Transformateurs

Le transformateur (en anglais transformer) change la tension sans relier un seul fil entre les deux côtés : deux bobines de cuivre sur le même noyau de fer, et pourtant l'énergie traverse — portée par un champ magnétique qui bat au rythme du secteur. Il abaisse 230 V en 12 V, isole un banc d'essai du réseau, et se cache, réduit à quelques grammes de ferrite, dans chaque chargeur moderne. Cette page suit le rapport de spires, les calculs des deux côtés, et la sécurité du primaire.

1. C'est quoi ?

Un transformateur est un composant passif fait de deux enroulements de fil de cuivre posés sur un même noyau magnétique. Celui qui reçoit l'énergie est le primaire (primary winding), branché sur la source ; celui qui la restitue est le secondaire (secondary winding), branché sur le circuit. Chaque enroulement compte ses spires — N1 et N2 — et le rapport N2/N1, noté n (rapport de transformation, turns ratio), décide de toute la conversion.

Le point décisif : aucun conducteur ne relie le primaire au secondaire. Le seul lien est le champ magnétique du noyau — c'est l'isolation galvanique. En revanche il ne passe que l'alternatif : sur du continu, rien n'est induit, et le primaire se comporte comme un fil qui chauffe.

C'est le grand frère des bobines de la même couche : la bobine stocke le champ pour elle-même, le transformateur le prête à une seconde bobine pour transférer l'énergie. On le croise partout, souvent sans le reconnaître :

• les alimentations classiques d'amplis, de labo, de portillons : un gros bloc 230 V vers 12, 18 ou 24 V, suivi d'un pont de diodes ;
• les poteaux de distribution : le cylindre qui fait tomber les 20 000 V de la ligne à 230 V ;
• les pinces ampèremétriques : le câble mesuré devient le primaire d'un transformateur de mesure ;
• les chargeurs muraux : un mini-transfo en ferrite à 50 kHz.

2. Comment ça marche ?

Tout part de l'induction : le courant alternatif du primaire crée dans le noyau un champ alternatif, qui induit dans chaque spire du secondaire la même tension. La tension totale est donc simplement proportionnelle au nombre de spires — la fréquence, elle, ne change jamais.

U2 = U1 × N2 / N1

Le courant obéit au rapport inverse : ce que le secondaire gagne en tension, il le paye en courant côté primaire.

I2 = I1 × N1 / N2

La puissance sortante reste proche de l'entrante : P1 ≈ P2, avec un rendement de 80 à 95 %. Les pertes : courants de Foucault dans le noyau (d'où les tôles empilées), hystérésis du matériau, résistance des fils qui chauffe en I²R (pertes cuivre). Méthode : P2 = U2 × I2, puis P1 ≈ P2 / η, puis I1 = P1 / U1.

SchémaCoupe d'un transformateur en tôles EI

Troisième phénomène : la régulation. La tension de plaque — « 12 V » — est la tension en charge nominale. À vide, le flux magnétisant est maximal et la chute dans les fils est nulle : un transfo « 12 V » donne couramment 13 à 15 V. Sous charge, elle plonge vers sa plaque. Pas un défaut ; les alimentations stables ajoutent un régulateur derrière (filtrage : page condensateurs).

Quatrième phénomène, la sécurité par construction : l'isolation galvanique fait qu'un seul fil du secondaire peut être touché sans être dans la boucle du secteur. D'où les transformateurs d'isolation (rapport 1:1 : seule la séparation compte) et la classe II des appareils doublement isolés. Enfin, le noyau commande tout : tôles EI pour le 50 Hz économique, tore pour compacter et réduire le champ rayonné, ferrite dès qu'on monte en fréquence, air pour la radio. Plus la fréquence monte, moins il faut de fer.

3. Dans le vrai monde

Chaque monde a son transformateur ; les familles qui peuplent l'électronique et l'électrotechnique :

Type	Construction	Puissance typique	Usages
Secteur EI	tôles d'acier silicium en E et I, deux bobinages	3 VA à 1 kVA	alimentations, sonnettes, portillons
Torique	tore d'acier, fil bobiné en couronne	30 VA à 2 kVA	amplis, labo ; champ rayonné faible
D'isolation (1:1)	tôles EI, écran entre les enroulements	100 VA à 5 kVA	banc d'essai, sécurité de chantier
Audio / de sortie	EI compact, bande audible	1 VA à 500 VA	adaptation d'impédance (lampes, hifi)
Autotransformateur (« variac »)	un seul enroulement à curseur	0,5 à 3 kVA	réglage de tension au banc
De mesure (courant)	anneau ouvert, le câble mesuré est le primaire	10 A à 2 000 A	pinces ampèremétriques, comptage
À découpage	pastille de ferrite, quelques tours de fil	1 W à 500 W	chargeurs, adaptateurs, alimentations de PC

Le transfo de référence de l'électronicien — le 230 V / 12 V 2 A du commerce — se lit sur sa plaque : primaire 230 V AC 50 Hz derrière un fusible T 250 mA, secondaire 12 V efficaces en charge 2 A, puissance 24 VA (la limite thermique du bobinage), tension à vide 13 à 15 V, poids 0,6 à 0,9 kg. Prix : 10 à 20 euros le 24 VA EI, 30 à 60 euros le torique 300 VA ; l'adaptateur à découpage 12 V 2 A coûte quelques euros pour dix fois moins de poids — d'où la survie du bloc de fer dans l'audio et l'industrie.

4. Exemple pratique

Avec le transfo 230 V / 12 V dans son boîtier : alimenter, puis mesurer au multimètre en mode AC sur le secondaire. La lecture dépasse la plaque (13-15 V) : c'est la régulation. Avec une charge (lampe 12 V), la tension descend vers 12 V. Côté 12 V, ces mesures sont sûres ; côté primaire, rien ne se touche sous tension.

Le simulateur ci-dessous rejoue les deux équations de la section 2. Comparez le courant primaire d'un abaisseur (modeste) et celui d'un élévateur poussé à 10 (énorme) : c'est la puissance qui se conserve.

Exercice résolu — le 230 V / 12 V 2 A du commerce

Combien ce transfo tire-t-il sur le primaire à pleine charge, pourquoi sa puissance est-elle plafonnée à 24 VA, et que reste-t-il après le pont de redressement ?

1. Puissance secondaire : P2 = 12 V × 2 A = 24 VA. Le « 2 A » n'est pas une convention : c'est la limite thermique du fil du secondaire — au-delà, l'échauffement I²R dépasse ce que l'isolation supporte.
2. Courant primaire : la puissance vient du secteur. Pertes négligées : I1 ≈ P2 / U1 = 24 / 230 ≈ 0,10 A (environ 105 mA). Pertes incluses, rendement η = 0,85 : P1 = 24 / 0,85 ≈ 28 VA, soit I1 ≈ 0,12 A. On retient 100 à 125 mA : le primaire haute tension ne court qu'un courant modeste.
3. Pourquoi une limite de calibre : le fusible primaire se choisit juste au-dessus du nominal — 250 mA en type T (lent), car à la mise sous tension, magnétisation du noyau et appel du condensateur tirent plusieurs fois le nominal pendant quelques dizaines de millisecondes. Un fusible rapide grillerait à chaque branchement ; un fusible de 1 A ne protégerait plus le bobinage.
4. Et après le pont : les 12 V efficaces deviennent de la continue. Crête : 12 × 1,414 ≈ 17,0 V, moins les deux seuils du pont (2 × 0,7 V) : ≈ 15,6 V au sommet, là où le condensateur de filtrage se charge à vide. La suite (ondulation, choix du condensateur) est l'exercice de la page diodes.

Exercice résolu — l'onduleur, ou le transformateur à l'envers

En camping, alimenter un routeur de 30 W (normalement au 230 V) depuis une batterie 12 V, avec un onduleur (en anglais inverter) : le transformateur y est inversé, il doit élever.

1. Le rapport : multiplier 12 V par 230/12 ≈ 19. L'élévateur a donc N2/N1 = 19 : pour N1 = 100 spires de gros fil côté batterie, N2 ≈ 1 900 spires de fil fin côté sortie. L'onduleur fabrique d'abord de l'alternatif depuis la continue de la batterie : le transfo ne travaille que sur de l'AC.
2. Les courants : côté 230 V, 30 W donnent I2 ≈ 30 / 230 ≈ 0,13 A. Côté 12 V, pertes comprises : P1 = 30 / 0,85 ≈ 35 W, soit I1 ≈ 35 / 12 ≈ 3 A. Règle générale : le côté basse tension transporte le gros courant — câblage et fusible 12 V se dimensionnent sur plusieurs ampères, la sortie ne court que 0,13 A.
3. La limite renversée : un tel onduleur ne convient pas aux moteurs (courant de démarrage de plusieurs fois le nominal). Et la sécurité ne s'inverse pas : la sortie 230 V d'un onduleur tue comme la prise murale — boîtier fermé, aucune borne accessible.

5. Vérifier sa compréhension

Réfléchissez avant de dérouler les réponses.

1. La plaque indique 230 V / 12 V. Pourquoi le multimètre lit-il 14 V sur le secondaire à vide, et pourquoi n'est-ce pas un défaut ?
2. Le secondaire débite 2 A sous 12 V. De quel ordre est le courant tiré sur le primaire 230 V ? Justifiez en une phrase avec la puissance.
3. En quoi l'isolation galvanique protège-t-elle une personne qui touche un fil du secondaire ? Et pourquoi disparaît-elle si elle touche les deux fils en même temps ?
4. Le transformateur d'un chargeur moderne est 50 fois plus petit qu'un transfo 50 Hz de même puissance : quelle variable explique l'essentiel de l'écart ?
5. Que se passe-t-il si l'on branche un transformateur 230 V / 12 V sur une source de courant continu 230 V ?

6. Pour aller plus loin

• IEC 61558 (série) — « Sécurité des transformateurs, réactances et blocs d'alimentation analogues » : exigences de construction, classes I et II — la référence des transfos secteur, sur le catalogue de l'IEC.
• Triad Magnetics — datasheets des transfos 230/115 V vers 12 V (séries VPS, VPP) : tension à vide, régulation chiffrée, sur triadmagnetics.com.
• Vigortronix — transfos EI et toriques : plage de VA, régulation, dimensions, sur vigortronix.com.
• W. G. Hurley et W. H. Wölfle — Transformers and Inductors for Power Electronics (Wiley) : manuel de conception, du noyau au calcul des spires.
• Martin Heathcote — The J & P Transformer Book (Elsevier) : la bible du transformateur, du bloc de sonnette aux postes de 400 kV.