Transformateurs basse tension

Un transformateur est un appareil électrique conçu pour convertir le courant alternatif d'une tension à une autre. Un transformateur basse tension convertit la tension de l'alimentation principale en une tension plus basse, généralement de 12 à 15 volts. L'efficacité de cette conversion de tension détermine la manière dont le transformateur contrôle la tension de sortie et l'énergie consommée au cours du processus. Ce transformateur est utilisé dans diverses applications telles que les systèmes d'éclairage paysager à basse tension, les transformateurs d'éclairage extérieur et les appareils ménagers courants. Cet article traite de la plage de tension de fonctionnement d'un transformateur basse tension, de sa construction, de son principe de fonctionnement, de ses applications et des moyens typiques de vérifier la présence d'un défaut dans un transformateur.

Table des matières

• Qu'est-ce qu'un transformateur basse tension ?
• Objectif du transformateur basse tension
• Principe de fonctionnement du transformateur basse tension
• Types de transformateurs basse tension
• Installation d'un transformateur basse tension domestique
• Applications de transformateurs à basse tension
• FAQ

Qu'est-ce qu'un transformateur basse tension ?

Un transformateur est un équipement vital pour les grandes centrales électriques et les simples circuits domestiques. Un transformateur haute tension est utilisé dans les centrales et les sous-stations électriques. Un transformateur basse tension abaisse la tension d'entrée à une faible tension à la sortie. Un transformateur installé dans les réfrigérateurs et les machines à laver fonctionnant en courant alternatif haute tension abaisse généralement la tension à environ 12 volts et est donc considéré comme un transformateur basse tension. L'objectif principal d'un transformateur basse tension est de réduire le risque de chocs électriques et de courts-circuits pour l'utilisateur, car ces transformateurs sont utilisés dans des applications domestiques courantes.

La norme ANSI C84.1-1989 répartit la tension de fonctionnement dans les catégories suivantes :

• Faible : < 600V
• Moyen : 600V - 69kV
• Haut : 69kV - 230kV
• Très haut : 230kV - 1100kV
• Ultra-haut : 1100kV

En fonction de la tension de fonctionnement, un transformateur entre dans l'une des cinq catégories mentionnées ci-dessus. Par exemple, un transformateur élévateur de 12,8 kV à 128 kV est un transformateur haute tension, et un transformateur abaisseur de 230 V à 14 V est un transformateur basse tension.

Objectif du transformateur basse tension

La tension d'alimentation principale (généralement 120 volts aux États-Unis et 230 volts dans les pays d'Europe) présente un risque d'électrocution pour l'utilisateur si elle est utilisée directement. Un transformateur basse tension abaisse la tension d'entrée à une valeur considérablement basse, créant ainsi un environnement plus sûr pour l'utilisateur dans les structures commerciales et résidentielles. La valeur normale de la tension produite par un transformateur basse tension est de 12-24 volts, ce qui ne génère pas de chaleur dans des conditions normales. Ces conditions de basse tension sont suffisamment sûres pour permettre à une personne d'installer une ampoule même lorsque l'électricité est allumée.

Principe de fonctionnement du transformateur basse tension

Un transformateur basse tension fonctionne selon le principe de l'induction, qui veut qu'un conducteur porteur de courant produise un champ magnétique autour de lui et vice-versa. Comme un transformateur de faible puissance convertit la tension d'entrée en une valeur considérablement faible, le nombre de tours de l'enroulement secondaire est beaucoup plus faible que celui de l'enroulement primaire.

Un transformateur basse tension se compose de deux ensembles de fils (voir figure 2) :

• Enroulement primaire (A) : collecte la puissance
• Enroulement secondaire (B) : fournit l'énergie

Les enroulements primaire et secondaire sont enroulés ensemble sur un noyau de circuit magnétique en fer, mais ces bobines ne sont pas en contact l'une avec l'autre, comme le montre la figure 2. Le noyau est constitué d'un matériau magnétique doux composé de tôles (figure 2 étiquetée C) reliées entre elles afin de réduire les pertes du noyau. La perte dans le noyau est la perte d'énergie dans le noyau causée par un flux magnétique alternatif. Un champ magnétique instable finit par détruire le fonctionnement du noyau.

Lorsque l'enroulement primaire (figure 2 étiquetée A) est connecté à une alimentation électrique, le courant circule dans la bobine et un champ magnétique est induit. Une partie de ce champ magnétique se lie aux enroulements secondaires (figure 2 étiquetée B) par induction mutuelle, produisant ainsi un flux de courant et une tension du côté secondaire (charge). La tension produite du côté de la charge est proportionnelle au nombre de tours de l'enroulement secondaire par rapport à celui de l'enroulement primaire. La transformation de la tension est donnée par

V1/V2=N1/N2

• V1 : Tension appliquée à l'enroulement primaire du transformateur
• V2 : Tension produite au niveau de l'enroulement secondaire (de charge) du transformateur
• N1 : Nombre de tours dans l'enroulement primaire
• N2 : Nombre de tours dans l'enroulement secondaire

Étant donné qu'un transformateur basse tension produit une tension nettement inférieure du côté de la charge, le nombre de tours de l'enroulement secondaire est inférieur à celui de l'enroulement primaire. Par exemple, pour convertir une alimentation principale en courant alternatif de 120 V en 12 V, le nombre de tours de l'enroulement primaire doit être dix fois supérieur à celui de l'enroulement secondaire du transformateur.

Note:La tension et la fréquence de l'alimentation principale varient d'un pays à l'autre. Les pays comme les États-Unis utilisent une alimentation principale de 120 volts fonctionnant à 60 Hz, tandis que les pays européens comme le Royaume-Uni, les Pays-Bas et l'Allemagne fonctionnent à 230 volts et 50 Hz. Pour plus de détails, voir la liste complète des pays avec les tensions d'alimentation et les fréquences de fonctionnement correspondantes.

Types de transformateurs basse tension

Les transformateurs basse tension sont classés en deux catégories : les transformateurs magnétiques et les transformateurs électroniques.

Transformateurs magnétiques à basse tension (MLV)

Le transformateur magnétique basse tension est le type de transformateur basse tension le plus couramment utilisé. Il utilise deux bobines pour réduire la tension d'alimentation du réseau à une valeur considérablement basse. La bobine primaire transporte la tension du réseau (généralement 120 volts aux États-Unis et 230 volts en Europe). Le courant dans l'enroulement primaire induit un champ magnétique dans l'enroulement secondaire.

Les transformateurs magnétiques à basse tension sont également classés en deux catégories : les transformateurs à empilage/laminé et les transformateurs toroïdaux :

• Transformateurs empilés ou laminés : Les transformateurs empilés/laminés ont des feuilles enveloppées de fil de cuivre laminées ensemble pour former un noyau (voir figure 2). Ces transformateurs ont une longue durée de vie, d'environ 15 à 20 ans, mais ils sont bruyants et ne fonctionnent qu'avec un rendement de 80 à 85 %.
• Transformateurs toroïdaux : Dans un transformateur toroïdal, les bobines primaire et secondaire sont enroulées sur un noyau toroïdal, comme le montre la figure 4. La conception unique et compacte de ce transformateur permet d'obtenir des bobines plus courtes, ce qui réduit les pertes de bobinage et améliore le rendement global. Ces transformateurs ont un rendement de 90 à 95 %, une durée de vie de 20 à 25 ans et un fonctionnement silencieux. Mais en raison de la difficulté d'enrouler les bobines conductrices dans le noyau toroïdal, ils sont coûteux. En outre, ces transformateurs sont limités aux applications monophasées et ont un courant d'appel plus élevé.

Avantages des transformateurs magnétiques basse tension

• Efficacité énergétique
• Longue durée de vie de plus de 15 ans
• Fonctionnement silencieux

Inconvénients des transformateurs magnétiques à basse tension

• Taille importante (dans le cas des transformateurs laminés)
• Coûteux

Transformateurs électroniques à basse tension (ELV)

Les transformateurs électroniques à basse tension ont un système interne plus complexe composé de circuits associés à un onduleur pour accomplir les mêmes fonctions que les transformateurs magnétiques à basse tension. L'onduleur augmente la fréquence de fonctionnement de ~50-60Hz à 20kHz ou plus. La fréquence élevée permet l'utilisation d'un noyau miniature, ce qui permet au transformateur d'être léger et compact. Ces transformateurs sont recommandés pour abaisser la tension dans les applications intérieures où l'espace est un facteur important.

Avantages des transformateurs électroniques à basse tension

• Taille compacte
• Moins cher

Inconvénients des transformateurs électroniques à basse tension

• Le courant à haute fréquence peut ne pas être compatible avec les circuits LED
• Durée de vie plus courte d'environ 5-6 ans
• Bruyant et sensible à la chaleur

Comment tester un transformateur basse tension à l'aide d'un multimètre

Symptômes d'un transformateur défectueux

Observer l'aspect du transformateur de faible puissance pour détecter les anomalies suivantes :

• Fils de la bobine cassés
• Tôle d'acier au silicium rouillée
• Marques de brûlure sur le matériau isolant
• Vis de fixation du noyau de fer mal serrée
• Bobines d'enroulement exposées

Un multimètre peut également être utilisé pour vérifier qu'un transformateur de faible puissance ne présente pas de défauts éventuels.

Utilisation d'un multimètre pour vérifier le courant à vide d'un transformateur basse tension

Le courant à vide est le courant qui circule dans l'enroulement primaire d'un transformateur pratique en maintenant le côté secondaire ouvert (créant ainsi une condition de "non-charge"). Le courant de pleine charge d'un transformateur est le courant maximal autorisé pour les enroulements primaires et secondaires, et cette valeur est généralement utilisée pour concevoir le système de protection du transformateur. Effectuez les étapes suivantes pour calculer le courant à vide d'un transformateur à l'aide d'un multimètre:

1. Ouvrir les enroulements secondaires du transformateur.
2. Réglez le cadran du multimètre pour mesurer le courant (AC).
3. Brancher les fiches de l'enroulement primaire du transistor sur l'alimentation principale.
4. Connectez les fils des sondes du multimètre aux extrémités de l'enroulement primaire du transformateur.
5. L'écran du multimètre indique la valeur du courant à vide. La valeur du courant à vide ne doit pas être supérieure à 10-15% du courant à pleine charge du transformateur.

Exemple

Un transformateur est généralement évalué en fonction de sa valeur en kVA (kilovolt ampère). Un transformateur de 5kVA fournit une puissance de 5kW à la charge.

Le courant à pleine charge d'un transformateur monophasé fonctionnant sous une tension primaire de 230 V et d'une puissance nominale de 25kVA est de (25✕1000)/230 = 108,7A. Pour déterminer si un transformateur fonctionne correctement, il faut vérifier si le courant à vide mesuré est inférieur à 15 % du courant à pleine charge.

Utilisation d'un multimètre pour vérifier la continuité d'un transformateur basse tension

Un test de continuité peut être effectué sur un transformateur basse tension pour vérifier s'il y a une rupture dans les enroulements primaires ou secondaires.

1. Déconnectez complètement le transformateur et réglez le multimètre pour mesurer la résistance (Ω).
2. Connectez les fils des sondes du multimètre aux extrémités de l'enroulement primaire du transformateur et notez la résistance indiquée sur l'écran du multimètre. Une résistance très élevée ou infinie indique une rupture du côté primaire du circuit.
3. Connecter les fils des sondes du multimètre aux extrémités de l'enroulement secondaire du transformateur et noter la résistance indiquée sur l'écran du multimètre. Une résistance très élevée ou infinie indique une rupture du côté secondaire du circuit.
4. Si les bobines primaires ou secondaires enregistrent une résistance infinie, le transformateur doit être remplacé.

Note: Un multimètre numérique (DMM) affiche une résistance infinie par OL (open line) sur l'écran.

Applications de transformateurs à basse tension

Les applications typiques impliquant un transformateur de faible puissance sont les suivantes :

1. Un transformateur de faible puissance peut être utilisé comme transformateur d'éclairage à basse tension dans l'éclairage paysager qui fonctionne sur 12-24 volts. Le transformateur d'éclairage extérieur abaisse la tension de ligne de 110 volts ou 230 volts à une valeur basse permettant de raccorder les lampes à la tension.
2. Les redresseurs utilisent des transformateurs de faible puissance pour abaisser la tension principale en courant alternatif à une faible valeur qui est convertie en tension continue à l'aide d'une combinaison de diodes et de condensateurs.
3. Les appareils ménagers courants tels que les réfrigérateurs, les machines à laver, les chargeurs de téléphones portables, les thermostats et les sonnettes utilisent des transformateurs de faible puissance qui produisent une tension de charge très faible, protégeant ainsi l'utilisateur des chocs électriques et des courts-circuits.

FAQ

Combien de lampes peut-on brancher sur un transformateur basse tension ?

Cela dépend de l'intensité maximale du transformateur et de la puissance totale des lampes. Par exemple, un transformateur produisant 300 watts peut être connecté à 300 lampes de 1 watt ou à six lampes de 50 watts. Veillez à ne pas connecter les composants à plus de 80 % de la puissance nominale du transformateur pour un fonctionnement correct.

Quelle est la durée de vie des transformateurs basse tension ?

Les transformateurs magnétiques à basse tension ont une durée de vie très longue, d'environ 15 à 20 ans, tandis que les transformateurs électroniques à basse tension ont une durée de vie de 5 à 6 ans.