Fonctionnement des transformateurs audio

Les transformateurs audio, autrement appelés transformateurs de sortie, font partie des pièces maîtresses de l'amplificateur. Leur fonctionnement étant très complexe, seules les notions de bases permettant de comprendre leur importance seront exposées.

 

Nécessité d'utiliser des transformateurs

Les transformateurs sont utilisés dans de très nombreuses applications. Leur utilisation la plus courante consiste en la conversion d'énergie par changement de tension. Dans les amplificateurs à tubes, ils sont utilisés notamment pour convertir la haute tension à faible courant fournie par les tubes en une basse tension à fort courant nécessaire aux haut-parleurs. Les tubes travaillent typiquement à des tensions 20 fois supérieures à celles des haut parleurs et à des courants 20 fois plus faibles.

Les transformateurs permettent également d'isoler les tubes des haut-parleurs, garantissant ainsi la sécurité de l'utilisateur. Cette isolation est également nécessaire pour les transformateurs d'alimentation qui travaillent avec le secteur.

 

Principaux effets physiques

 Les transformateurs sont basés sur deux principaux effets : l'électromagnétisme qui décrit la manière avec laquelle des champs magnétiques sont créés à l'aide de courants électriques, et l'induction électromagnétique qui quant à elle décrit l'inverse : créer un courant dans un conducteur par l'action d'un champ magnétique variable.

L'illustration ci-dessous présente une vue basique d'un transformateur : le noyau (1) est composé de minces plaques de métal dit "doux" et guide le champ magnétique(6) au travers des différentes bobines. Le bobinage principal (4) composé de fil conducteur bobiné créé un champ magnétique lorsqu'il est parcouru par un courant électrique (5). Le bobinage secondaire (2) crée un courant (3) lorsqu'il est sous l'influence du champ magnétique variable provoqué par le bobinage primaire(4) guidé par le noyau(1).

 

TR Phy 1 legend

 

Les multiples plaques de métal du noyau sont isolées les unes aux autres par une mince couche d'isolant, cela permet d'améliorer l'efficacité du guidage du champ magnétique.

La section des fils conducteurs composant chaque bobine dépend du courant nécessaire pour la création du champ magnétique. D'une manière générale, plus l'enroulement est long, plus le fil fera de tours autour du noyau, plus la tension à ses bornes sera élevée, plus le courant sera faible et plus la section des fils sera petite.

Dans l'illustration, le bobinage principal comporte plus d'enroulements que le bobinage secondaire, ce qui indique une tension de travail supérieure. Ce bobinage principal pourrait représenter celui connecté aux tubes, le bobinage secondaire pourrait représenter celui connecté aux haut-parleurs.

 

Limitations en fréquences

Les transformateurs ne sont pas des composants parfaits, ils ne peuvent travailler qu'avec une tension variable. Le phénomène physique d'induction électromagnétique exige en effet un flux magnétique variable.

La plus basse fréquence à laquelle le transformateur fonctionne encore est appelée la fréquence basse de coupure. De manière similaire, la fréquence la plus haute à laquelle peut fonctionner le transformateur est appelée la fréquence de coupure haute. Ces deux fréquences constituent la bande passante du transformateur, principale limitation des amplificateurs.

La bande passante des transformateurs audio d'usage courant se situe dans la plage 20 Hz à 20 Khz, tandis que celle des transformateurs haut de gamme se situe principalement dans la plage 10 Hz à 80 Khz.

Un exemple de réponse en fréquence de transformateur est présenté ci-dessous. La fréquence de coupure basse(1) se situe aux alentours de 10 Hz, la fréquence de coupure haute (3) aux alentours de 50 Khz. Entre les deux fréquences, le transformateur est quasiment parfait (2).

TR Bandwidth legend

 La performance à basse fréquence des transformateurs est principalement déterminée par le rapport entre l'inductance des bobinages primaires (qui est dépendante du nombre d'enroulements, de la taille et du matériau du noyau, ainsi que d'autres paramètres) et la résistance primaire (déterminée par la résistance interne des tubes mise en parallèle à la résistance de charge ramenée au primaire). Les transformateurs de sortie Push-Pull présentent alors une plus large bande passante aux fréquences basses car leurs inductances primaires sont supérieures à celles des transformateurs à tubes uniques. L'inductance réduite des transformateurs à tubes unique est due à la présence d'un entrefer permettant de contrer les effets du flux magnétique constant dans le noyau. Ce flux magnétique constant est inexistant dans les transformateur Push-Pull de par la symétrie des enroulements et des courants de bias.

La performance en haute fréquences est quand à elle principalement limitée par l'inductance de fuite (causée par une partie du flux magnétique arrivant à s'échapper du noyau) et les capacités parasites des enroulements. Une des solutions pour limiter cette fuite est de bobiner les fils très proches les uns des autres et autour d'un axe commun. Une autre technique est d'utiliser le bobinage en couches : chaque bobine est séparée en plusieurs petits bobinages, lesquels sont entremêlés dans une séquence bien précise. Pour limiter la capacité créée entre les bobinages, un bouclier électrostatique constitué d'une mince feuille de cuivre est placé entre chaque bobinage. Tous les boucliers sont par la suite connectés ensembles.

 

Saturation du noyau

Le noyau véhicule toute la puissance fournie par la bobine primaire vers la bobine secondaire, en guidant le flux magnétique. Lorsque le flux est trop important, le noyau ne peut plus guider l'excédant d'énergie, lequel n'est alors pas transféré. Le bobinage de la bobine primaire dissipe alors sous forme de chaleur l'excédant d'énergie car son inductance chute très rapidement. Outre la dégradation très significative du son, cette situation peut causer des pannes sévères puisque le courant dans la bobine augmente très rapidement et risque d'endommager les tubes.

Cela est l'une des raisons pour lesquelles l'équilibre de bias est important, un déséquilibre créant un surplus de flux magnétique augmentant les risques de saturation du noyau. La partie Importance du bias détaillera avec plus de précision ce phénomène.

 Les transformateurs à tube unique, utilisés en classe A, ne sont connectés qu'à un seul tube. Il en résulte un flux magnétique permanent dans le noyau. Pour retarder la saturation, une très faible partie du noyau est ouverte : c'est l'entrefer. Cela limite certaines performances telles que la réponse aux fréquences basses. La stabilité du bias n'en est pas moins nécessaire, afin de "centrer" les courbes magnétiques (exposé dans la section Importance du bias).

 Les transformateurs utilisés en Push-Pull ne présentent pas de flux magnétique permanent, et n'ont pas d'entrefer, car les deux flux créés par les deux tubes s'annulent. La stabilité et l'équilibre du bias sont alors primordiaux.

 

Adaptation d'impédance

Les connexions de sortie des transformateurs audio sont généralement proposées pour des impédances de 4, 8 et 16 ohms. Cela permet aux transformateurs de s'adapter aux enceintes sur lesquelles ils sont connectés. Cette adaptation est importante car elle influe sur la distorsion ainsi que sur la quantité de puissance transmise à l'enceinte : pour que la puissance transmise soit maximale, l'impédance de transformateur doit être égale à celle de l'enceinte : c'est l'adaptation d'impédance.

La courbe suivante montre la quantité de puissance transmise par un transformateur dont la sortie a une impédance de 8 ohms, à une charge dont l'impédance varie de 1 à 30 ohms. Elle passe par un maximum de 35 W pour la charge de 8 ohms:

ImpMatching legend

 On notera bien le fait que l'impédance spécifiée pour l'enceinte n'est qu'une impédance moyenne, car elle varie en fonction de la fréquence du signal qui lui est appliqué.

 

Construction

 La conception et la fabrication d'un transformateur audio de haute qualité est très complexe et relève du secret de fabrication.

 Un schéma de bobinage simplifié pour un transformateur Push-Pull est présenté ci-dessous. Les sections de bobinages (2) sont entremêlées, et bobinées autours du noyau (4). Sont également représentées les connexions (1) ainsi que les boucliers (3). Les couches d'isolations, entre chaque bobines, ne sont pas représentées.

TR Bobinages legend

Les transformateurs sont souvent moulés dans une résine afin de les protéger mécaniquement et de limiter les vibrations.

 

Dernières remarques

 Les transformateurs sont des éléments très complexes dont la fabrication est un véritable secret. Leurs performances sont importantes pour les applications audio de haute fidélité et ils peuvent constituer une sévère limitation.

Les amplificateurs Monange utilisent des transformateurs sur dimensionnés de très haute qualité, fruits d'un long savoir faire, afin de vous apporter le meilleur son.