Que sont les transformateurs de microphone et quelle est leur fonction ?

Certains microphones ont des sorties couplées par transformateur, tandis que d’autres sont considérés comme sans transformateur. Certains microphones ont même des transformateurs au milieu de leurs chaînes de signal plutôt qu’à leurs sorties.

Qu’est-ce qu’un transformateur de microphone?

Un transformateur de microphone est un appareil électrique passif qui isole physiquement deux circuits tout en maintenant une relation électrique entre les circuits. Les transformateurs de microphone ont deux bobines conductrices (une pour chaque circuit) enroulées autour d’un noyau magnétique commun. Ils ajustent la tension, le courant et l’impédance.

Dans cet article, nous aborderons le rôle du transformateur dans les microphones, ainsi que les microphones qui utilisent des transformateurs et ceux qui n’en utilisent pas.

Qu’est-ce qu’un transformateur?

Lorsque nous entendons le terme transformateur, nous pensons souvent aux transformateurs de puissance qui alimentent nos bâtiments en électricité à partir de lignes électriques.

Les transformateurs de puissance qui alimentent nos bâtiments avec des tensions secteur régulées supportent des tensions et des courants beaucoup plus élevés que les transformateurs de sortie de microphone, mais ils sont tous deux conçus sur les mêmes principes.

Les transformateurs sont des dispositifs électromagnétiques passifs qui transfèrent la puissance d’un circuit à un autre par couplage inductif.

Fondamentalement, chaque circuit a son propre fil conducteur qui s’enroule autour d’un noyau magnétique commun. Cela couple efficacement les deux circuits.

Les circuits à couplage inductif, tels que ceux des transformateurs, sont configurés de sorte qu’un changement de courant à travers les conducteurs d’un circuit induit une tension aux extrémités des conducteurs de l’autre circuit.

Les transformateurs les plus simples, qui sont courants dans les microphones couplés à un transformateur, se composent de deux circuits. Chaque circuit a un fil conducteur, appelé enroulement, qui s’enroule autour du noyau magnétique du transformateur.

Normalement, l’enroulement primaire est connecté au circuit qui présente le signal de sortie de la capsule du microphone, tandis que l’enroulement secondaire est connecté au circuit de sortie du microphone.

Voici un schéma simple d’un transformateur:

• P = enroulement primaire: l’enroulement primaire se trouve sur le côté de la capsule du microphone. Cela ne signifie pas nécessairement qu’il est sur le même circuit que la capsule du microphone. Cela signifie plutôt que l’enroulement se situe entre le transformateur et la capsule plutôt qu’entre le transformateur et la sortie du microphone. L’enroulement primaire peut être considéré comme «l’entrée» du transformateur, transportant le signal du microphone de la capsule au transformateur.
• S = enroulement secondaire: l’enroulement secondaire se trouve du côté de la sortie du microphone. Cela signifie que l’enroulement se situe entre le transformateur et la sortie au lieu d’entre le transformateur et la capsule. L’enroulement secondaire peut être considéré comme la «sortie» du transformateur. Lorsque le signal traverse l’enroulement primaire, le transformateur produit effectivement un signal mis à l’échelle mais modifié à travers le secondaire.
• MC = Common Magnetic Core: Pour que le couplage inductif fonctionne, nous avons besoin d’une induction électromagnétique. La tension aux bornes de l’enroulement primaire provoque un champ magnétique changeant dans le noyau magnétique qui induit alors une tension aux bornes de l’enroulement secondaire.

Fondamentalement, une tension dans l’enroulement primaire (due finalement à la capsule du microphone) provoque une modification du champ magnétique du noyau magnétique. Cette variation de champ magnétique induit alors une tension aux bornes de l’enroulement secondaire. Tout cela est dû à l’induction électromagnétique.

Notez que les transformateurs ne font passer que le courant alternatif et bloquent le courant continu. C’est ce qu’on appelle l’isolation DC. Un courant continu n’est, par définition, pas un courant alternatif. Par conséquent, cela ne produirait pas un champ magnétique changeant qui est nécessaire pour que l’induction électromagnétique induise une tension à travers l’autre enroulement/enroulement secondaire.

Il est également essentiel de noter que la puissance d’entrée du transformateur (sur le primaire) et la puissance de sortie du transformateur (sur le secondaire) sont les mêmes (à l’exception des pertes de conversion). Je le répéterai plus tard lorsque nous discuterons des transformateurs élévateurs, des transformateurs abaisseurs et des rôles des transformateurs dans les microphones.

Équations générales pour les transformateurs de microphone

Maintenant que nous avons couvert les bases des transformateurs de microphone, regardons quelques calculs concrets que nous pouvons faire avec les transformateurs. Cela nous aidera dans la section suivante sur le rôle des transformateurs dans les microphones.

Voici quelques formules de transformateur avec des explications. Notez que ce sont des formules idéales et ne tiennent pas compte des pertes de conversion naturelles.

Formule de puissance pour les transformateurs

Comme mentionné ci-dessus, dans des situations idéales (sans pertes de conversion), la puissance dans l’enroulement primaire d’un transformateur doit être égale à la puissance dans l’enroulement secondaire:

_Pp = Ps _{_}

P = Puissance

Cela se produit quel que soit le rapport de tours entre les deux enroulements.

Il est utile de noter que la puissance est égale au produit de la tension et du courant:

P = est ⋅ V

I = Courant V = Tension

Dans cet esprit, regardons comment calculer l’effet d’un transformateur sur la tension et le courant.

Formule de tension pour les transformateurs

Le nombre de tours dans une bobine conductrice est un facteur important pour déterminer la tension qui peut être induite électromagnétiquement à travers la bobine. Toutes choses étant égales par ailleurs, une bobine avec plus de tours aura une grande tension induite à travers elle.

Les transformateurs ont un noyau magnétique commun et les enroulements sont presque toujours constitués du même matériau conducteur avec le même calibre. Le rapport de tours devient alors un élément critique de l’équation.

Voici la formule pour calculer la différence de tension aux bornes d’un transformateur:

Vs =(_Ns / _{Np )} ⋅ _Vp

V _s = Tension dans l’enroulement secondaire V _p = Tension dans l’enroulement primaire N _s = Nombre de spires dans l’enroulement secondaire N _p = Nombre de spires dans l’enroulement primaire

Ainsi, comme nous pouvons le voir ici, si la bobine secondaire a plus de tours que le primaire, alors la bobine secondaire aura une tension plus élevée que le primaire.

Une autre façon d’écrire ceci est:

Vs / _Vp = _Ns / _{Np _}

Pour rappel, cette formule est valable pour des circonstances idéales et ne tient pas compte d’éventuelles pertes de conversion.

Formule actuelle pour les transformateurs

Jusqu’à présent, nous savons que les transformateurs ne modifient pas la puissance d’un enroulement à l’autre. Nous avons également discuté du fait que l’enroulement avec plus de tours aura une tension plus élevée.

Donc, si P = I ⋅ V, alors une augmentation de la tension signifierait une diminution proportionnelle du courant. C’est exactement ce qui se passe dans les transformateurs.

Voici la formule pour calculer la différence de courant dans un transformateur:

est _s =(N _p /N _s) ⋅ est _p

I _s = Courant traversant l’enroulement secondaire I _p = Courant traversant l’enroulement primaire N _p = Nombre de spires dans l’enroulement primaire N _s = Nombre de spires dans l’enroulement secondaire

Si l’enroulement secondaire a plus de tours que le primaire, il aura également moins de courant que le primaire.

Une autre façon d’écrire ceci est:

Je _s /Je _p = N _p /N _s

Formule d’impédance pour les transformateurs

Une autre valeur électrique importante que les transformateurs affectent est l’impédance.

Notez qu’il ne s’agit pas de l’impédance du transformateur lui-même, mais de la différence entre l’impédance dans le circuit d’enroulement primaire et le circuit d’enroulement secondaire.

En substituant la résistance (une quantité DC) à l’impédance (une quantité AC) dans la loi d’Ohm, nous obtenons:

| Z | = V/I

| Z | = Impédance (absolue)

Ce n’est pas nécessairement une substitution parfaite, mais cela conduit à l’équation suivante pour l’impédance du transformateur:

Zs =(_Ns / _{Np )} ² ⋅ _Zp

Z _s = Impédance de l’enroulement secondaire Z _p = Impédance de l’enroulement primaire N _s = Nombre de spires de l’enroulement secondaire N _p = Nombre de spires de l’enroulement primaire

Notez que nous sommes arrivés à l’équation ci-dessus en comparant l’enroulement secondaire à l’enroulement primaire pour chaque valeur (Z, V et I) puis en échangeant le Vs _/ Vp _pour Ns _/ Np _et le _Is / _Ip = N _p /N _s.

Alors que signifie cette équation?

Si l’enroulement secondaire d’un transformateur a plus de tours, il aura une impédance plus élevée que le primaire. Cette valeur d’impédance sera égale au carré du rapport de spires multiplié par l’impédance de l’enroulement primaire.

Si l’enroulement secondaire d’un transformateur a moins de tours, il aura une impédance inférieure à celle du primaire. Cette impédance, encore une fois, sera égale au carré du rapport de tours multiplié par l’impédance de l’enroulement primaire. Dans ce cas, le carré du rapport de tours sera inférieur à un.

Types généraux de transformateurs de microphone

Maintenant que nous savons comment fonctionnent les transformateurs, examinons les types de transformateurs trouvés dans les microphones et les rôles qu’ils jouent.

Tout d’abord, notez que les transformateurs de microphone sont des transformateurs audio et fonctionnent dans la plage de fréquences audibles de 20 Hz à 20 000 Hz. Le transformateur de la pire qualité peut avoir des plages plus petites que cela. Les transformateurs audio appropriés fonctionneront dans cette plage.

Lorsque l’on considère les rôles joués par un transformateur dans un microphone, il est important de savoir qu’il existe différents types de transformateurs utilisés dans la conception des microphones. Ces types de transformateurs sont:

transformateur élévateur

Dans le schéma ci-dessus, nous décrivons un transformateur élévateur.

Un transformateur élévateur est conçu pour augmenter ou «augmenter» la tension du primaire au secondaire. Cela nécessite que l’enroulement secondaire ait plus de tours (le nombre de fois que le fil s’enroule autour du noyau magnétique) que le primaire.

Toutes choses étant égales par ailleurs, un fil conducteur avec plus de tours aura une tension induite plus élevée à travers lui lorsqu’il est soumis au même changement de champ magnétique.

Dans le schéma ci-dessus, nous avons l’enroulement primaire (côté capsule) à gauche et l’enroulement secondaire (côté sortie) à droite.

Lorsque la tension alternative (signal du microphone) de la capsule est appliquée à travers l’enroulement primaire, elle produit un champ magnétique changeant dans le noyau magnétique. Ce champ magnétique changeant est donc commun aux deux bobinages. Comme l’enroulement secondaire a plus de tours, la tension induite à ses bornes est supérieure à la tension aux bornes du primaire.

Cette augmentation de tension s’accompagne d’une nouvelle augmentation de l’impédance ainsi que d’une diminution proportionnelle du courant.

transformateur abaisseur

Un transformateur abaisseur est essentiellement un transformateur élévateur à câblage inversé. Sa bobine primaire a plus de tours que sa bobine secondaire.

Dans le schéma ci-dessus, nous avons l’enroulement primaire (côté capsule) à gauche et l’enroulement secondaire (côté sortie) à droite.

La tension alternative produite par la capsule du microphone est finalement appliquée à travers l’enroulement primaire. Cette tension induit un champ magnétique alternatif dans le noyau magnétique du transformateur. Ceci, à son tour, induit une tension plus faible à travers l’enroulement secondaire (car l’enroulement secondaire a moins de tours).

Cette diminution de tension s’accompagne d’une diminution encore plus importante de l’impédance ainsi que d’une augmentation proportionnelle du courant.

Transformateur d’isolement

Le transformateur d’isolement moins connu a un rapport de tours de 1:1 et est conçu pour ne pas affecter la tension, le courant ou l’impédance des enroulements primaire et secondaire. Son objectif est plutôt d’isoler électriquement les principaux composants et circuits du microphone (y compris la capsule) du connecteur de sortie du microphone.

Il est important de noter que tous les transformateurs agissent pour isoler deux circuits. Bien qu’une relation électromagnétique existe entre les deux enroulements d’un transformateur, chaque enroulement est dans son propre circuit isolé.

Ces transformateurs d’isolement sont conçus pour bloquer le courant continu et protéger les microphones sans affecter le signal du microphone à la sortie.

Les rôles des transformateurs dans les microphones

En conclusion, examinons les nombreux rôles des transformateurs dans la conception des microphones:

• Empêche la tension continue (y compris l’alimentation fantôme) d’entrer dans les composants sensibles du microphone
• Équilibrer les signaux audio asymétriques
• Ajuster l’impédance de sortie du microphone
• Réglez la tension de sortie du microphone (force du signal)
• Colorer le signal de sortie du microphone

Une note rapide sur la coloration: les transformateurs ajoutent souvent une légère distorsion au signal d’un microphone, en particulier lorsque le rapport de transformation est important. Cela est dû aux imperfections naturelles des fils conducteurs et des noyaux magnétiques, ainsi qu’aux pertes de conversion se produisant naturellement avec l’induction électromagnétique.

Il est important de noter que les transformateurs ne sont pas toujours nécessaires dans les conceptions de microphones. Les transformateurs de haute qualité sont chers et les transformateurs bon marché ont des effets néfastes sur le son du microphone.

De nombreux microphones dynamiques à bobine mobile s’en passent pour réduire les coûts. Ces microphones sont généralement suffisamment durables pour contourner les transformateurs.

De nombreux fabricants de microphones à condensateur se sont tournés vers des conceptions de circuits de sortie sans transformateur moins chères qui utilisent des transistors pour remplir les mêmes fonctions que les transformateurs.

Sur ce, examinons certains types de microphones courants qui utilisent des transformateurs dans leurs conceptions:

Transformateurs de microphone dynamique à bobine mobile

Des transformateurs élévateurs sont parfois placés à la sortie des microphones dynamiques à bobine mobile pour aider à amplifier leurs signaux de microphone relativement faibles. Ces signaux de microphone peuvent permettre l’augmentation de l’impédance associée à une tension accrue.

Certains transformateurs colorent le signal du microphone plus que d’autres et tous les transformateurs protègent la cartouche de la tension continue.

Transformateurs de microphone à ruban dynamique passif

Des transformateurs élévateurs sont toujours utilisés aux sorties des microphones passifs à ruban. Les diaphragmes à ruban sont très fragiles et nécessitent la protection de l’alimentation CC fournie par les transformateurs.

Les transformateurs élévateurs augmentent la tension des signaux de microphone à ruban relativement faibles sans augmenter l’impédance à des niveaux inutilisables.

Comme avec tous les microphones, certains transformateurs coloreront le signal du microphone plus que d’autres.

Transformateurs de microphone à ruban actifs dynamiques

Les microphones à ruban actifs auront généralement des transformateurs élévateurs juste après leurs baffles (diaphragme/élément).

Ces transformateurs élévateurs ont souvent des rapports de transformation plus élevés et fonctionnent pour augmenter le signal du microphone (tension) au détriment de l’augmentation de l’impédance.

Ces transformateurs protègent également le diaphragme sensible de l’alimentation CC requise pour faire fonctionner les circuits actifs du microphone à ruban (y compris le convertisseur d’impédance).

Le convertisseur d’impédance (FET) prend le signal tension/impédance le plus élevé du transformateur et abaisse efficacement l’impédance à des niveaux utilisables sans abaisser la tension du signal. Certains convertisseurs d’impédance agissent même comme des pseudo-amplificateurs et augmentent encore la tension du signal.

Ces microphones ont généralement un circuit de sortie sans transformateur.

Transformateurs de microphone dynamiques à ruban à tube actif

Les microphones à tube à ruban nécessitent généralement deux transformateurs dans leur conception.

Le premier transformateur est un transformateur élévateur et agit pour:

• Augmentez le niveau (tension) du signal relativement faible du microphone provenant du diaphragme à ruban. Cela se fait au détriment de l’augmentation de l’impédance, que le tube à vide convertira correctement.
• Protégez le diaphragme à ruban de toute tension continue potentielle qui pourrait l’endommager.

Le deuxième transformateur est un transformateur abaisseur et agit pour:

• Réduisez davantage l’impédance à un niveau professionnel utilisable.
• Équilibrez le signal du microphone à tube à vide.

Transformateurs de microphone à condensateur FET

Certains microphones à condensateur à semi-conducteurs (en particulier les premiers) utilisent des transformateurs abaisseurs sur leurs sorties.

Ces transformateurs abaisseurs agissent pour correspondre correctement à l’impédance de sortie du signal du microphone.

Transformateurs de microphone à condensateur à tube

Les microphones à condensateur à tube ont généralement des sorties couplées à un transformateur abaisseur.

Ces transformateurs abaisseurs ajustent efficacement l’impédance du signal à un niveau utilisable. La force du signal du tube à vide peut tenir compte de la chute de tension inhérente à un transformateur abaisseur.

Les transformateurs de sortie agissent également pour équilibrer le signal de sortie et protéger le microphone de la tension continue qui pourrait entrer dans les broches 2 et 3 du câble audio (alimentation fantôme).

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