tp physique etude d`un transformateur

MAHU Gaëtan
MEYER Vivien
SERRIERE Ludivine
TP PHYSIQUE
ETUDE D’UN TRANSFORMATEUR
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PRELIMINAIRES
Un transformateur est un convertisseur permettant de modifier les valeurs de tension et d'intensité
du courant délivrées par une source d'énergie électrique alternative, en un système de tension et de
courant de valeurs différentes, mais de même fréquence et de même forme.
Le fait que cet appareil possède un excellent rendement fait de lui un objet fréquemment utilisé dans
notre quotidien, que ce soit pour l’alimentation d’un téléphone portable ou pour le transport de
courant par exemple.
L’objectif de ce TP est d’étudier le principe le fonctionnement d’un transformateur et les applications
dans la vie de tous les jours ainsi que les différentes grandeurs qui lui sont associées.
TENSION EFFICACE
On mesure la tension délivrée par un générateur simultanément avec un voltmètre et un
oscilloscope.
A l’oscilloscope, on obtient la courbe modélisant la tension alternative ci-dessous. L’appareil nous
indique que la différence d’amplitude crête à crête est de 18,6V. Ceci correspondant à deux
amplitudes, on en déduit qu’une amplitude correspond à 9,3V. On obtient alors la valeur de la
tension efficace 𝑈𝑒𝑓𝑓 =
9,3
2
= 6,58 𝑉.
Différence
d’amplitude crête
à crête
Si on mesure la tension délivrée avec le Voltmètre, on obtient directement la tension efficace
𝑈𝑒𝑓𝑓 = 6,54 𝑉.
Si on calcule le pourcentage d’erreur, on a
6,58−6,54
6,58
= 0.0061 ce qui équivaut donc à 0,6% de
différence entre les deux valeurs obtenues. On peut donc en conclure que le Voltmètre permet de
calculer directement la tension efficace en régime alternatif.
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ETUDE DU RAPPORT DE TRANSFORMATION
Un transformateur est constitué de deux parties essentielles : un circuit magnétique et des
enroulements. Le circuit magnétique (ou noyau ferromagnétique) est aimanté et soumis à un champ
magnétique variable au cours du temps et est isolé des enroulements. Ces derniers n’ont pas la
même taille et ne possèdent pas le même nombre de spires. Le paramètre changeant entre les deux
enroulements primaires et secondaires est le nombre de spires.
On va donc étudier les caractéristiques d’un transformateur d’étude à l’aide du montage ci-dessous.
Dans notre cas, le transformateur utilisé nous permet de choisir entre 4 combinaisons différentes :
en effet, pour la bobine primaire, on peut choisir entre 1000 et 500 spires suivant l’emplacement des
branchements, et pour la bobine secondaire, nous avons le choix entre 250 et 125 spires.
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On mesure la tension en entrée et en sortie du transformateur à l’aide d’un Voltmètre en faisant
varier le nombre de spires en entrée et en sortie. Le but est de trouver une relation les tensions et le
nombre de spires en entrée et en sortie, de telle façon qu’on puisse obtenir une formule du type
𝑈𝑠
𝑁𝑠
= 𝛼 𝑁𝑒 avec 𝑈𝑠 et 𝑈𝑒 les tensions en sortie et en entrée, 𝑁𝑠 et 𝑁𝑒 le nombre de spires utilisées
𝑈𝑒
en entrée et en sortie, et α un coefficient constant réel.
Nombre de
spires en
entrée
1000
1000
500
500
Nombre de
spires en
sortie
250
125
125
250
Tension en
entrée en
Volt
6.52
6.52
6.52
6.52
𝑈𝑠
Tension en
sortie en
Volt
1.48
0.74
1.49
2.99
Rapport
𝑼𝒔
𝑼𝒆
0.2269
0.1135
0.2285
0.4586
Rapport
𝑵𝒔
𝑵𝒆
0.25
0.125
0.25
0.5
Coefficient
α
0.9076
0.908
0.914
0.9172
𝑁𝑠
On constate donc que la formule
=𝛼
est correcte avec α=0,9. Sachant que pour un
𝑈𝑒
𝑁𝑒
transformateur idéal, α=1, ce transformateur, bien que n’étant pas idéal, peut être à cause du jeu
entre le noyau et les deux bobines, a un bon rendement.
𝑈𝑠
On peut également remarquer que le rapport 𝑈𝑒 est proportionnel au nombre de spires de la
deuxième bobine et est inversement proportionnel au nombre de spires du primaire.
On garde le même montage mais en basculant cette fois le multimètre aux bornes du secondaire en
ampèremètre : on cherche donc à mesurer le courant et à trouver une relation avec le nombre de
𝐼𝑒
𝑁𝑠
spires. C'est-à-dire, il s’agit de trouver β tel que 𝐼𝑠 = β 𝑁𝑒 . On réalise donc les mêmes mesures que
précédemment en intensité et on obtient le tableau ci-dessous.
Nombre de
spires en
entrée
1000
500
1000
500
Nombre de
spires en
sortie
250
250
125
125
Intensité en
entrée en
Ampère
0.045
0.173
0.044
0.170
Intensité en
sortie en
Ampère
0.1572
0.3089
0.3115
0.6116
𝐼𝑒
Rapport
𝐈𝐞
𝐈𝐬
0.2862
0.56
0.1412
0.2780
Rapport
𝐍𝐬
𝐍𝐞
0.25
0.5
0.125
0.25
Coefficient
𝛃
0.87
0.89
0.88
0.89
𝑁𝑠
On a donc le coefficient réel β=0.9 pour que le rapport 𝐼𝑠 = β 𝑁𝑒 soit exact. On remarque également
que cette fois les variables en sortie et en entrée sont inversées par rapport à la relation avec la
𝑈𝑒
𝐼𝑠
tension. Cela se démontre par le fait que 𝑈𝑠 × 𝐼𝑠 = 𝑈𝑒 × 𝐼𝑒 , d’où 𝑈𝑠 = 𝐼𝑒 .
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On inverse maintenant les bobines, en mettant en primaire 125 spires et en secondaires 1000 spires.
Avec un courant alternatif de 12V délivré par le générateur, on obtient une tension en entrée de
13.3V et une tension en sortie de 125V. Cette expérience montre bien que si la bobine ayant le plus
grand nombre de spire est placée en entrée, alors le transformateur permet de baisser la tension
délivrée. Au contraire, il augmente cette tension si la bobine ayant le plus petit nombre de spire est
placée en premier dans le montage.
L’expérience suivante consistant à remplacer l’alimentation alternative par une alimentation
continue n’a pas été réalisée. Cependant, on aurait observé une tension en sortie nulle, ce qui est
normal puisqu’un transformateur n’est censé fonctionner qu’en régime alternatif.
Physiquement, dans un transformateur, le courant parcourt la première bobine et crée un champ
magnétique qui se propage à travers le noyau ferromagnétique. Les deux bobines n’étant pas
identiques, il crée un courant de sorite différent de celui d’entrée lorsqu’il arrive à la deuxième
bobine.
On essaye maintenant un transformateur torique réel alimenté par un générateur avec une tension
alternative de 1V et une fréquence de 1000 Hz, avec en entrée 60 spires et en sortie 20 spires. On
observe les valeurs des amplitudes en entrée 𝐴𝑒 et en sortie 𝐴𝑠 et on obtient 𝐴𝑒 = 26.0𝑉 et
𝐴𝑠 = 8.60𝑉 comme le montre la figure ci-dessous. Si on fait les rapports des nombres de spires et
𝑁𝑒
𝐴𝑒
des amplitudes obtenues en entrée et en sortie, on obtient alors 𝑁𝑠 ≈ 𝐴𝑠 ≈ 3,3. Le rapport des
amplitudes vaut donc le rapport des spires.
Bobine primaire (1)
Bobine Secondaire (2)
Différence
d’amplitude crête
à crête avec en 1
l’amplitude en
entrée et en 2
l’amplitude en
sortie
Les deux
courbes
sont en
phase
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RENDEMENT D’UN TRANSFORMATEUR
On reprend maintenant le premier transformateur d’étude, avec 500 spires pour la première bobine
et 250 pour la deuxième bobine, en plaçant pour cette deuxième bobine une résistance de charge
(rhéostat) de 15Ω qui représente l’élément utile (appareil électrique) alimentée par le
transformateur. On utilise pour la première bobine une alimentation alternative de 6V. On monte
également un Wattmètre afin de mesurer le rendement du transformateur et donc la puissance
perdue puisque le rendement se définit comme étant la caractérisation des pertes énergétiques dans
le transformateur.
Le Wattmètre nous permet de mesurer la puissance en entrée qui est de 𝑃𝑒 = 0.44𝑊.
𝑈𝑒𝑓𝑓 ²
On définit la puissance de sortie par 𝑃𝑠 = 𝑅 avec dans notre cas 𝑈𝑒𝑓𝑓 = 2,297𝑉 (mesurée à
l’aide d’un Voltmètre) et 𝑅 = 15Ω. On obtient donc 𝑃𝑠 = 0.351𝑊.
𝑃𝑠
0.351
On a donc pour ce transformateur un rendement donné par =
= 0.79, soit environ 80%. La
𝑃𝑒
0.44
perte d’énergie peut s’expliquer par effet Joule dans les bobines d’une part, et d’autre part par le fait
qu’il n’y ai pas de courant qui circule dans l’aimant, juste un effet magnétique.
En général, les transformateurs de moyenne puissance ont un rendement compris entre 60% et 80%.
En revanche, les transformateurs plus importants et performants peuvent atteindre jusqu’à 95%, ce
qui est vraiment très grand étant donné qu’un transformateur idéal est censé avoir un rendement de
100%.
De nombreux appareils exigent une alimentation continue basse tension (ordinateurs portables,
chargeurs pour téléphones portables,…). Un adaptateur transforme donc la tension alternative du
secteur, qui est de 230V efficace, en une tension continue de quelques volts. La partie suivante
concernant le redressage et le lissage d’une tension va nous permettre de voir de façon simple
comment réaliser un tel adaptateur et son principe de fonctionnement.
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REDRESSAGE
On reprend le montage précédent avec 500 spires à la première bobine, 250 à la deuxième, une
tension de 2V et une résistance de 10000Ω. On rajoute également une diode dans le circuit, dont la
particularité est de ne laisser passer le courant que dans un sens. On obtient donc le circuit suivant :
On observe les tensions obtenues sur l’oscilloscope. On peut constater que les tensions en entrée et
en sortie sont quasiment identiques lorsqu’on se place dans la partie positive, à 560mV près.
Cependant, lorsque la tension en entrée est négative, la tension mesurée en sortie est nulle du fait
de la diode qui ne laisse passer le courant que dans un sens. Elle permet donc de redresser le courant
en éliminant les alternances négatives.
Bobine primaire (1)
Tension en sortie
nulle à cause de
la diode
Bobine Secondaire (2)
Différence
d’amplitude entre
la tension en
entrée et la
tension en sortie
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LISSAGE
On garde toujours le même montage auquel on rajoute un condensateur de capacité 𝑐 = 4700µ𝐹
pour obtenir le montage :
Lorsqu’on visualise les tensions en sortie et en entrée avec un oscilloscope, on s’aperçoit que la
tension en sortie est continue et a la valeur des crêtes maximales. En effet, le condensateur se
charge quand la tension est maximale et se décharge dans la résistance lorsque la tension diminue.
Or, le temps de décharge, donné par 𝜏 = 𝑅 × 𝑐 est très grand ici devant les périodes délivrée par le
générateur (𝜏 = 47𝑠 ≫ 𝑇 = 0.02𝑠). La tension en sortie nous apparaît donc comme étant continue.
Bobine primaire (1)
Bobine Secondaire (2)
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On prend maintenant une résistance plus faible de 20Ω. On obtient donc 𝜏 = 0.094𝑠 et on peut
apercevoir la décharge du condensateur dans la résistance.
Bobine primaire (1)
Bobine Secondaire (2)
On garde cette fois la résistance de 20Ω et on prend 𝑐 = 100µ𝐹, ce qui nous fait un 𝜏 = 20𝑠. On
peut donc voir maintenant une décharge complète du condensateur lorsque la tension diminue.
Bobine primaire (1)
Bobine Secondaire (2)
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PONT DE GRAETZ
Le principe d’un montage comportant un pont de Graetz est d’associer 4 diodes afin de redresser
toutes les alternances négatives sans les supprimer. L’avantage de ce montage est qu’il ne nécessite
pas de transformateur spécial et la valeur des diodes bloquées est égale à l’inverse de la tension
maximale appliquée au pont. Il n’est donc plus nécessaire d’avoir une grande résistance ou une
grande capacité de condensateur pour combler les chutes de tension.
Diodes
passantes
Diodes
bloquées
Sens de
passage du
courant
Après avoir réalisé un montage avec un pont de Graetz, on a pu observer à l’oscilloscope les courbes
ci-dessous. Les crêtes sont censées avoir les mêmes amplitudes, cette différence est due à un faux
contact à l’intérieur du pont. On peut donc bien voir que même les tensions négatives deviennent
positives grâce à un tel montage.
Tension en sortie
positive et
tension en entrée
négative
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UTILISATION PRATIQUE D’UN TRANSFORMATEUR
Les transformateurs nous permettent d’adapter la tension du secteur à celle des appareils
électriques et électroniques que nous utilisons quotidiennement, comme par exemple les chargeurs
des batteries des téléphones portables et des ordinateurs. On est alors dans le cas où le
transformateur va baisser la tension afin d’éviter d’endommager l’appareil.
Au contraire, EDF va choisir d’augmenter la tension à la sortie des centrales afin de diminuer
l’intensité du courant à déplacer et ainsi réduire les pertes d’énergie par effet Joule, d’où l’intérêt des
lignes à haute tension. On trouvera par la suite d’autre transformateur afin de baisser la tension du
courant avant qu’il soit distribué.
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