Les composants passifs : les bobines - L'électronique pour le musicien partie 5

« Bobine » est un terme géné­rique : on trou­vera diffé­rents compo­sants basés sur cette tech­no­lo­gie, sous les noms d’auto-induc­tance, de solé­noïde, de trans­for­ma­teur… même les micros de guitare ou les haut-parleurs utilisent une bobine, tout comme les moteurs élec­triques ou les têtes de lecture et d’en­re­gis­tre­ment des magné­to­phones.

Il va donc sans dire qu’un seul article ne suffira jamais à présen­ter toutes les possi­bi­li­tés d’uti­li­sa­tion, ni toutes les carac­té­ris­tiques élec­triques, de ce type de compo­sant. Je vais tenter de donner quelques notions pour comprendre les proprié­tés des bobines, et nous verrons en plus quelques exemples de leurs emplois dans des circuits.

Construc­tion de base

Une bobine est géné­ra­le­ment consti­tuée de deux éléments : 

• un fil conduc­teur enroulé sur lui-même en une série de spires. Ce fil est couvert d’une couche d’un maté­riau isolant (un verni) qui empêche les courts circuits entre les spires.
• un noyau, autour de quoi s’en­roulent les spires. Il s’agit parfois simple­ment d’air, ou d’un maté­riau ferro­ma­gné­tique.

Deux bobines : à gauche noyau d’air, à droite noyau ferro­ma­gné­tique.

Un noyau ferro­ma­gné­tique a pour fonc­tion de permettre une meilleure linéa­rité de l’in­duc­tance de la bobine et une meilleure conduc­tion du flux magné­tique… Mais déjà nous allons un trop loin ! Penchons-nous d’abord sur quelques notions d’élec­tro­ma­gné­tisme.

Induc­tion, Induc­tan­ce…

L’induc­tion élec­tro­ma­gné­tique est le phéno­mène physique qui lie champ magné­tique et force élec­tro­mo­trice.

Qu’est-ce ça veut dire ? Pour simpli­fier la compré­hen­sion de cette notion, à la place de « force élec­tro­mo­trice » nous utili­se­rons le terme de « tension », que nous avons déjà longue­ment exposé. En effet il s’agit, dans leurs effets, de deux concepts très proches. 

Il existe donc une rela­tion entre champ magné­tique et tension élec­trique. Si l’on prend une source de champ magné­tique variable et qu’on l’ap­proche d’un conduc­teur élec­trique, une tension appa­raît aux bornes de ce conduc­teur. Cette tension va géné­rer un courant dans ce conduc­teur. Ce phéno­mène s’ap­pelle induc­tion, et l’on dira que ce courant est induit.

Et cela est réver­sible ! Un conduc­teur traversé par un courant fluc­tuant géné­rera un champ magné­tique variable autour de lui.

Tout circuit élec­trique, tout conduc­teur, possède donc une certaine sensi­bi­lité au phéno­mène d’in­duc­tion : cette sensi­bi­lité se nomme induc­tance. Si l’on veut être plus précis dans la défi­ni­tion, on dirait que l’in­duc­tance est le quotient du flux du champ magné­tique et de l’in­ten­sité du courant.

On symbo­lise l’in­duc­tance par la lettre L, et on l’a mesure en Henry (H).

Comme pour les farads des conden­sa­teurs, un henry est déjà une unité élevée : dans le domaine de l’élec­tro­nique appliquée à l’au­dio, nous nous rencon­tre­rons plus souvent des milli-henries (mH).

Quel rapport avec nos bobines ? Disons que les bobines, par leur géomé­trie, sont construites pour favo­ri­ser l’in­duc­tion élec­tro­ma­gné­tique. Elles ont une induc­tance bien plus élevée qu’un simple conduc­teur recti­ligne, par exemple. On appelle d’ailleurs de nombreuses bobines « induc­tances », par raccourci.

Voici le symbole sché­ma­tique d’une induc­tance : 

Un exemple simple

À ce point de l’ar­ticle, je vous propose un exemple pour clari­fier les expli­ca­tions théo­riques ci-dessus. Cet exemple est un des plus simples (il me semble) pour abor­der ce phéno­mène d’in­duc­tion. C’est celui du micro de guitare.

On pren­dra l’exemple d’un capteur single-coil : sur le dessus de ce micro, vous aper­ce­vez une série de six aimants, un par corde. Ces aimants sont entou­rés d’une bobine de fil de cuivre. Lorsqu’une corde vibre, elle entre et sort dans le champ magné­tique de l’ai­mant qui lui corres­pond, faisant varier le flux magné­tique de cet aimant. Ces varia­tions du flux magné­tique induisent une tension aux bornes de la bobine. Cette tension fluc­tue égale­ment, en suivant exac­te­ment les mouve­ments de la corde : c’est notre signal audio. 

NB : on appelle ce genre de dispo­si­tif un trans­duc­teur : c’est-à-dire qu’il trans­forme un phéno­mène méca­nique (mouve­ment) en un autre type de signal (ici élec­trique). Un autre exemple de trans­duc­teur : le haut-parleur, qui effec­tue la fonc­tion inverse (signal élec­trique > signal physique).

On comprend donc, par cette expli­ca­tion rapide, comment peut être exploité le phéno­mène d’in­duc­tion dans le domaine de l’au­dio. Main­te­nant que nous avons survolé cet exemple, plon­geons un peu plus profon­dé­ment dans notre sujet, en nous penchant sur le phéno­mène d’auto-induc­tion.

L’auto-induc­tion : le retour de bâton

Partons de cette consta­ta­tion simple : lorsqu’une bobine est parcou­rue par un courant élec­trique, toute fluc­tua­tion de ce courant créera un champ magné­tique (lui aussi fluc­tuant), autour de la bobine.

Cepen­dant, comme nous l’avons expliqué, l’in­duc­tion fonc­tionne dans les deux sens : un champ magné­tique fluc­tuant à proxi­mité d’une bobine va induire un courant dans la bobine.

C’est grâce à cette réver­si­bi­lité du phéno­mène, qu’une bobine va être sujet à un effet de rétro­ac­tion : le champ magné­tique qu’elle produira lors des varia­tions du courant pourra, en retour, induire en elle un courant. Résul­tat : ce courant « supplé­men­taire », auto-induit, vien­dra compen­ser les fluc­tua­tions du courant initial. On dit qu’il vien­dra s’op­po­ser aux varia­tions du courant.

Pour l’ex­pliquer de manière synthé­tique : 

Varia­tions de courant => champ magné­tique => auto-induc­tion d’un courant => compen­sa­tion des varia­tions du courant

L’auto-induc­tion est donc la capa­cité qu’à une bobine à s’op­po­ser aux varia­tions du courant qui la traverse.

À quoi cela peut servir ? (entre autres)

Vous avez peut-être déjà entendu parler, dans les amplis de guitare, de l’uti­li­sa­tion de selfs. On en trou­vait couram­ment sur les amplis à tube des construc­teurs améri­cains et anglais de la grande époque… Ces selfs ressem­blaient à des petits trans­for­ma­teurs.

Vous pouvez vous en doutez, vu le nom self, ce compo­sant emploie le phéno­mène d’auto-induc­tion (self-induc­tance). On l’ap­pelle parfois en français une auto-induc­tance : c’est un compo­sant spécia­le­ment construit pour favo­ri­ser le phéno­mène auto-induc­tif. Ici, il est utilisé dans l’ali­men­ta­tion de l’am­pli­fi­ca­teur, pour pallier les possibles varia­tions de courant continu.

NB : il est impor­tant à ce stade de noter que, lorsqu’une bobine est traver­sée par un courant continu stable, elle se comporte, prin­ci­pa­le­ment, comme une résis­tance. En effet, pour un courant continu, une bobine est surtout un très long conduc­teur. L’ef­fet d’in­duc­tion n’a lieu que dans le cas d’un courant variable (soit un courant alter­na­tif, soit un courant continu subis­sant des varia­tions).

Et puisque je souli­gnais la ressem­blance de cette auto-induc­tance avec un trans­for­ma­teur…

Les trans­for­ma­teurs

La struc­ture basique d’un trans­for­ma­teur est la suivant : deux bobines, face à face, entou­rées autour du même noyau.

On retrouve cette struc­ture dans son symbole sché­ma­tique : 

Deux bobines avec un noyau entre elles

Le fonc­tion­ne­ment théo­rique d’un trans­for­ma­teur est entiè­re­ment basé sur le rapport entre le nombre de tours (de spires) de la première bobine (nommé « le primaire ») par rapport à la seconde (« le secon­daire »).

Que ce passe-t-il dans un trans­for­ma­teur ? Si l’on met sous tension son primaire (tension alter­na­tive, bien sûr), celui-ci va géné­rer un champ magné­tique. Le noyau va conduire le flux du champ magné­tique jusqu’au secon­daire. Par induc­tion, celle-ci verra une tension appa­raître à ses bornes. Mais atten­tion, si le nombre de spires de cette deuxième bobine est infé­rieur à la première, la tension à ses bornes sera plus faible ; si la deuxième bobine à un nombre de spires supé­rieur, la tension au secon­daire sera plus élevée.

Un trans­for­ma­teur permet donc de trans­for­mer une tension primaire, en une tension secon­daire moindre ou supé­rieure (on parlera de trans­for­ma­teur abais­seur ou éléva­teur de tension). Théo­rique­ment, le facteur de trans­for­ma­tion sera égal au ratio entre primaire et secon­daire (par exemple, un transfo 5/1 divi­sera sa tension d’en­trée par 5).

NB : tout ça n’est que théo­rique, les trans­for­ma­teurs réels ne sont pas aussi effi­caces, à cause d’un grand nombre de pertur­ba­tions et de pertes, parmi lesquelles le phéno­mène d’auto-induc­tion dont nous parlions avant.

Un autre inté­rêt du trans­for­ma­teur découle du fait qu’il offre une isola­tion totale entre le primaire et le secon­daire. La tension à sa sortie est trans­mise par induc­tion, et non par conduc­tion (autre­ment dit, le primaire et le secon­daire ne se touche jamais). Ainsi, il existe des trans­for­ma­teurs 1/1, dont la tension secon­daire est simi­laire à la primaire, mais dont l’iso­la­tion galva­nique permet la protec­tion des personnes et équi­pe­ments en aval, ainsi que le filtrage de para­sites.

Nous concluons ici cet article préli­mi­naire, toute­fois, nous revien­drons dans le futur sur ces compo­sants, et sur d’autres utili­sant égale­ment des bobines. Le prochain article sera consa­cré à la notion d’im­pé­dan­ce…