Transformateur

Un transformateur, ce sont deux bobines de fil sur un même noyau de fer : un courant alternatif dans la première fait naître dans la seconde une tension plus haute ou plus basse, selon le rapport de leurs nombres de spires. Il permet d'envoyer l'électricité à haute tension sur de longues lignes et de la livrer à la tension qu'utilisent les appareils, et c'est la raison principale pour laquelle le courant alternatif s'est imposé dans les réseaux du monde.

Ce que c’est

Un transformateur sur poteau abaisse la tension de la ligne de la rue jusqu’à celle de la maison.

Un transformateur change la tension d’un courant alternatif. Il ne comporte aucune pièce mobile : deux bobines de fil de cuivre isolé, le primaire et le secondaire, enroulées sur un noyau de fer fermé. L’énergie entre par une bobine et ressort par l’autre sous une tension plus haute ou plus basse, le courant variant en sens inverse.

Les centrales élèvent la tension pour les grandes lignes. Les postes l’abaissent par étapes, et un dernier transformateur, sur un poteau ou dans une petite cabine, la ramène aux 230 ou 120 volts d’une prise. Les chargeurs et les sonnettes en contiennent de petits.

Comment ça marche

Le courant du primaire aimante le noyau de fer. Comme ce courant est alternatif, l’aimantation croît, retombe et s’inverse, au rythme de cinquante ou soixante cycles complets par seconde. Ce flux variable traverse le secondaire et fait naître une tension dans chacune de ses spires : c’est l’induction découverte par Faraday, qui n’agit que tant que le flux change.

Chaque spire des deux bobines voit le même flux, si bien que les tensions des deux bobines sont dans le rapport de leurs nombres de spires. Avec 1 000 spires au primaire et 50 au secondaire, 4 600 volts à l’entrée donnent 230 volts à la sortie. Dans un transformateur idéal, sans pertes, le côté basse tension porte un courant vingt fois plus fort, d’où un fil plus gros.

En courant continu, rien de tout cela ne fonctionne : un flux constant ne fait naître aucune tension, et le primaire n’est plus qu’un bout de fil branché sur la source, qui chauffe. Les transformateurs exigent du courant alternatif, et c’est pourquoi l’alternatif est devenu la règle des réseaux ; les liaisons actuelles en courant continu à haute tension convertissent l’alternatif en continu au départ et le continu en alternatif à l’arrivée.

La haute tension est rentable parce que la chaleur perdue dans un fil croît comme le carré du courant. Envoyons 100 kilowatts dans une ligne dont les fils font 2 ohms en tout. Sous 1 000 volts, le courant vaut 100 ampères et les fils dissipent 20 kilowatts, le cinquième de la puissance. Sous 10 000 volts, le courant tombe à 10 ampères et la perte à 200 watts, soit 0,2 %.

Un noyau massif chauffe sous l’effet des courants qui y tournent ; des tôles minces isolées entre elles les réduisent fortement.

Le flux fait aussi circuler des courants en boucle dans le fer lui-même, les courants de Foucault, et un noyau massif chaufferait comme une plaque de cuisinière. Le noyau est donc un empilement de tôles de quelques dixièmes de millimètre, isolées l’une de l’autre par un vernis ou une couche d’oxyde. Ces pertes diminuent comme le carré de l’épaisseur des tôles. Les premiers constructeurs employaient pour la même raison des faisceaux de fils de fer ; les noyaux modernes sont en acier au silicium.

Les réseaux utilisent le triphasé : trois courants alternatifs décalés d’un tiers de période, portés par trois fils et transformés par trois jeux de bobines sur un même noyau.

Comment le construire

Il s’agit d’une démonstration sur table, à quelques volts, jamais d’un montage sur le secteur. Il faut un boulon d’acier d’une dizaine de centimètres, un second boulon nu et deux plats d’acier, 20 à 30 m de fil de cuivre émaillé de 0,3 à 0,5 mm, du ruban isolant, du papier de verre fin, un multimètre qui mesure les tensions alternatives et, pour le dernier essai, un galvanomètre à zéro central.

Bobiner. Sur une couche de ruban, enrouler sur le boulon un primaire de 100 spires. Le recouvrir de ruban, bobiner par-dessus un secondaire de 100 spires, remettre du ruban et ajouter au-dessus un secondaire de 50 spires. Poncer l’émail au bout de chaque fil.

Choisir une source sûre. Prendre un adaptateur secteur du commerce dont l’étiquette indique une sortie alternative (« AC ») de 12 volts au plus, ou un générateur de fonctions donnant un signal sinusoïdal de quelques volts vers 1 kHz, sans composante continue. La plupart des adaptateurs sortent du continu et ne conviennent pas. Une ampoule de voiture à incandescence de 12 volts et 5 watts environ, en série avec le primaire, limite le courant.

Mesurer. Relever la tension alternative aux bornes du primaire, puis de chaque secondaire, puis débrancher : le boulon massif chauffe. Avec l’adaptateur, on lit quelques dixièmes de volt, car l’essentiel de la tension tombe dans l’ampoule. La bobine de 50 spires donne environ la moitié de la tension de celle de 100, et les deux restent sous la tension du primaire, parce que le flux d’un boulon seul se referme dans l’air. Poser le boulon nu à côté du boulon bobiné et relier leurs têtes, puis leurs pointes, par les plats d’acier, pour que le fer forme un cadre fermé autour des bobines : les mesures montent.

Essayer une pile. Avec une pile de 4,5 volts à la place de l’adaptateur, ampoule toujours en série, brancher sur le secondaire un galvanomètre à zéro central, sur son calibre le moins sensible ou à travers une résistance de quelques kilohms. L’aiguille dévie d’un côté quand on ferme le circuit, de l’autre quand on l’ouvre, et reste à zéro entre les deux.

Lire une plaque signalétique. Sur un transformateur de sonnette, repérer les tensions d’entrée et de sortie, par exemple 230 V / 12 V, et la puissance en voltampères (VA). Les gros appareils indiquent aussi la fréquence, le mode de refroidissement et l’impédance ; ceux-là se lisent depuis l’extérieur de la clôture.

Sécurité. Ne jamais donner à un secondaire plus de spires qu’au primaire, et se rappeler qu’un adaptateur à vide peut fournir un cinquième de plus que ce qu’indique son étiquette. Ouvrir un circuit qui traverse une bobine produit une brève pointe de tension : couper avec un interrupteur ou un fil tenu par son isolant, jamais avec les doigts sur les bouts dénudés. Ne jamais bobiner pour le secteur, ni ouvrir, modifier ou recâbler un appareil fonctionnant sur le secteur, même débranché : les transformateurs de four à micro-ondes et d’enseigne au néon délivrent des courants mortels. Un transformateur abaisseur alimenté à l’envers élève la tension, et les condensateurs d’un appareil peuvent rester chargés après débranchement. Les bobines restent chaudes après usage. Ne jamais grimper à un poteau, entrer dans un poste ni toucher une ligne tombée. Les installations sur le secteur relèvent d’un électricien qualifié.

Histoire et évolutions

Michael Faraday montre l’induction en août 1831 avec son anneau de fer à deux bobines, Joseph Henry la découvre de son côté en Amérique, et vers 1850 Heinrich Ruhmkorff, à Paris, fait de la bobine d’induction un instrument courant des laboratoires.

En 1884, Lucien Gaulard et John Dixon Gibbs éclairent des lampes le long d’une ligne de 40 km entre Turin et Lanzo avec leurs « générateurs secondaires », montés en série sur des noyaux de fer ouverts : allumer une lampe dérègle les autres.

Un des premiers transformateurs de Budapest : le fil de fer enveloppe l’anneau de cuivre et ferme le circuit magnétique.

Aux usines Ganz de Budapest, Károly Zipernowsky, Miksa Déri et Ottó Bláthy comprennent qu’un noyau de fer fermé et des transformateurs branchés en parallèle tiendront la tension stable. Ils déposent leurs brevets entre janvier et mars 1885, baptisent l’appareil « transformateur » et éclairent avec leur système l’Exposition nationale de Budapest en mai.

George Westinghouse achète les droits de Gaulard et Gibbs, et son ingénieur William Stanley construit des transformateurs à noyau fermé qui éclairent la grand-rue de Great Barrington, dans le Massachusetts, en mars 1886. Le courant continu d’Edison, sous 110 volts environ, ne dessert que quelques rues autour de chaque centrale, et ses sociétés font campagne sur les dangers de l’alternatif. Westinghouse éclaire en alternatif l’Exposition de Chicago en 1893, et en 1896 le courant des chutes du Niagara atteint Buffalo.

Dès 1888, Galileo Ferraris et Nikola Tesla ont obtenu un champ tournant pour les moteurs avec des courants décalés ; en 1891, une ligne triphasée transporte 300 chevaux sur 175 km, de Lauffen à Francfort. Les grandes lignes actuelles fonctionnent à des centaines de milliers de volts.