TP PHYSIQUE ETUDE D UN TRANSFORMATEUR

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1 MAHU Gaëtan MEYER Vivien SERRIERE Ludivine TP PHYSIQUE ETUDE D UN TRANSFORMATEUR 1/11

2 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 = 6,58 V. 2 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 = ce qui équivaut donc à 0,6% de 6,58 différence entre les deux valeurs obtenues. On peut donc en conclure que le Voltmètre permet de calculer directement la tension efficace en régime alternatif. 2/11

3 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. 3/11

4 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 avec Us et Ue les tensions en sortie et en entrée, Ns et Ne le nombre de spires utilisées Ue Ne en entrée et en sortie, et α un coefficient constant réel. Nombre de spires en entrée Nombre de spires en sortie Tension en entrée en Volt Tension en sortie en Volt Rapport Us Rapport Ns Coefficient α Ue Ne On constate donc que la formule Us Ns = α Ue Ne est correcte avec α=0,9. Sachant que pour un 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. On peut également remarquer que le rapport Us 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 spires. C'est-à-dire, il s agit de trouver β tel que Ie = β Ns. On réalise donc les mêmes mesures que Is Ne précédemment en intensité et on obtient le tableau ci-dessous. Nombre de spires en entrée Nombre de spires en sortie Intensité en entrée en Ampère Intensité en sortie en Ampère Rapport Ie Rapport Ns Coefficient β Is Ne On a donc le coefficient réel β=0.9 pour que le rapport Ie = β Ns soit exact. On remarque également Is Ne que cette fois les variables en sortie et en entrée sont inversées par rapport à la relation avec la tension. Cela se démontre par le fait que Us Is = Ue Ie, d où Ue = Is. Us Ie 4/11

5 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 des amplitudes obtenues en entrée et en sortie, on obtient alors Ne Ae 3,3. Le rapport des Ns As 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 5/11

6 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. On définit la puissance de sortie par Ps = Ueff ² avec dans notre cas Ueff = 2,297V (mesurée à R l aide d un Voltmètre) et R = 15Ω. On obtient donc Ps = 0.351W. On a donc pour ce transformateur un rendement donné par Ps = Pe 0.44 = 0.79, soit environ 80%. La 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. 6/11

7 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 7/11

8 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) 8/11

9 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) 9/11

10 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 10/11

11 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. 11/11