Un transformateur électronique 12V pour lampes halogène n'a rien à voir avec un transfo classique 50Hz 220V. Le format du boitier rend le transfo électronique compatible avec un transfo classique "ferromagnétique" 50Hz. Un transfo électronique est un véritable circuit électronique plutôt qu'un cube de tôles ! Il s'agit en réalité d'une alimentation à découpage qui réalise une tension efficace isolée de 12V pour alimenter les ampoules.
La fonction d'un transfo électronique est identique à un transfo traditionnel :
- abaisser la tension à 12V efficaces
- isolation électrique renforcée entre entrée et sortie
Ces 2 conditions garantissent une très basse tension de sécurité (TBTS) : l'utilisateur peut toucher la sortie (les connexions aux ampoules) sans danger.
On peut utiliser indifféremment l'un ou l'autre transformateur pour alimenter des lampes halogène 12V.
Exemples de transfos électroniques 220V/12V du commerce
Transfo électronique 12V/60VA démonté
Zoom sur le transfo à proprement parler.
Les 12 spires extérieures visibles forment le secondaire. Un courant de 5A efficaces y circule lorsque 60VA sont consommés. L'échauffement est limité grâce à la faible longueur du fil qui offre une résistance très faible.
Les transistors de puissance (BUL39D) n'ont pas de radiateur. Leur échauffement est très réduit. De plus, le transfo électronique est prévu pour fonctionner en boitier fermé.
Transistors hacheurs BUL39D (dépliés pour pouvoir lire leur référence)
Caractéristiques du BUL39D :
Ic : 4A (continus), 8A crête (<5ms)
Vce : 450V
Puissance totale : 70W (sur radiateur infini, boitier à 25°C)
Un autre transfo électronique (démonté) de 50VA se présente ainsi :
Transfo électronique 12V/50VA démonté
Ce transfo électronique provient d'un lampadaire halogène à 2 lampes : une lampe 230V/300W avec variateur à triac et une lampe 12V/50W alimentée par le transfo électronique. La carte a été coupée à la scie pour le séparer. Ci dessous, le transfo qui assure l'abaissement de la tension et l'isolation électrique :
Zoom sur le transfo à proprement parler.
Le schéma complet de ce transfo électronique 12V figure ci dessous :
Schéma d'un transfo électronique 12V/50VA
Les diodes sont des diodes rapides 1A/400V. T3 est un 2SC1815 (transistor standard).
Les transistors T1 et T2 sont marqués "RELC05", équivalents au BUL59 (8A, 16A crête, 400V, 90W).
Attention : tout le circuit du transfo électronique (sauf le secondaire) est sous tension dangereuse (secteur). La masse correspond au point froid pour le raisonnement mais ne doit pas être touchée avec les doigts !
Transformateur électronique 12V : fonctionnement
Le transfo électronique est une alimentation à découpage en demi pont. La tension de sortie va directement à l'ampoule et sans être redressée. Le filament de la lampe est donc traversé par un courant alternatif haute fréquence. Le système est auto oscillant.
Schéma d'un transfo électronique 50VA simplifié (la protection contre les courts-circuits n'est pas représentée)
Caractéristiques de TR1
TR1a et TR1b : 4 spires
TR1c : 5 spires
Inductance magnétisante de chaque enroulement : 10uH à 20uH typiques
Fonctionnement du transfo électronique 12V
A chaque demie alternance du secteur (10ms), un nouveau cycle commence. La tension entre + et - du pont de diode n'est pas lissée, C2 et C3 ont des valeurs très faibles (100nF). Entre 2 demies alternances, le découpage s'interrompt.
Lorsque la tension du secteur redressé augmente, C1 se charge à travers R1. Lorsque la tension aux bornes de C1 atteint le seuil du diac (32V environ), le diac devient brutalement conducteur. T2 entre alors en conduction. C1 se décharge dans la base de T2 à travers R6 et le diac. Un courant circule dans le primaire du transfo TR2. Ce même courant traverse TR1b vers la gauche. La polarité instantanée du point sur TR1b est négative. De même pour TR1c et TR1a par convention du point sur chaque enroulement d'un transfo. La tension aux bornes de TR1c correspond à une tension Vbe positive pour T2. La conduction de T2 est ainsi entretenue et T3 reste bloqué (Vbe négatif).
Le courant du primaire passe dans TR1b et augmente jusqu'à saturation de TR1. Lorsque TR1 entre en saturation, la tension aux bornes de ses autres enroulements (TR1a et TR1c) tombe à zéro. La base de T2 n'est plus alimentée : T2 bloque après avoir écoulé son temps de stockage (charges accumulées dans les jonctions PN).
La seconde demie alternance commence : D1 (diode de roue libre) entre alors en conduction pour garantir la continuité du courant dans le primaire de TR2. La décroissance de ce courant qui passe dans TR1b crée maintenant une tension de signe contraire. La polarité instantanée du point sur TR1b est positive. De même pour TR1c et TR1a par convention du point sur un transfo. La tension aux bornes de TR1a correspond à une tension Vbe positive pour T1. La conduction de T1 est ainsi entretenue et T2 reste bloqué (Vbe négatif). Tr1b entre ensuite en saturation et les tensions aux bornes de TR1a et TR1c s'annulent. T1 bloque. La diode de roue libre D2 entre en conduction. Le courant dans Tr1b diminue puis s'annule. Un nouveau cycle recommence alors.
Courant collecteur de T2 et tension aux bornes de TR1b
La fréquence de ces cycles se situe entre 25 et 40 kHz typiquement. Elle dépend du temps de stockage des transistors, et des caractéristiques de TR1 et TR2. Ces oscillations se maintiennent jusqu'à la fin de la demie alternance du secteur. Tant que des oscillations haute fréquence ont lieu, C1 reste déchargée (car déchargée à chaque période de découpage par D4 et T2) et n'intervient pas dans le fonctionnement.
Jaune : tension aux bornes de C1
Violet : Courant collecteur de T2
La courbe violette est un signal créneau à 30kHz environ dans une "enveloppe" de demie alternance secteur. Cela peut évoquer une modulation d'amplitude à 100Hz.
Protection contre les courts-circuits
L'encadré gris (ci dessous) sur le schéma montre un circuit de protection contre un court-circuit en sortie. Un court-circuit en sortie va appeler un grand courant au primaire, ce qui se traduit par une tension anormalement élevée aux bornes de R5. Cette tension est redressée et filtrée par D3 et C4. Par le pont diviseur R7/R8, elle arrive à la base de T3. Lorsque T3 entre en conduction, il décharge C1 et empêche la conduction du diac à chaque demie alternance du secteur.
Si le court-circuit est toujours présent, la protection va à nouveau se déclencher. Avant que la protection se déclenche, un courant élevé passe dans les transistors qui doivent donc être robustes (grande zone de fonctionnement fiable "RBSOA"). Les transistors doivent supporter des puissances élevées à dissiper (Vce et Ic grands simultanément !).
Un appel de courant momentané, comme à l'allumage de la lampe, ne déclenche pas intempestivement la protection grâce à la grande valeur de C4. C4 ne se charge en effet pas instantanément.
R4 est ajoutée pour donner à T1 le même comportement que R5 pour T2 non pas pour la protection, mais pour ajuster la tension Vbe par rapport à la tension aux bornes de TR1a et TR1c.
Schéma du transfo électronique complet (avec protection courts-circuits)
Transformateur électronique 12V : mesures
Quelques mesures à l'oscilloscope sur un transfo électronique 12V sont présentées dans cet article.
Transfo électronique testé
Les mesures ci dessous sont réalisées sur le transfo qui figure ci dessous :
Schéma du transfo électronique testé
Démarrage du transfo électronique
Lors de la mise sous tension, le filament de l'ampoule est froid. Sa résistance est environ 15 fois plus faible qu'en fonctionnement. Un appel de courant considérable a lieu. Sa durée dépend directement de l'inertie thermique du filament, c'est-à-dire le temps qu'il va mettre pour chauffer. Ci dessous, l'appel de courant au démarrage du transfo électronique 50VA :
Appel de courant au démarrage du transfo électronique
Chaque "bosse" violette correspond à une demie alternance du secteur. Le courant collecteur atteint 4.5A crête environ au démarrage puis s'établit à 1.0A crête. Cette valeur de 4.5A définit le choix du transistor (ici, les BUL59 supportent 8A).
Allure du courant dans l'ampoule 12V
Une ampoule de 12V/50W consomme 4.17A efficaces.
Ces 4.17A efficaces sont une moyenne quadratique sur 10ms d'une tension créneau haute fréquence contenue dans une enveloppe en demie arche de sinusoïde.
Tension primaire
La tension aux bornes du primaire a exactement la même allure que le courant secondaire qui circule dans l'ampoule.
Violet : courant collecteur de T2
La mesure est faite sur le "haut" d'une demie alternance, lorsque la tension secteur instantanée est maximale en valeur absolue. La pente du haut des créneaux (jaune) est due aux faibles valeurs de C2 et C3.
On remarque que la tension moyenne aux bornes du primaire du transfo est nulle. Ceci est toujours vrai pour un transfo. Si les temps de conduction de T1 et T2 sont un peu différents, le rapport cyclique ne vaut plus 50% exactement. Ce déséquilibre se répartit sur les tensions aux bornes de C2 et C3.
Correction du facteur de puissance (PFC)
Les capacités après le pont de diode sont de faible valeur, le courant appelé sur le secteur est ainsi presque sinusoïdal.
Tension secteur redressée et courant collecteur
Cependant, des perturbations liées au découpage haute fréquence sont renvoyées sur le réseau et doivent donc être filtrées par une inductance en série devant le pont de diodes du transfo électronique. Ce filtre doit être conforme aux normes VDS et UL pour les niveaux d'émissions autorisés, ainsi que les distances d'isolation et la réponse en fréquence du filtre.
Dimensionnement des transistors
Le courant crête de démarrage fixe la valeur minimale de Ic à retenir. Le site de STMicroelectronics propose ces choix (regarder la relation entre Ic et la puissance de sortie) :
Transistors recommandés par STMicroelectronics
La tension Vce doit être au moins égale à 400-450V.
Conclusion
Le transfo électronique est une alimentation à découpage qui envoie un courant haute fréquence à l'ampoule halogène. La tension efficace en sortie est de 12V. L'allure de la tension est un signal créneau de découpage dans une enveloppe qui correspond au secteur redressé mais non filtré. Par ailleurs, la protection contre les courts-circuits est utile pour l'utilisation de lampes halogène. Enfin, un transfo électronique est beaucoup plus léger, ne fait pas de bruit audible et peut être utilisé avec un variateur de lumière.
La fonction d'un transfo électronique est identique à un transfo traditionnel :
- abaisser la tension à 12V efficaces
- isolation électrique renforcée entre entrée et sortie
Ces 2 conditions garantissent une très basse tension de sécurité (TBTS) : l'utilisateur peut toucher la sortie (les connexions aux ampoules) sans danger.
On peut utiliser indifféremment l'un ou l'autre transformateur pour alimenter des lampes halogène 12V.
Exemples de transfos électroniques 220V/12V du commerce
Transfo électronique 12V/60VA démonté
Zoom sur le transfo à proprement parler.
Les 12 spires extérieures visibles forment le secondaire. Un courant de 5A efficaces y circule lorsque 60VA sont consommés. L'échauffement est limité grâce à la faible longueur du fil qui offre une résistance très faible.
Les transistors de puissance (BUL39D) n'ont pas de radiateur. Leur échauffement est très réduit. De plus, le transfo électronique est prévu pour fonctionner en boitier fermé.
Transistors hacheurs BUL39D (dépliés pour pouvoir lire leur référence)
Caractéristiques du BUL39D :
Ic : 4A (continus), 8A crête (<5ms)
Vce : 450V
Puissance totale : 70W (sur radiateur infini, boitier à 25°C)
Un autre transfo électronique (démonté) de 50VA se présente ainsi :
Transfo électronique 12V/50VA démonté
Ce transfo électronique provient d'un lampadaire halogène à 2 lampes : une lampe 230V/300W avec variateur à triac et une lampe 12V/50W alimentée par le transfo électronique. La carte a été coupée à la scie pour le séparer. Ci dessous, le transfo qui assure l'abaissement de la tension et l'isolation électrique :
Zoom sur le transfo à proprement parler.
Le schéma complet de ce transfo électronique 12V figure ci dessous :
Schéma d'un transfo électronique 12V/50VA
Les diodes sont des diodes rapides 1A/400V. T3 est un 2SC1815 (transistor standard).
Les transistors T1 et T2 sont marqués "RELC05", équivalents au BUL59 (8A, 16A crête, 400V, 90W).
Attention : tout le circuit du transfo électronique (sauf le secondaire) est sous tension dangereuse (secteur). La masse correspond au point froid pour le raisonnement mais ne doit pas être touchée avec les doigts !
Transformateur électronique 12V : fonctionnement
Le transfo électronique est une alimentation à découpage en demi pont. La tension de sortie va directement à l'ampoule et sans être redressée. Le filament de la lampe est donc traversé par un courant alternatif haute fréquence. Le système est auto oscillant.
Schéma d'un transfo électronique 50VA simplifié (la protection contre les courts-circuits n'est pas représentée)
Caractéristiques de TR1
TR1a et TR1b : 4 spires
TR1c : 5 spires
Inductance magnétisante de chaque enroulement : 10uH à 20uH typiques
Fonctionnement du transfo électronique 12V
A chaque demie alternance du secteur (10ms), un nouveau cycle commence. La tension entre + et - du pont de diode n'est pas lissée, C2 et C3 ont des valeurs très faibles (100nF). Entre 2 demies alternances, le découpage s'interrompt.
Lorsque la tension du secteur redressé augmente, C1 se charge à travers R1. Lorsque la tension aux bornes de C1 atteint le seuil du diac (32V environ), le diac devient brutalement conducteur. T2 entre alors en conduction. C1 se décharge dans la base de T2 à travers R6 et le diac. Un courant circule dans le primaire du transfo TR2. Ce même courant traverse TR1b vers la gauche. La polarité instantanée du point sur TR1b est négative. De même pour TR1c et TR1a par convention du point sur chaque enroulement d'un transfo. La tension aux bornes de TR1c correspond à une tension Vbe positive pour T2. La conduction de T2 est ainsi entretenue et T3 reste bloqué (Vbe négatif).
Le courant du primaire passe dans TR1b et augmente jusqu'à saturation de TR1. Lorsque TR1 entre en saturation, la tension aux bornes de ses autres enroulements (TR1a et TR1c) tombe à zéro. La base de T2 n'est plus alimentée : T2 bloque après avoir écoulé son temps de stockage (charges accumulées dans les jonctions PN).
La seconde demie alternance commence : D1 (diode de roue libre) entre alors en conduction pour garantir la continuité du courant dans le primaire de TR2. La décroissance de ce courant qui passe dans TR1b crée maintenant une tension de signe contraire. La polarité instantanée du point sur TR1b est positive. De même pour TR1c et TR1a par convention du point sur un transfo. La tension aux bornes de TR1a correspond à une tension Vbe positive pour T1. La conduction de T1 est ainsi entretenue et T2 reste bloqué (Vbe négatif). Tr1b entre ensuite en saturation et les tensions aux bornes de TR1a et TR1c s'annulent. T1 bloque. La diode de roue libre D2 entre en conduction. Le courant dans Tr1b diminue puis s'annule. Un nouveau cycle recommence alors.
Courant collecteur de T2 et tension aux bornes de TR1b
La fréquence de ces cycles se situe entre 25 et 40 kHz typiquement. Elle dépend du temps de stockage des transistors, et des caractéristiques de TR1 et TR2. Ces oscillations se maintiennent jusqu'à la fin de la demie alternance du secteur. Tant que des oscillations haute fréquence ont lieu, C1 reste déchargée (car déchargée à chaque période de découpage par D4 et T2) et n'intervient pas dans le fonctionnement.
Jaune : tension aux bornes de C1
Violet : Courant collecteur de T2
La courbe violette est un signal créneau à 30kHz environ dans une "enveloppe" de demie alternance secteur. Cela peut évoquer une modulation d'amplitude à 100Hz.
Protection contre les courts-circuits
L'encadré gris (ci dessous) sur le schéma montre un circuit de protection contre un court-circuit en sortie. Un court-circuit en sortie va appeler un grand courant au primaire, ce qui se traduit par une tension anormalement élevée aux bornes de R5. Cette tension est redressée et filtrée par D3 et C4. Par le pont diviseur R7/R8, elle arrive à la base de T3. Lorsque T3 entre en conduction, il décharge C1 et empêche la conduction du diac à chaque demie alternance du secteur.
Si le court-circuit est toujours présent, la protection va à nouveau se déclencher. Avant que la protection se déclenche, un courant élevé passe dans les transistors qui doivent donc être robustes (grande zone de fonctionnement fiable "RBSOA"). Les transistors doivent supporter des puissances élevées à dissiper (Vce et Ic grands simultanément !).
Un appel de courant momentané, comme à l'allumage de la lampe, ne déclenche pas intempestivement la protection grâce à la grande valeur de C4. C4 ne se charge en effet pas instantanément.
R4 est ajoutée pour donner à T1 le même comportement que R5 pour T2 non pas pour la protection, mais pour ajuster la tension Vbe par rapport à la tension aux bornes de TR1a et TR1c.
Schéma du transfo électronique complet (avec protection courts-circuits)
Transformateur électronique 12V : mesures
Quelques mesures à l'oscilloscope sur un transfo électronique 12V sont présentées dans cet article.
Transfo électronique testé
Les mesures ci dessous sont réalisées sur le transfo qui figure ci dessous :
Schéma du transfo électronique testé
Démarrage du transfo électronique
Lors de la mise sous tension, le filament de l'ampoule est froid. Sa résistance est environ 15 fois plus faible qu'en fonctionnement. Un appel de courant considérable a lieu. Sa durée dépend directement de l'inertie thermique du filament, c'est-à-dire le temps qu'il va mettre pour chauffer. Ci dessous, l'appel de courant au démarrage du transfo électronique 50VA :
Appel de courant au démarrage du transfo électronique
Chaque "bosse" violette correspond à une demie alternance du secteur. Le courant collecteur atteint 4.5A crête environ au démarrage puis s'établit à 1.0A crête. Cette valeur de 4.5A définit le choix du transistor (ici, les BUL59 supportent 8A).
Allure du courant dans l'ampoule 12V
Une ampoule de 12V/50W consomme 4.17A efficaces.
Ces 4.17A efficaces sont une moyenne quadratique sur 10ms d'une tension créneau haute fréquence contenue dans une enveloppe en demie arche de sinusoïde.
Tension primaire
La tension aux bornes du primaire a exactement la même allure que le courant secondaire qui circule dans l'ampoule.
Violet : courant collecteur de T2
La mesure est faite sur le "haut" d'une demie alternance, lorsque la tension secteur instantanée est maximale en valeur absolue. La pente du haut des créneaux (jaune) est due aux faibles valeurs de C2 et C3.
On remarque que la tension moyenne aux bornes du primaire du transfo est nulle. Ceci est toujours vrai pour un transfo. Si les temps de conduction de T1 et T2 sont un peu différents, le rapport cyclique ne vaut plus 50% exactement. Ce déséquilibre se répartit sur les tensions aux bornes de C2 et C3.
Correction du facteur de puissance (PFC)
Les capacités après le pont de diode sont de faible valeur, le courant appelé sur le secteur est ainsi presque sinusoïdal.
Tension secteur redressée et courant collecteur
Cependant, des perturbations liées au découpage haute fréquence sont renvoyées sur le réseau et doivent donc être filtrées par une inductance en série devant le pont de diodes du transfo électronique. Ce filtre doit être conforme aux normes VDS et UL pour les niveaux d'émissions autorisés, ainsi que les distances d'isolation et la réponse en fréquence du filtre.
Dimensionnement des transistors
Le courant crête de démarrage fixe la valeur minimale de Ic à retenir. Le site de STMicroelectronics propose ces choix (regarder la relation entre Ic et la puissance de sortie) :
Transistors recommandés par STMicroelectronics
La tension Vce doit être au moins égale à 400-450V.
Conclusion
Le transfo électronique est une alimentation à découpage qui envoie un courant haute fréquence à l'ampoule halogène. La tension efficace en sortie est de 12V. L'allure de la tension est un signal créneau de découpage dans une enveloppe qui correspond au secteur redressé mais non filtré. Par ailleurs, la protection contre les courts-circuits est utile pour l'utilisation de lampes halogène. Enfin, un transfo électronique est beaucoup plus léger, ne fait pas de bruit audible et peut être utilisé avec un variateur de lumière.
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