tp physique etude d`un transformateur

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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.
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.
Différence
d’amplitude crête
à crête

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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
𝑈𝑒 =𝛼𝑁𝑠 𝑁𝑒 avec 𝑈𝑠 et 𝑈𝑒 les tensions en sortie et en entrée, 𝑁𝑠 et 𝑁𝑒 le nombre de spires utilisées
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
𝑼𝒆
Rapport
𝑵𝒔
𝑵𝒆
Coefficient
α
1000
250
6.52
1.48
0.2269
0.25
0.9076
1000
125
6.52
0.74
0.1135
0.125
0.908
500
125
6.52
1.49
0.2285
0.25
0.914
500
250
6.52
2.99
0.4586
0.5
0.9172
On constate donc que la formule 𝑈𝑠
𝑈𝑒 =𝛼𝑁𝑠 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
𝐼𝑠 =β𝑁𝑠 𝑁𝑒. On réalise donc les mêmes mesures que
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
𝐈𝐬
Rapport
𝐍𝐬
𝐍𝐞
Coefficient
𝛃
1000
250
0.045
0.1572
0.2862
0.25
0.87
500
250
0.173
0.3089
0.56
0.5
0.89
1000
125
0.044
0.3115
0.1412
0.125
0.88
500
125
0.170
0.6116
0.2780
0.25
0.89
On a donc le coefficient réel β=0.9 pour que le rapport 𝐼𝑒
𝐼𝑠 =β𝑁𝑠 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
tension. Cela se démontre par le fait que 𝑈𝑠 ×𝐼𝑠 =𝑈𝑒 × 𝐼𝑒 , d’où 𝑈𝑒
𝑈𝑠 =𝐼𝑠 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
des amplitudes obtenues en entrée et en sortie, on obtient alors 𝑁𝑒
𝑁𝑠 ≈𝐴𝑒 𝐴𝑠 ≈3,3. Le rapport des
amplitudes vaut donc le rapport des spires.
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
Bobine primaire (1)
Bobine Secondaire (2)