2AP Promo 2012 ARNOULD Mathilde CHAIX Cécile RENAUDIN Gaëlle Etude d un Transformateur INTRODUCTION L objectif de ce TP est de : Mettre en pratique nos connaissances de première année Comprendre un outil utile au fonctionnement de la plupart de nos appareils électriques et électroniques Assembler plusieurs phénomènes physiques pour n en faire plus qu un Connaître les grandeurs associées au transformateur
Préliminaire : Un transformateur a pour rôle de convertir 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, continues. Les transformateurs généralement utilisés dans les maisons transforment une tension de 240 V en une tension plus petite, adaptée aux appareils électroménagers utilisés. Le transformateur utilisé pour l'expérience est constitué d un aimant (le noyau) et de deux bobines en cuivre qui ne sont reliées entre elles que par un champ magnétique. Tension efficace : Nous avons mesuré à l aide d un voltmètre et d un oscilloscope la tension efficace délivrée par un générateur de courant. Cette expérience nous a permis de mettre en évidence que la tension écrite sur le voltmètre n est pas la même que l amplitude observée sur l oscilloscope. En effet, nous avons remarqué que : U eff = U o / 2 La tension délivrée par un générateur de courant/ au secteur est de 230V, c est-à-dire U eff = 230V ainsi l amplitude de la tension du secteur est de 325V. Etude du rapport de transformation : Manipulation n 1 : La bobine 1 Constitue le primaire du générateur et la bobine 2 constitue le secondaire. Cas n Nombre de spires pour le primaire Nombre de spires pour le secondaire Valeur de U 1 (en Volt) Valeur de U 2 (en Volt) n 2 / n 1 U 2 / U 1 1 500 250 6,63 3,027 0,5 0,46 2 500 125 6,64 1,509 0,25 0,23 3 1000 125 6,64 0,748 0,125 0,11 4 1000 250 6,63 1,498 0,25 0,26 Analyse des résultats : Relation entre n 1, n 2, U 1 et U 2 : Nous avons remarqué que : U 2 / U 1 n 2 / n 1 La relation exacte est : 0,9 *U 2 / U 1 = n 2 / n 1
Le voltmètre en alternatif mesure la tension efficace (U eff ). Pour une impédance quelconque, nous avons : U eff = U 0 / 2. La puissance consommée par le composant : P = U eff * I eff + φ, or pour une impédance z = R, le déphasage φ=0. Visualisation à l oscilloscope des tensions issues des bobines primaires et secondaires Légende : CH1 : Bobine 1, Primaire CH2 : Bobine 2, Secondaire Sur le graphique nous pouvons relever les valeurs suivantes : V cc = 2 * amplitude = 18,6 V, nous avons donc une amplitude de 9,3 V. Manipulation n 2 : La bobine 1 Constitue le primaire du générateur et la bobine 2 constitue le secondaire. Cas n Nombre de spires pour le primaire Nombre de spires pour le secondaire Valeur de I 1 (en Ampères) Valeur de I 2 (en Ampères) n 2 / n 1 I 1 / I 2 1 500 250 0,178 0,320 0,5 0,56 2 500 125 0,175 0,628 0,25 0,29 3 1000 125 0,046 0,324 0,125 0,14 4 1000 250 0,046 0,164 0,25 0,28 Analyse des résultats : Relation entre n 1, n 2, I 1 et I 2 : Nous avons remarqué que : n 2 / n 1 I 1 / I 2 La relation exacte est : 0,9 * (n 2 / n 1 ) = I 1 / I 2 Manipulation n 3 :
Inversion des bobines, la bobine 2 devient la primaire (n 2 =250) et la bobine 2 devient la secondaire (n 1 =500). I 1 = 0,685 A et I 2 = 0,318 A U 1 = 6,55 V et U 2 = 12,16 V Remarque : Nous avons remarqué que lorsqu on inverse les bobines, l intensité est multipliée par 4 en entrée et elle ne change pas en sortie, pour la tension c est l inverse : la tension en entrée est la même et elle est multipliée par 4 en sortie. Lorsque nous avons remplacé l alimentation alternative par une alimentation continue, nous avons pu observer une tension de sortie nulle. Il est vrai qu un transformateur fonctionne uniquement en alternatif si on le met en continue, nous devrons procéder à une première technique dite redressage puis une deuxième le lissage. Ces étapes seront vues à la suite du TP. La tension du secteur est de 230V. Explication physique pour décrire le fonctionnement d un transformateur : Nous avons vu précédemment qu un transformateur est constitué de deux bobines et d un aimant. En effet, un champ magnétique se produit entre les deux bobines par le biais de l aimant. Le courant crée un premier champ électrique avec la bobine primaire puis il se propage dans le noyau. Ensuite, le courant passe par la deuxième bobine dite secondaire, qui crée un courant de sortie différent de celui d entrée puisque les bobines sont différentes. L auto transformateur correspond à un transformateur dont les bobines dites primaires et secondaires sont remplacées par un enroulement simple. Manipulation n 4 : Transformateur Torique La bobine de 60 spires est la primaire, la secondaire est celle de 20 spires. La tension d entrée appliquée est de 1V et la fréquence de 1000Hz. n 1 / n 2 = 3 V cc1 = 5,12 / 2 V cc2 = 1,76 / 2 d'où : V cc1 / V cc2 = 2,9 3 = n 1 / n 2 On en conclue que les tensions sont liées aux spires appliquées. Ainsi les résultats auraient pu être anticipés puisque les formules sont identiques à celles vues précédemment.
Légende : Visualisation à l oscilloscope des tensions issues des bobines primaires et secondaires Bobine primaire Bobine secondaire On peut observer que la courbe issue de la bobine primaire a une amplitude plus importante que celle de la bobine secondaire. De plus, les spires appliquées à la première bobine sont plus importantes que celles de la deuxième, on peut donc en déduire que ces grandeurs sont liées et elles sont vérifiées par le calcul. Rendement d un transformateur : Le rendement est l'énergie qui est perdue dans un dispositif lors du fonctionnement, il est compris entre 0 et 1. Le rapport des puissances en entrée et en sortie donne le rendement (r). Manipulation n 5 : Dans ce cas nous prenons : n 1 = 500 et n 2 = 250 P entrée = 0,42 Watts U sortie = 2,30 V et R = 15 Ω d'où Psortie = U sortie / R = 0,37 Watts Nous avons donc : r = Psortie / P entrée = 0,88. Le rendement est de 88%. Les pertes énergétiques peuvent être dues à un dégagement de chaleur induit par l effet Joule. L expression de la puissance s écrit : P = ri 2 Ordre de grandeur du rendement d un transformateur (trouvé sur internet) : r th = 1 En effet, le rendement idéal d un transformateur est égal à 1 mais il peut être inférieur. Le rapport effectué est la puissance fournie en entrée sur la puissance absorbée.
Redressage et lissage : Redressage Manipulation n 6 : Le nombre de spire du primaire est de 500, le secondaire a 250 spires. Caractéristiques d une diode : La première est celle de laisser passer le courant dans un sens, on parle alors de diode passante et de le bloquer dans l autre sens, on parle alors de diode bloquée. A noter que la diode n est pas symétrique par rapport à l origine contrairement à une lampe ou un résistor. Caractéristique tension courant d une diode Visualisation à l oscilloscope des tensions issues des bobines primaires et secondaires Légende : Bobine primaire Bobine secondaire
Lors du redressement les tensions négatives sont supprimées. Lissage Avec le condensateur, il y a une transformation de la tension alternative en une tension continue qui a la valeur des crêtes maximum. En effet, cette nouvelle tension varie à la manière d une exponentielle décroissante (e -t/rc ). Ainsi la tension ne va pas descendre jusque 0 et l amplitude sera moins importante : la courbe paraîtra plus «lisse». Visualisation à l oscilloscope des tensions issues des bobines primaires et secondaires Légende : Bobine primaire Bobine secondaire Avec R = 10000 Ω : τ est trop grand, on ne voit pas la charge et la décharge. Avec R = 20 Ω, pour pouvoir voir l allure de la charge et de la décharge. Avec un condensateur plus petit, la décharge est complète. Pont de Greatz : Intérêt du pont de Greatz : Le pont de Graetz est constitué de 4 diodes deux passantes et deux bloquées. 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.
Légende : Schéma représentant le pont de Graetz Diodes bloquées Diodes passantes Sens de passage du courant Lorsqu il y a une arche négative elle devient positive. Utilisation pratique d un transformateur : EDF possède une filiale RTE qui s occupe des lignes de transport de l énergie électrique. En ce qui concerne la structure des lignes électriques, elles sont en alliage d aluminium permettant le transport du courant alternatif. Un câble supplémentaire dit de garde protège les lignes de la foudre. Une Haute Tension est caractérisée par un voltage compris entre 63000 et 90000 volts, elles sont utilisées par les industries et les lignes de voies ferrées. En ce qui concerne le transport électrique dans les milieux ruraux et l interconnexion des centrales électriques, le voltage est compris entre 225000 et 400000 volts, elles sont dites de très hautes tensions. L utilisation de ces tensions élevées sont utilisées dû fait que les lignes sont longues et donc des pertes d énergie sont occasionnées. En effet, tout matériau a une résistivité propre qui peut se traduire par dégagement de chaleur, ici l ordre de résistivité des câbles est de 1 ohm par kilomètre. Rôle d un transformateur dans une utilisation pratique : Plusieurs types de transformateurs existent dans la vie courante. Nous pouvons citer le transformateur électrique qui a pour but soit d élever la tension soit de l abaisser. Un transformateur va permettre d adapter la tension délivrée dans les prises électriques à la tension que demandent les appareils électriques de notre quotidien ; évitant ainsi d abimer ces appareils électriques par surtension.
Conclusion : Ce TP nous a permis de mettre en pratique nos connaissances théoriques acquises l an passé en électricité et champ magnétique par le biais du fonctionnement d un transformateur. En effet, nous avons pu observer qu un adaptateur secteur est constitué d un transformateur, d un pont de diodes dit de Graetz et d un condensateur. Le fait de lier ces composants permet de créer un adaptateur secteur qui permet de transformer la tension reçue par la société EDF en une tension adaptée à l appareil électroménager ou autre que nous souhaitons utiliser. Transformateur Pont de Graetz Condensateur