Tout en augmentant (step-up) ou en diminuant (step-down) la tension d’un signal, les transformateurs possèdent également une autre propriété très utile, l’isolement. Étant donné qu’il n’y a pas de connexion électrique directe entre leurs enroulements primaire et secondaire, les transformateurs offrent un isolement électrique complet entre leurs circuits d’entrée et de sortie. Cette propriété d’isolement peut également être utilisée par le transformateur audio connecté entre un amplificateur et ses haut-parleurs.

Nous avons vu dans cette section concernant les transformateurs que ce sont des dispositifs électriques permettant à un signal d’entrée sinusoïdal (tel qu’un signal audio ou une tension) de produire un signal ou une tension de sortie sans que le côté d’entrée et le côté de sortie soient physiquement connectés l’un à l’autre. Ce couplage est réalisé grâce à deux (ou plusieurs) bobines de fils de cuivre isolé enroulées autour d’un noyau en fer doux.

Lorsqu’un signal AC est appliqué à l’enroulement d’entrée primaire, un signal AC correspondant apparaît sur l’enroulement secondaire de sortie en raison du couplage inductif du noyau en fer doux. Le rapport de tours entre les bobines de fils d’entrée et de sortie fournit soit une augmentation soit une diminution du signal appliqué au passage à travers le transformateur.

Les transformateurs audio peuvent donc être considérés comme de type step-up ou step-down, mais plutôt que d’être enroulés pour produire une tension de sortie spécifique, ils sont principalement conçus pour l’adaptation d’impédance. De plus, un transformateur avec un rapport de tours de 1:1 ne change ni les niveaux de tension ni de courant, mais isole plutôt le circuit primaire du côté secondaire. Ce type de transformateur est communément appelé transformateur d’isolement.

Les transformateurs ne sont pas des dispositifs intelligents, mais peuvent être utilisés comme des dispositifs bidirectionnels de sorte que l’enroulement d’entrée primaire normal puisse devenir un enroulement de sortie et l’enroulement de sortie secondaire normal puisse devenir une entrée. En raison de cette nature bidirectionnelle, les transformateurs peuvent fournir un gain de signal lorsqu’ils sont utilisés dans une direction ou une perte de signal lorsqu’ils sont utilisés à l’envers pour aider à faire correspondre les niveaux de signal ou de tension entre différents appareils.

Notez également qu’un seul transformateur peut avoir plusieurs enroulements primaires ou secondaires et que ces enroulements peuvent également avoir plusieurs connexions électriques ou “taps” le long de leur longueur. L’avantage des transformateurs audio multi-tap est qu’ils offrent différentes impédances électriques ainsi que différents ratios de gain ou de perte, les rendant utiles pour l’adaptation d’impédance des amplificateurs et des charges de haut-parleurs.

Comme leur nom l’indique, les transformateurs audio sont conçus pour fonctionner dans la bande de fréquences audio et peuvent ainsi avoir des applications dans la phase d’entrée (microphones), la phase de sortie (haut-parleurs), le couplage entre étapes, ainsi que l’adaptation d’impédance des amplificateurs. Dans tous les cas, la réponse en fréquence, les impédances primaire et secondaire et les capacités de puissance doivent être prises en compte.

Les transformateurs audio et les transformateurs d’adaptation d’impédance sont similaires par leur conception aux transformateurs de puissance à basse fréquence, mais ils fonctionnent sur une gamme de fréquences beaucoup plus large, par exemple, de 20Hz à 20kHz, qui correspondent à la plage de voix. Les transformateurs audio peuvent également conduire du courant continu dans un ou plusieurs de leurs enroulements pour une utilisation dans des applications audio numériques, tout en transformant les niveaux de tension et de courant à haute fréquence.

Une des applications principales des transformateurs à fréquence audio est l’adaptation d’impédance. Les transformateurs audio sont idéaux pour équilibrer des amplificateurs et des charges ayant des impédances d’entrée/sortie différentes afin d’atteindre un transfert de puissance maximal.

Par exemple, une impédance typique de haut-parleur varie de 4 à 16 ohms tandis que l’impédance de la sortie d’un amplificateur à transistor peut atteindre plusieurs centaines d’ohms. Un exemple classique de cela est le transformateur audio LT700 qui peut être utilisé dans la phase de sortie d’un amplificateur pour entraîner un haut-parleur.

Nous savons que pour un transformateur, le rapport entre le nombre de tours de bobine sur l’enroulement primaire (N_P) et le nombre de tours sur l’enroulement secondaire (N_S) est appelé le “rapport de tours”. Étant donné que la même quantité de tension est induite dans chaque tour de bobine des deux enroulements, le rapport de tension primaire à secondaire (V_P/V_S) sera donc de la même valeur que le rapport de tours.

Les transformateurs audio d’adaptation d’impédance fournissent toujours leur valeur de rapport d’impédance d’un enroulement à un autre en fonction du carré de leur rapport de tours. C’est-à-dire que leur rapport d’impédance est égal au carré de son rapport de tours ainsi qu’au carré de son rapport de tension primaire à secondaire comme illustré.

Rapport d’Impédance

Où Z_P est l’impédance de l’enroulement primaire, Z_S est l’impédance de l’enroulement secondaire, (N_P/N_S) est le rapport de tours du transformateur, et (V_P/V_S) est le rapport de tension du transformateur.

Par exemple, un transformateur audio d’adaptation d’impédance ayant un rapport de tours (ou rapport de tension) disons de 2:1, aura un rapport d’impédance de 4:1.

Un transformateur audio avec un rapport d’impédance de 15:1 est à utiliser pour adapter la sortie d’un amplificateur de puissance à un haut-parleur. Si l’impédance de sortie de l’amplificateur est de 120Ω, calculez l’impédance nominale du haut-parleur requise pour un transfert de puissance maximal.

Alors, l’amplificateur de puissance peut conduire efficacement un haut-parleur de 8 ohms.

Une autre application très courante d’adaptation d’impédance est pour les transformateurs de ligne à 100 volts utilisés pour la transmission de musique et de voix via des systèmes de sonorisation. Ces types de systèmes de haut-parleurs montés au plafond utilisent plusieurs haut-parleurs situés à une certaine distance de l’amplificateur de puissance.

En utilisant des transformateurs d’isolement de ligne, un nombre quelconque de haut-parleurs à faible impédance peut être connecté de manière à charger correctement l’amplificateur pour fournir une adaptation d’impédance entre l’amplificateur (source) et les haut-parleurs (charge) pour un transfert de puissance maximal.

Étant donné que la perte de puissance des signaux à travers les câbles de haut-parleur est proportionnelle au carré du courant (P = I²R) pour une résistance de câble donnée, la tension de sortie d’un amplificateur utilisé pour des systèmes de sonorisation (PA) ou tannoy utilise un niveau de tension de sortie standard et constant de 100 volts en crête, (70,7 volts rms).

Par exemple, un amplificateur de 200 watts entraînant un haut-parleur de 8 ohms délivre un courant de 5 ampères, tandis qu’un amplificateur de 200 watts utilisant une ligne de 100 volts à pleine puissance ne délivre que 2 ampères, permettant d’utiliser des câbles de plus petit diamètre. Notez cependant que ces 100 volts n’existent sur la ligne que lorsque l’amplificateur de puissance entraînant la ligne fonctionne à pleine puissance nominale, sinon il y a une réduction de puissance (volume sonore plus bas) et de tension de ligne.

Étant donné que l’impédance d’un haut-parleur typique est généralement faible, un transformateur d’adaptation d’impédance step-down (généralement appelé transformateur de ligne vers bobine de voix) est utilisé pour chaque haut-parleur connecté à la ligne de 100V comme illustré.

Transformateurs de Ligne 100V

 

Ici, l’amplificateur utilise un transformateur step-up pour fournir une tension de ligne de transmission constante de 100 volts à un courant réduit, pour une sortie de puissance donnée. Les haut-parleurs sont connectés ensemble en parallèle avec chaque haut-parleur ayant son propre transformateur d’adaptation d’impédance step-down pour réduire la tension secondaire et augmenter le courant, adaptant ainsi la ligne de 100V aux faibles impédances des haut-parleurs.

L’avantage de ce type de ligne de transmission audio est que de nombreux haut-parleurs individuels, tannoys ou autre actionneurs sonores peuvent être connectés à une seule ligne, même s’ils ont des impédances et des capacités de gestion de puissance différentes. Par exemple, 4 ohms à 5 watts, ou 8 ohms à 20 watts.

En général, les transformateurs d’adaptation de ligne de transmission ont plusieurs connexions appelées points de taping sur l’enroulement primaire permettant de sélectionner des niveaux de puissance appropriés (et donc un volume sonore) pour chaque haut-parleur individuel. De plus, l’enroulement secondaire a des points de taping similaires offrant différentes impédances pour s’adapter à celle des haut-parleurs connectés.

Dans cet exemple simple, le transformateur de ligne 100V vers haut-parleur peut entraîner des charges de haut-parleur de 4, 8 ou 16 Ohms de son côté secondaire avec des puissances nominales de l’amplificateur de 4, 8 et 16 watts de son côté primaire en fonction des points de taping sélectionnés. En réalité, les transformateurs de ligne des systèmes PA peuvent être sélectionnés pour toute combinaison de charges de haut-parleur connectées en série et en parallèle avec des capacités de gestion de puissance allant jusqu’à plusieurs kilo-watts.

Mais tout comme les transformateurs de ligne d’adaptation d’impédance à tension constante, les transformateurs audio peuvent être utilisés pour connecter des dispositifs à basse impédance ou d’entrée de signal faible tels que des microphones, des pickups à bobine mobile, des entrées de ligne, etc. à un amplificateur ou un préamplificateur.

Comme les transformateurs audio d’entrée doivent fonctionner sur une large plage de fréquences, ils sont généralement conçus de sorte que la capacitance interne de leurs enroulements résonne avec leur inductance pour améliorer leur plage de fréquence de fonctionnement et permettre une taille de noyau de transformateur plus petite.

Nous avons vu dans ce tutoriel sur les transformateurs audio qu’ils sont utilisés pour faire correspondre les impédances entre différents dispositifs audio, par exemple, entre un amplificateur et un haut-parleur en tant que conducteur de ligne, ou entre un microphone et un amplificateur pour l’adaptation d’impédance.

Contrairement aux transformateurs de puissance qui fonctionnent à basse fréquence comme 50 ou 60Hz, les transformateurs audio sont conçus pour fonctionner sur la plage de fréquences audio, c’est-à-dire d’environ 20Hz à 20kHz ou beaucoup plus haut pour les transformateurs de radiofréquence.

En raison de cette large bande de fréquence, le noyau des transformateurs audio est fabriqué à partir de nuances spéciales d’acier, telles que l’acier au silicium ou d’alliages spéciaux de fer qui ont des pertes d’hystérésis très faibles.

Un des principaux inconvénients des transformateurs audio est qu’ils peuvent être quelque peu encombrants et coûteux, mais l’utilisation de matériaux de noyau spéciaux permet une conception plus compacte. Cela s’explique par le fait qu’en règle générale, la taille du noyau d’un transformateur augmente à mesure que la fréquence de fourniture diminue.