a la même fréquence que la tension primaire (par exemple, 60 Hertz). Mais son niveau de tension peut être différent. La tension de sortie dépend entièrement du nombre de tours de l'enroulement secondaire par rapport à l'enroulement primaire.

L'ensemble du processus se déroule sans aucune connexion physique entre les bobines primaire et secondaire. L'énergie est transférée de manière invisible à travers le champ magnétique. Tel est le principe de fonctionnement complet d'un transformateur. Il s'agit d'une danse en quatre étapes entre l'électricité et le magnétisme.

Step-Up vs Step-Down : l'importance du rapport de rotation

Nous avons dit qu'un transformateur peut modifier la tension. Mais comment fait-il pour contrôler si la tension augmente ou diminue ? La réponse est simple et élégante. Elle dépend de la taux de rotation. Le rapport des spires est le rapport entre le nombre de spires de l'enroulement secondaire et le nombre de spires de l'enroulement primaire.

Transformateur abaisseur

Un transformateur abaisseur est utilisé pour diminuer la tension. Pour ce faire, le l'enroulement secondaire comporte moins de tours de fil que l'enroulement primaire.

Exemple : Imaginez que l'enroulement primaire comporte 1 000 tours de fil et que l'enroulement secondaire n'en comporte que 100. Il s'agit d'un rapport de 10 tours pour 1. Si vous appliquez 120 volts CA au primaire, le secondaire ne produira que 12 volts CA.

C'est extrêmement courant. Le chargeur de votre téléphone ou de votre ordinateur portable en est un parfait exemple. À l'intérieur de ce boîtier en plastique, il y a un petit Carte PCBIl s'agit d'une prise de courant de 120 volts, sur laquelle se trouve un transformateur abaisseur de tension. Il prend les 120 volts de votre prise murale et les abaisse à la basse tension nécessaire pour charger la batterie de votre appareil.

Si la tension diminue, le courant disponible peut augmenter. Si l'on ne tient pas compte des petites pertes d'énergie, la puissance (tension × courant) est la même des deux côtés du transformateur. Ainsi, si la tension est divisée par 10, le courant peut être multiplié par 10.

La formule de base est la suivante :

Où ?

• VS est la tension sur l'enroulement secondaire.
• VP est la tension sur l'enroulement primaire.
• NS est le nombre de tours de l'enroulement secondaire.
• NP est le nombre de tours de l'enroulement primaire.

Transformateur élévateur

Un transformateur élévateur est utilisé pour augmenter la tension. Pour ce faire, le l'enroulement secondaire comporte plus de tours de fil que l'enroulement primaire.

• Exemple : Imaginez que l'enroulement primaire ait 100 tours et que l'enroulement secondaire ait 2 000 tours. Il s'agit d'un rapport de 1 à 20 tours. Si vous appliquez 120 volts CA au primaire, le secondaire produira 2 400 volts CA.

Les transformateurs élévateurs sont essentiels pour le réseau électrique. Les centrales électriques produisent de l'électricité à une tension relativement faible. Pour envoyer cette énergie sur de longues distances par le biais de lignes de transmission, la tension est augmentée à des niveaux très élevés (comme des centaines de milliers de volts). Cela permet de réduire les pertes d'énergie dans les câbles. Ensuite, avant que le courant n'arrive dans votre quartier, une série de transformateurs abaisseurs ramène la tension à un niveau sûr pour l'utilisation domestique.

Dans un transformateur élévateur, lorsque la tension augmente, le courant disponible diminue dans la même proportion. Ceci s'explique à nouveau par le fait que la puissance doit rester constante.

Applications courantes des transformateurs

Comme les transformateurs peuvent facilement changer de tension, ils sont utilisés dans de nombreux endroits. Voici quelques-unes des applications les plus courantes :

• Réseau électrique : Comme nous l'avons mentionné, ils sont essentiels pour transmettre l'électricité des centrales électriques aux foyers. Ils élèvent la tension pour les déplacements sur de longues distances, puis l'abaissent en plusieurs étapes pour une utilisation sûre dans les quartiers et les maisons.
• Chargeurs d'appareils : Presque tous les appareils qui se branchent sur le mur pour charger une batterie utilisent un transformateur abaisseur de tension. Il s'agit notamment des téléphones, des ordinateurs portables, des outils électriques, etc.
• Régulation de la puissance sur un circuit imprimé : Dans les appareils électroniques complexes tels que les ordinateurs ou les chaînes stéréo, les différentes puces et les différents composants ont besoin de tensions différentes pour fonctionner. Les petits transformateurs sont souvent montés directement sur un Carte PCB pour prendre une tension d'entrée unique et créer les multiples tensions inférieures nécessaires pour alimenter l'ensemble du circuit.
• Équipement audio : Des transformateurs spéciaux sont utilisés dans amplificateurs audio et les haut-parleurs. Leur rôle est de faire correspondre l'impédance (un type de résistance électrique) entre les différentes parties du circuit audio. Cela permet d'obtenir la meilleure qualité sonore et le meilleur transfert de puissance.
• Isolation Transformateurs : Parfois, l'objectif principal n'est pas de modifier la tension, mais de séparer un circuit d'un autre pour des raisons de sécurité. Un transformateur d'isolement a un rapport de tours de 1 à 1. La tension de sortie est la même que la tension d'entrée. Mais comme il n'y a pas de connexion physique entre le primaire et le secondaire, il protège les utilisateurs contre les chocs provenant de la source d'alimentation. Ces transformateurs sont souvent utilisés dans les équipements médicaux et les tests électroniques.

Pourquoi les transformateurs ne fonctionnent qu'en courant alternatif et non en courant continu ?

Il s'agit d'une question très fréquente et d'un excellent moyen de vérifier votre compréhension du principe de fonctionnement. Un transformateur ne peut absolument pas fonctionner avec du courant continu (DC).

Pourquoi ?

Revenons au principe fondamental de l'induction électromagnétique. Une tension est induite dans la bobine secondaire uniquement lorsque le champ magnétique est changeant.

• AC (courant alternatif) : Le courant change en permanence et crée donc un champ magnétique qui change en permanence. Ce champ changeant induit une tension dans le secondaire. Le processus est continu.
• DC (Direct Current) : Le courant circule dans une seule direction à un niveau constant. Lorsque vous connectez pour la première fois une source de courant continu à l'enroulement primaire, le courant passe de zéro à sa valeur maximale. Pendant ce très bref instant, le champ magnétique change (augmente), et vous pouvez donc observer une minuscule impulsion de tension dans l'enroulement secondaire. Mais ensuite, le courant continu est stable. Un courant constant crée un champ magnétique constant. Un champ magnétique constant n'a aucun effet sur l'enroulement secondaire parce qu'il ne change pas. Pas de changement signifie pas d'induction. Aucune tension de sortie n'est donc produite.

Si vous connectez le primaire d'un transformateur à une source de courant continu pendant trop longtemps, cela peut être dangereux. L'enroulement primaire n'est qu'une longue bobine de fil à très faible résistance. En courant alternatif, cette bobine crée ce que l'on appelle une réactance inductive, qui limite le courant. En courant continu, il n'y a pas de réactance, mais seulement la faible résistance du fil de cuivre. Il en résulte un courant très important qui peut faire surchauffer les fils et détruire le transformateur.

Transformateurs et pertes d'énergie dans le monde réel

Le processus que nous avons décrit s'applique à un transformateur parfait, ou "idéal". Dans un transformateur idéal, 100% de l'énergie du primaire est transférée au secondaire. Mais dans le monde réel, aucun processus n'est parfaitement efficace. Les transformateurs réels perdent une petite quantité d'énergie, qui est généralement libérée sous forme de chaleur.

Cette perte d'énergie a plusieurs causes principales :

• Pertes de cuivre (ou pertes I²R) : Les fils de cuivre des enroulements primaire et secondaire présentent une certaine résistance électrique. Lorsque le courant traverse cette résistance, une partie de l'énergie électrique est convertie en chaleur. C'est la même chose que pour l'élément d'un grille-pain qui devient chaud. Des fils plus épais ont une résistance plus faible et peuvent réduire cette perte.
• Pertes par courants de Foucault : Outre la création d'un courant dans l'enroulement secondaire, le déplacement du champ magnétique crée également de minuscules courants circulaires à l'intérieur du noyau de fer. C'est ce qu'on appelle les courants de Foucault. Ils n'ont aucun effet productif. Ils circulent simplement et produisent de la chaleur à l'intérieur du noyau. Pour réduire ce phénomène, les noyaux des transformateurs ne sont pas constitués d'un bloc de fer massif. Ils sont plutôt composés de nombreuses couches de fer minces, appelées laminations, entre lesquelles se trouve une fine couche d'isolant. Cette conception réduit considérablement ce type de perte d'énergie en perturbant le trajet des courants de Foucault.
• Pertes par hystérésis : Chaque fois que le courant alternatif s'inverse, le champ magnétique dans le noyau de fer doit également inverser sa polarité. Il faut une petite quantité d'énergie pour inverser les domaines magnétiques à l'intérieur du fer. Cette énergie est perdue sous forme de chaleur à l'intérieur du noyau. C'est ce que l'on appelle parfois le frottement magnétique. L'utilisation de types de fer spéciaux (comme l'acier au silicium) pour le noyau peut contribuer à réduire cette perte.

Malgré ces pertes, les transformateurs modernes sont extrêmement efficaces. Les grands transformateurs de puissance peuvent avoir un rendement supérieur à 99%, ce qui signifie que très peu d'énergie est perdue sous forme de chaleur.

Conclusion

Le transformateur est l'exemple parfait d'un dispositif simple dans sa construction mais profond dans son impact. Son principe de fonctionnement repose sur une application directe de la loi de Faraday sur l'induction électromagnétique.

Tout commence par un courant alternatif dans la bobine primaire. Celle-ci crée un champ magnétique également alternatif. Le noyau de fer agit alors comme un guide, canalisant ce champ magnétique changeant vers la bobine secondaire. Ce champ magnétique mobile induit alors un nouveau courant alternatif dans la bobine secondaire. La tension de ce nouveau courant est déterminée par le simple rapport des tours entre les deux bobines.

En utilisant plus ou moins de tours dans l'enroulement secondaire, un transformateur peut augmenter ou diminuer la tension. C'est cette simple capacité qui rend possible notre réseau électrique mondial. Elle permet de transmettre efficacement l'électricité sur de grandes distances et de l'utiliser en toute sécurité dans nos maisons et nos appareils. Sans le transformateur, le monde de l'électricité tel que nous le connaissons n'existerait pas. Il s'agit d'un élément fondamental de la technologie moderne, qui accomplit silencieusement son travail grâce aux forces invisibles de l'électricité et du magnétisme.

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