Electronique > Théorie > Transformateur
Dernière mise à jour : 01/07/2018Présentation
Un transformateur est un appareil 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'auto-transformateur, un transformateur possède une isolation galvanique entre son entrée (primaire) et sa sortie (secondaire), c'est à dire qu'aucun conducteur élecrtique 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 plusieures 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.
Transformateur d'alimentation secteur
Ce type de transformateur est couramment utilisé dans la réalisation d'alimentations secteur de type "linéaire", notemment dans le domaine amateur. Côté industriel, ce type de composant est de plus en plus souvent remplacé par des systèmes de régulation à découpage qui offrent, 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 issue du secondaire est alors égale à la tension d'entrée appliquée au primaire.
Tension de sortie
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 (secondaire branché à un circuit qui consomme du courant) et tension à vide (secondaire non raccordé) est d'autant plus importante que la puissance du transformateur est faible. Bien que l'utilisation d'un transformateur à vide est rare en pratique (...), ne négligez pas ce point. Car cette particularité doit être prise en considération si vous surdimensionnez votre transformateur (peur du manque, ou récupération).Modification de la tension de sortie
Il est possible de modifier la tension de sortie d'un transformateur d'alimentation, en modifiant le nombre de spires au secondaire. Par exemple pour un transformateur dont la tension au secondaire est de 15 V, on peut retirer un certain nombre de spires pour faire chuter la tension dans un rapport égal au nombre de sipres retirées par rapport au nombre de spires totales. Si par exemple on dispose d'un total de 150 spires pour 15 V, alors le fait de retirer 30 spires conduira à une tension de sortie de 12 V (150 spire pour 15 V, donc 10 spires par volt => 30 spires pour 3 V). Il est également possible d'augmenter la tension mais il faut bien sûr assez de place pour loger les nouvelles spires (qui devront impérativement être constituées de fil identique à celui actuellement en place). Notez que le changement de tension n'influe pas sur le courant qui peut être débité par le secondaire du transformateur. Un transformateur d'alimentation 12 V / 1 A auquel on retire des spires au secondaire, verra sa tension de sortie chuter, mais le courant disponible sera toujours de 1 A. Dans ce cas, la puissance (exprimée en W ou en VA) chutera aussi puisqu'elle tient compte de la tension et du courant. Pourquoi modifier la tension de sortie d'un transformateur ? Dans le cas où on dispose déjà d'un exemplaire dont la tension de sortie est trop élevée et qu'on ne veut pas en acheter un autre, ou encore quand on veut réduire la dissipation thermique dans un étage de régulation de tension (intéressant pour les fortes puissances, quand on ne veut pas passer à une alimentation à découpage). Pour augmenter la tension de sortie d'un transformateur sans modifier son bobinage, vous pouvez aussi envisager l'ajout d'un multiplicateur de tension à diodes et condensateurs. Dans ce cas la tension de sortie sera forcément continue, et le courant disponible sera moindre mais peut-être suffisant pour votre application.Puissance
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 importantes 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.Association des secondaires
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 cablage, le sens des enroulements doit être respecté pour permettre une telle association. Pour plus de précisions, vous pouvez consulter la page Câblages transfos, qui donne quelques conseils sur les câblages possibles.Types de transformateurs d'alimentation
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.Exemples de transformateurs à souder sur circuit imprimé
Exemples de transformateurs à étrier
Exemples de transformateurs toriques
Exemples de transformateurs de type "R"
Attention ! Ne pas inverser primaire et secondaire d'un transformateur d'alimentation, le transformateur pourrait brûler ou exploser !
Comment déterminer grossièrement la puissance d'un transformation inconnu (de récupération) ?
C'est une question qui revient souvent, et il est difficile d'y répondre avec précision. Mais on peut se faire une idée grossière de la puissance d'un transfo en fonction de ses dimensions et de son poids.| Poids | Transfo "EI" pour PCB | Transfos toriques | Transfos "EI" châssis | Transfos "C" |
| 20 g à 50 g | 0,35 - 1 VA | |||
| 50 g à 100 g | 1 - 2,5 VA | (80 g : 1,6 VA) | ||
| 100 g à 150 g | 2,3 - 4 VA | 100 g à 300 g : 3,2 - 15 VA | 7 VA | |
| 150 g à 200 g | 3,2 - 6 VA | 10 VA | ||
| 200 g à 300 g | 5 - 10 VA | 200 g à 400 g : 6 - 12 VA | ||
| 300 g à 400 g | 10 - 18 VA | 300 g à 500 g : 15 - 30 VA | 19 VA | |
| 400 g à 500 g | 13 - 24 VA | 33 VA | ||
| 500 g à 600 g | 20 - 30 VA | 500 g à 750 g : 30 - 60 VA | 500 g : 20 VA | |
| 600 g à 700 g | 25 - 30 VA | 40 VA | ||
| 700 g à 1 kg | 30 - 60 VA | 50 - 100 VA | 1 kg : 50 VA | 65 VA |
| 1 kg à 2 kg | 60 VA | 80 - 225 VA | 1,5 kg : 75 - 100 VA | 100 - 240 VA |
| 2 kg à 3 kg | 100 VA | 200 - 320 VA | 2 kg : 100 - 150 VA | 240 - 300 VA |
| 3 kg à 4 kg | 160-200 VA | 300 - 500 VA | 3 kg : 200 VA | 400 - 450 VA |
| 4 kg à 5 kg | 200-250 VA | 400 - 800 VA | ||
| 5 kg à 7 kg | 250-450 VA | 625 - 1000 VA | 750 VA | |
| 7 kg à 10 kg | 450-750 VA | 800 - 1200 VA | 1000 - 1300 VA | |
| 10 kg à 15 kg | 750-1000 VA | 1200 - 2000 VA | 1800 - 2500 VA | |
| 20 kg | 2 kVA | 3 kVA | 3 kVA | |
| 100 kg | 20 kVA | |||
| 150 kg | 16 kVA | |||
| 650 kg | 100 kVA | |||
| 6500 kg | 2500 kVA |
Transformateur 3 phases <=> 2 phases
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 cablages des bobinages permettant d'assurer cette fonction : la "Connection Leblanc" et la "Connection Scott".Transformateur audio
Un transformateur audio est conçu pour transmettre un signal audio avec une bande passante la plus large possible (au moins 20 Hz à 20 kHz), avec une linéarité la plus grande possible et un déphasage limité aux extrémités de bande.
Dans la pratique, ce type de composant apporte toujours une petite "coloration" au son car il est très difficile de réaliser pratiquement un très bon transformateur audio.
Plus de détails à la page Transformateur audio.
Remarque : certains transformateurs d'alimentation secteur basse puissance peuvent être utilisés en tant que transformateur de modulation audio (par exemple transformateur d'alimentation bas profil pour circuit imprimé Talema 70005K, primaire 2 x 115 V, secondaire 2 x 22 V).
Transformateur pour vidéo
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 téléphonique) d'une ligne analogique du réseau public de telephone, 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 (300 Hz à 4 kHz environ) avec une linéarité pas terrible (+/-3 dB sur ladite plage de fréquence). Bien entendu, ces caractéristiques un peu limite suffisent amplement pour le domaine audio telephone. Ce type de transformateur présente une impédance de 600 ohms aussi bien pour le primaire que pour le secondaire (environ 60 ohms en continu).
Transformateur pour stroboscope
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 xenon alimenté en tension continue sous quelques 300 V environ) via son electrode d'amorçage. Ses dimensions sont réduites, 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.Transformateur HF
Ce type de transformateur est principalement utilisé dans les circuits électroniques d'émission ou de récéption 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 transformateur 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" (voir Theremin 002).
Transformateur haute tension
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 dangeureuse, voire mortelle, aussi une très grande prudence s'impose.Exemple d'arcs électriques produits par un transformateur de Tesla :
Transformateur de courant
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'interêt 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 :
