Des transformateurs audio

Par transformateur audio, entendre un transformateur fonctionnant dans la plage des fréquences audibles.
En ce sens un transformateur d'alimentation fonctionnant à 50Hz peut être qualifié de "Audio".

Il est d'usage de spécifier un transformateur de sortie par sa puissance et les impédances primaires et secondaires, et un transformareur d'alimentation par les tensions et courants qu'il doit délivrer.
Il est aussi vrai qu'un transformateur n'a pas de puissance absoule ni d'impédance propre.
La puissance qu'il est capable de transmettre dépend de la fréquence à laquelle il est employé et l'mpédance vue au primaire n'est que celle de la charge présente au secondaire multipliée par le rapport de transformation.
La limite de puissance transmise est fonction des pertes acceptées.

Les pertes

Il y a deux causes de pertes: le fer et le cuivre !
Les pertes fer sont proportionnelles à l'induction, les pertes cuivre à la résistance des enroulements.

L'induction

L'induction est déterminée par la section du noyau, la tension par spire (donc, pour une tension donnée, le nombre de spires) et la fréquence.
L'expression générale est : B = Vsp / S / F
Où B est l'induction, Vsp la tension par spire, S la section du noyau et F la fréquence.
En l'absence d'unité, les diverses constantes présentes dans la formule "officielle" disparaissent !
Ce qu'il faut retenir, c'est que l'induction augmente avec la tension et qu'elle diminue avec la section du noyau et avec la fréquence.

Noter que si la fréquence est nulle (courant continu), l'induction devient infinie !
En réalité, on ne devrait plus utiliser le terme "induction" mais "champ magnétisant", tout à fait comparable, mais qui se calcule en fonction du courant par spire: les Ampères/tour, et non plus de la tension par spire.
Ce cas particulier intervient dans le calcul d'un transfo où la somme des courants continus qui circule dans ses divers enroulements n'est pas nulle


Ainsi, le même transfo peut être utilisé aussi bien sous 220 Volts à 50Hz que sous 110 Volts à 25 Hz, du moins tant que seule l'induction (responsable des pertes fer) est considérée.

La saturation du noyau

Le noyau de fer, à la différence de l'air, est saturable, c'est à dire que les pertes augmentent trés rapidement au delà d'une certaine valeur d'induction.
Il n'est donc pas linéaire et trop d'induction provoque aussi des distortions.
Alors pourquoi un noyau de fer et pas tout simplement de l'air ?
Parce que sa perméabilité, c'est à dire sa "conductibilité magnétique" lui permet de canaliser (de contenir) le flux induit. C'est ce flux induit qui est appelé induction.
La perméabilité du noyau, inductance et réactance
Donc, un noyau de fer est plus perméable au flux magnétique qu'un noyau non "magnétique" tels que le vide, l'aluminum ou le cuivre ainsi que presque tous les isolants.
La perméabilité intervient dans le calcul de l'inductance d'un enroulement.
L'expression générale est: L = Mu x Sp²
Où L est l'inductance, Mu (ou µ) est la perméabilité, Sp² est le carré du nombre de spires.
Malheureusement, la perméabilité n'est pas consante (normal, puisque le noyau a un comportement non linéaire).
Elle présente un maximum pour des valeurs d'induction moyenne et décroit de part et d'autres.

L'inductance est une self, sa réactance dépend de la fréquence:
Xl = L / 2 / pi / F
Où Xl est la réactance (ou impédance à la fréquence considérée: F)
Elle tend vers zéro quand la fréquence diminue, nous savons tous qu'une self est un court circuit en courant continu !

Il est temps de récapituler


Pour ne pas dépasser l'induction admissible (et donc pour réduire les pertes fer), conserver une perméabilité convenable (et donc une réactance suffisante pour limiter le courant primaireà vide), il faut utiliser un nombre de spires suffisant sur un noyau de taille suffisant !
Lapalissade, certes ! Le jeu consiste maintenant à définir les proportions: plus de fer ou plus de cuivre ?
Noter que le courant à vide du primaire n'est pas autre chose que la conséquence de la valeur de l'inductance primaire.
Le terme "courant à vide" est de rigueur losqu'il s'agit d'un transfo d'alimentation, alors que "l'inductance primaire" est employée dans le cadre d'un transfo de sortie.
Remarquer que l'augmentation de la tension a un effet cumulatif:
Elle augmente l'induction, ce qui au delà d'une certaine valeur, réduit la perméabilité donc l'inductance avec, pour conséquence une augmentation du courant à vide plus importante que dans une simple résistance.

La densité de courant dans le cuivre

Elle définit la section du fil en fonction du courant qui le traverse.
Exemple: 3A /mm² signifie que la section du fil sera de 1mm² si le courant est de 3 Ampère.
Aucun conducteur n'ayant une résistivité nulle, sa résistance (donc la puissance perdue en fonction du courant) augmente avec sa longueur et diminue avec sa section.
On vient de définir les pertes cuivres.
En pratique, plutôt que d'appliquer une formule empirique, mieux vaut calculer la résistance réelle de chaque enroulement en fonction de la longueur de fil nécessaire et de son diamètre. Ainsi, les pertes cuivres et l'échauffement qui en résulte seront exactement connus.