Transformateur sont des éléments cruciaux dans les systèmes électriques et électroniques, car ils assurent l'isolation électrique nécessaire et remplissent la fonction essentielle de modification des tensions et des courants. Bien que leur processus de conception soit parfois considéré comme un “art”, leur construction et leur fonctionnement reposent sur des principes physiques fondamentaux.
Un transformateur est un dispositif qui transfère l'énergie électrique d'un circuit de courant alternatif à un ou plusieurs autres circuits, soit en augmentant (en élevant), soit en diminuant (en abaissant) la tension. Ils sont utilisés à diverses fins, par exemple pour réduire la tension des circuits électriques conventionnels afin de faire fonctionner des appareils à basse tension tels que des sonnettes de porte et des trains électriques miniatures, ou pour augmenter la tension des générateurs électriques afin de permettre la transmission de l'énergie électrique sur de longues distances.
Les transformateurs modifient la tension par induction électromagnétique. Cela se produit lorsque les lignes de flux magnétique s'accumulent et s'effondrent en fonction des variations du courant passant par la bobine primaire, induisant un courant dans une autre bobine appelée secondaire. La tension secondaire est déterminée en multipliant la tension primaire par le rapport entre les tours de la bobine secondaire et ceux de la bobine primaire, appelé rapport des tours.
Les transformateurs à noyau d'air sont conçus pour transférer des courants de radiofréquence, utilisés dans les transmissions radio ; ils sont constitués de deux bobines ou plus enroulées autour d'un matériau isolant solide ou d'une forme de bobine isolante. Les transformateurs à noyau de fer remplissent des fonctions similaires dans la gamme des fréquences audio. Les transformateurs d'adaptation d'impédance sont utilisés pour aligner l'impédance d'une source avec sa charge afin d'optimiser le transfert d'énergie. Les transformateurs d'isolation sont généralement utilisés à des fins de sécurité pour séparer les équipements des sources d'alimentation.
Transformateurs assurent l'isolation électrique entre les circuits, ce qui est vital pour la sécurité et la fonctionnalité dans diverses applications. Un transformateur comprend un noyau magnétique autour duquel sont enroulées des bobines primaires et secondaires. Lorsqu'une tension alternative est appliquée à la bobine primaire, elle génère un courant alternatif qui correspond à un flux magnétique alternatif à l'intérieur du noyau. Ce flux induit une tension dans les bobines secondaire et primaire, démontrant ainsi la loi d'induction de Faraday.
Le schéma ci-dessus illustre les composants essentiels d'un transformateur : un noyau magnétique avec des bobines primaires et secondaires enroulées sur ses branches. Une tension alternative (Vp) appliquée au primaire crée un courant alternatif (Ip), produisant un flux magnétique alternatif à l'intérieur du noyau magnétique. Ce flux induit une tension dans chaque tour des bobines primaire et secondaire.
Puisque le flux reste constant à travers le primaire et le secondaire :
Cette équation montre qu'en contrôlant le rapport entre le nombre de spires primaires et le nombre de spires secondaires, la tension alternative peut être augmentée ou diminuée (effet de conversion de tension). On peut également démontrer que : Volts ampères primaires = Volts ampères secondaires.
Il en ressort qu'en ajustant le rapport des tours primaire-secondaire, le courant alternatif peut également être augmenté ou diminué (effet de conversion du courant). Il est important de noter qu'il n'y a pas de connexion électrique directe entre les enroulements primaire et secondaire.
Les transformateurs permettent donc d'isoler un circuit d'un autre. Ces fonctions (transformation de la tension et du courant et isolation) ne peuvent être assurées efficacement par d'autres moyens, c'est pourquoi on les trouve dans presque tous les équipements électriques et électroniques du monde.
Les propriétés magnétiques des matériaux du noyau influencent considérablement les performances des transformateurs. Lorsque la bobine primaire d'un transformateur est alimentée, le courant de magnétisation crée une force de magnétisation (H) qui génère un flux magnétique (B) dans le noyau. Cette relation entre B et H est représentée par la courbe B-H du matériau. La force de magnétisation (H) est égale au produit du courant de magnétisation et du nombre de tours, exprimé en Ampères-Tours. Les courbes B-H illustrent l'évolution de la densité du flux en fonction de la force de magnétisation ; lorsque H augmente, B augmente jusqu'à la saturation du matériau du noyau. À la saturation, de nouvelles augmentations de H n'augmentent pas B de manière significative, d'où l'importance de concevoir des transformateurs fonctionnant en dessous de la saturation pour des raisons d'efficacité.
La courbe B-H montre que lorsque la force de magnétisation augmente à partir de zéro, le flux augmente jusqu'à une valeur maximale. Au-delà de ce niveau, de nouvelles augmentations de la force d'aimantation n'augmentent pas le flux de manière significative ; cet état est appelé ‘saturation’. Les transformateurs sont généralement conçus pour garantir que la densité du flux magnétique reste inférieure aux niveaux de saturation.
La densité de flux peut être calculée à l'aide de la formule suivante
Où ?
Remarque :
1 Tesla = 1 Weber/m²
1 Weber/m² = 10 000 Gauss
1 Ampère-tour par mètre = 4π × 10-³ Oersteds
Dans la pratique, tous les matériaux magnétisés conservent une certaine magnétisation même lorsque la force de magnétisation est réduite à zéro - cet effet est connu sous le nom de ‘rémanence’, ce qui entraîne des réponses différentes selon que la force de magnétisation diminue ou augmente - un phénomène appelé ‘boucle d'hystérésis’.’
La boucle d'hystérésis illustre la véritable réponse B-H d'un matériau, dont la pente, le niveau de saturation et la taille dépendent du type de matériau et d'autres facteurs.
Ce concept peut être illustré par des exemples :
 | Noyau de fer de faible qualité Densité de flux à haute saturation Grande boucle = grande perte d'hystérésis Convient pour 50/60Hz |
 | Noyau en fer de haute qualité Densité de flux à haute saturation Boucle moyenne = perte d'hystérésis moyenne Convient aux transformateurs de 400 Hz |
 | Noyau en ferrite - pas d'entrefer Densité de flux à saturation moyenne Petite boucle = faible perte d'hystérésis Convient aux transformateurs à haute fréquence |
 | Noyau en ferrite - grand entrefer Petite boucle = faible perte d'hystérésis Convient aux inducteurs à haute fréquence avec un courant continu important |
La courbe B-H illustre un phénomène connu sous le nom d'hystérésis, où l'aimantation du matériau du noyau ne suit pas immédiatement la force d'aimantation. Ce décalage entraîne des pertes d'énergie appelées pertes par hystérésis. Les matériaux dont les boucles d'hystérésis sont plus grandes subissent des pertes plus importantes, car ces pertes sont représentées par la surface enfermée dans la boucle d'hystérésis B-H. Par conséquent, les noyaux des transformateurs sont construits avec des matériaux qui présentent une faible perte d'hystérésis afin de maximiser l'efficacité.
Les courants de Foucault sont des boucles de courant électrique induites dans le matériau du noyau par le flux magnétique alternatif. Ces courants génèrent des pertes résistives qui conduisent à l'échauffement du noyau, un phénomène connu sous le nom de perte par courants de Foucault. Pour réduire ces pertes, les noyaux des transformateurs sont généralement constitués de feuilles laminées ou de matériaux ferrites, qui limitent les chemins disponibles pour ces courants.
Un transformateur idéal avec un enroulement primaire et deux enroulements secondaires peut être représenté comme suit :
Un tel transformateur se caractérise par
Dans la réalité, les transformateurs s'écartent de ce modèle idéal en raison de diverses caractéristiques non idéales. Les circuits équivalents des transformateurs intègrent ces aspects :
Ces paramètres permettent de prévoir les performances du transformateur et les écarts par rapport au modèle idéal. Nombre de ces caractéristiques peuvent être représentées dans le circuit équivalent d'un transformateur :
Où ?
Le circuit équivalent d'un transformateur reflète avec précision les propriétés réelles de son circuit magnétique, y compris le noyau et les enroulements. Il peut donc être utilisé de manière fiable pour comprendre et prévoir les performances électriques d'un transformateur dans différents scénarios. La compréhension de ces principes fondamentaux et de ces considérations pratiques permet aux ingénieurs de concevoir, de tester et d'utiliser efficacement les transformateurs dans diverses applications.
