TransformatörlerTransformatörler gerek elektrik alanında olsun, gerekse de elektronik alanında olsun çok kullanılan elemanlardır.
Burada elektronik alanında kullanılan transformatörlerin, yapıları çalışma prensibi ve hesaplama yönteminden özet olarak bahsedeceğiz..
Transformatörlerin elektronik alanındaki başlıca kullanım yerleri şöyle sıralanabilir: Kuplaj için
Yükselteçlerde hoparlör çıkışı için
Empedans uygunluğunun sağlanması için
Güç kaynaklarında değişik gerilimler elde etmek için
Transformatörlerin Yapısı ve ÇeşitleriYukarıda sıralanan elektronik devrelerde transformatör yalnızca monofaze olarak kullanılır. Monofaze transformatörde, daha sonra açıklanacağı gibi, ortada, saclar ile oluşturulan bir nüve (çekirdek) ve bunun üzerinde primer ve seconder sargıları vardır.
Ayrıca, elektrik devrelerinde kullanılan trifaze ve çok fazlı transformatörlerde vardır.
Monofaze transformatör nedir?Monofaze transformatör tek fazda çalışan transformatördür.
Örneğin, Monofaze transformatörden 220V 'u istenilen gerilime çevirmek için yararlanılır.
"Mono" nun kelime anlamı da "Tek" demektir
Normal olarak şehir elektrik şebekesi üç fazlıdır. Fazlar, R, Ş, T olarak adlandırılır. Bu üç fazın her biri ile toprak arası 220V 'tur.
Küçük işyerleri ve evlerde genelde tek faz kullanılır. Elektronikte de tek faz kullanılır.
Monofaze transformatörler iki gruba ayrılır:
Çift sargılı transformatör.
Tek sargılı (oto) transformatör.
Çift sargılı transformatörler, oto transformatörlere göre çok daha fazla kullanılır. Bu nedenle monofaze transformatör denince genelde, çift sargılı transformatör anlaşılır.
Çift Sargılı TransformatörÇift Sargılı Transformatörün Yapısı
Çift sargılı transformatörler, Şekil 5.2 'de görüldüğü gibi, bir nüve (çekirdek) üzerine üst üste veya karşılıklı olarak oturtulan iki sargı vasıtasıyla gerilim değişimi sağlayan devre elemanıdır.
Şekil 5.2 - Monofaze transformatörde sargıların nüveye oturtuluş biçimleri
Transformatör nüveleri, Şekil 5.3 'de görüldüğü gibi, 04 - 0,5 mm kalınlığındaki saclardan oluşur. Sacın malzemesi, histerezis kaybı az olan, kalıcı mıknatıs özelliği taşımayan ve kırılganlığı olmayan özel çeliktir.
Sargılar ise, karkas adı verilen makaralara sarılır.
Sacın E ve I şeklinde kesilmiş parçaları Şekil 5.3(a) 'da görüldüğü gibi iki yönlü olarak, bobin makarasının içerisine teker teker yerleştirilir. Bu şekilde oluşan nüvenin kesit görüntüsü Şekil 5.3 (b) 'de görüldüğü gibidir.
Şekil 5.3 - Transformatör nüve saçlarının görüntüleri
a) Saç elemanların nüveyi oluşturma biçimi
b) Nüvenin kesit görüntüsü
Nüvenin bu şekildeki saclardan oluşturulmasının nedeni, AC gerilimindeki değişim etkisiyle gelişen ve Fuko akımı adı verilen akımın yaratacağı ısınmayı önlemektir.
Şekil 5.4 'te değişik transformatörlerin görüntüleri verilmiştir
Şekil 5.4 - Değişik transformatörlerin dış görüntüleri
a) doğrultucu transformatörü
b) oto transformatör
c ) çıkış transformatör
d) şiltli (metal kapaklı) transformatör
e) ses frekansı kuplaj transformatörleri
f) şiltlerinden çıkartılmış hava nüveli transformatörler
g ) ara frekans (IF) transformatörü
Oto Transformatörün YapısıOto transformatörde Şekil 5.5 'te görüldüğü gibi bir nüve üzerinde tek sargı vardır. Giriş bu sargının uçlarından yapılır.
Şekil 5.5 - Oto transformatör
Çıkış iki şekilde olabilir:
Belirli kullanım gerilimlerine ihtiyaç varsa, Şekil 3.46 'da görüldüğü gibi, sargının belirli noktalarından çıkış uçları alınır.
Değişik gerilimlere ihtiyaç olursa, transformatör üzerinde bir hat boyunca iletkenlerin izolasyonu kazınır ve bu hat üzerinde gezdirilebilen bir uç sargılara temas ettirilir.
Bu tür oto transformatörlere Varyak (Variac) adı verilmiştir
Çalışma PrensibiÇift Sargılı Transformatörün Çalışma Prensibi
Şekil 5.6 'da görüldüğü ve yukarıda da açıklandığı gibi monofaze bir transformatörde genellikle iki giriş ucu ve iki de çıkış ucu mevcuttur. Bu uçlar giriş ve çıkış sargılarından alınmaktadır. İhtiyaca göre çıkış sargısı yine şekilde görüldüğü gibi birden fazlada olabilir.
Bu sargılar teknik dilde aşağıdaki gibi adlandırılır: Giriş sargısı: (Primer sargı)
Çıkış sargısı: (Sekonder sargı)
Primer sargıya bir AC gerilim uygulandığında, sekonder sargı uçlarından da yine AC gerilimi alınır.
Gerilim İle Sarım Sayısı BağıntısıPrimer ve sekonder sargılardaki gerilim değerleri, sargıların sarım sayılarıyla orantılıdır.
Günlük hayatta, AC devrelerde ölçüm için kullanılan normal ölçü aletleri efektif değerleri ölçtüğü için, hesaplamalarda da genel olarak efektif değerler kullanılır.
Şekil 5.6 - Monofaze bir transformatörün prensip şeması
Transformatördeki efektif değerler gösterilirken, özellikle gerilimler için değişik semboller kullanılmıştır.
1. Bazı yayınlarda;
Transformatöre uygulanan gerilim: U1 veya UP
Transformatörün primer sargısında endüklenen gerilim: E1
Transformatör sekonderin den alınan gerilim: U2 vaye US
Transformatörün sekonderin de endüklenen gerilim: E2
Transformatör kayıpsız kabul edilirse; U1=E1 ; U2=E2 'dir.
Kayıplar dikkate alınırsa; U1=E1+kayıp gerilimi,
U2=E2+kayıp gerilimi 'dir.
2. Diğer bazı yayınlarda da;
Bütün gerilimler V ile gösterilmekte ve nereye ait gerilim ise onu belirten indis kullanılmaktadır. Örneğin, Transformatör primer gerilimi VP, sekonder gerilimi VS, yük direncindeki gerilim düşümü VL ile gösterilmektedir.
Burada kullanılan semboller:
Bir transformatörde gerilim değerleri ile sarım sayıları arasında şu bağıntı vardır:
VP/VS = NP/NS
NP/NS = n değerine Transformasyon (Dönüştürme) Oranı denir.
Primer Sekonder Güç Bağıntısı
Teorik olarak bir transformatörün girişine hangi güç verilirse, çıkışından da aynı güç alınır.
Giriş gücü PP ve çıkış gücü ise PS ise => PP = PS 'dir...
Ancak, transformatörün saclarındaki fuko akımından, histerisiz olayından ve sargıların endüktif reaktansından (XL) dolayı , giriş enerjisinin bir bölümü ısı enerjisine dönüşerek kaybolur.
Kayıp nedenleri:
Fuko akımları: Sacların içerisinde oluşan ve dairesel olarak dolaşan akımdır.
Histeresiz olayı: Sacların mıknatıslanması olayıdır.
Endüktif reaktans (XL): Sargı tellerinin Ac direncidir.
Aslında, Ps çıkış gücü, PP giriş gücüne göre biraz küçüktür (PSP).
Ancak, küçük güçlü transformatörlerde kayıplar ihmal edilebileceğinden PP=PS olarak kabul edilir.
Güç - Gerilim ve Akım Bağıntısı
Transformatörlere uygulanan gerilim; VP=VPm Sin ωt şeklinde sinüzoidal olarak değişen bir gerilimdir. Bu gerilim, primer sargıdan akıtacağı akım ile, sekonder sargıda oluşturacağı gerilim ve akımda yine sinüzoidal olarak değişir.
Ancak, hesaplamalar efektif değerler üzerinden yapıldığından, güç bağıntıları şöyle yazılır:
PP = IP . VP ve PS = IS . VS
Bu bağıntıda, birimler şöyledir: V: Volt, I: Amper, P: Watt
PP=PS kabul edildiğinden, IP.VP=IS,VS yazılabilir.
Buradan da şu sonuç çıkar: VP/VS = IS/IP
Sargı Empedansları İle Gerilim ve Akım Bağıntıları
ZP: Primer sargı empedansı, ZS: Sekonder sargı empedansı olmak üzere gerilim şöyle ifade edilir:
VP = IP . ZP ve VS = IS . ZS
Bu değerler yukarıda yerine konulursa aşağıdaki eşitlikler elde edilir:
IP.ZP / IS.ZS = IS/IP Buradan, I2S / I2P = ZP / ZS veya IS/ IP = √ZP / √ZS olur.
Bu eşitlikler gerilim cinsinden yazılırsa aşağıdaki gibi olur..
VP/VS = IS/IP idi. IS/IP = √ZP / √ZS bulundu. Buradan VP/VS = √ZP / √ZS olur.
Özet olarak yazılırsa transformatör bağıntıları şöyle olacaktır:
PP =PS VP/VS = NP/NS = IS/IP = √ZP / √ZS
NOT:
Burada şu iki hususa dikkat etmek gerekir.
Yukarıdaki bağıntıda NP/NS sabit bir değerdir. Diğer oranların da sabit olması gerekir. IS 'nin büyüklüğü transformatörün yük direncine bağlıdır. Yük direnci çok küçük olursa Is tolerans değerinin üzerinde büyür. Bu durumda yukarıdaki oranı sağlamak üzere IP 'de büyür. Transformatör anormal olarak ısınıp yanabilir. Kullanma sırasında bu duruma dikkat etmek gerekir.
Transformatörün, sekonder uçları açık iken de uzun müddet çalıştırılması doğru değildir. Enerji sarfiyatı olmadığından yine ısınır. En ideal çalışma şekli; yük direncinin ZS empedansına eşit olmasıdır.
Verim:
Yukarıda da belirtildiği gibi her transformatörde az veya çok, fuko, histerisiz ve sargı kayıpları vardır.
Önceden belirtildiği gibi, küçük güçlü transformatörlerde bu kayıplar pek dikkate alınmaz ve PP = PS olarak kabul edilir.
Ancak, bu tür kayıpların bilinmesi ve hassas hesaplamalarda dikkate alınması gerekir. Bu durumda transformatörün verimi söz konusu olacaktır.
Verim: çıkış gücünün - giriş gücüne oranıdır.
Formülü: η = PS/PP veya %η = (PS/PP)*100 dür.
Genelde verim: η = %75 - %98 arasında değişir.
Örnek:
Soru: Bir transformatörde giriş gerilimi VP:220V, çıkış gerilimi VS:20V, olsun (Bu değerler efektif değerlerdir). Transformatörün verimi %98 ve çıkış akımı IS:2A olduğuna göre, primer akımı nedir?
Çözüm:
Giriş akımı sorulduğuna göre önce giriş akımını verecek bağıntıyıdüşünmek gerekir. Problemin veriliş tarzından, verim ve dolayısıylada da güç bağıntısı yoluyla çözüme gidileceği anlaşılmaktadır.
Primer gücü: PP=VP*IP 'dir. Buradan; IP=PP/VP olur.
Bu bağıntıda VP bilinmektedir, PP 'de bulunursa IP'yi de bulmak mümkün olur.
%η=PS/PP*100 idi.
Bilinenler yerine konulursa: 98=(VS.IS/PP)*100
98=(20*2/PP)*100 olur.
Yukarıdaki bağıntıdan; PP=20*2*100/98 = 40,8 Watt olarak bulunur.
Bu değerler yukarıdaki IP bağıntısında yerine konulursa aşağıdaki değerler alde edilir.
IP = PP/VP = 40,8/220 = 0,185Amper =185 miliAmper olarak bulunur...
Oto TransformatörOto transformatörde Şekil 5.5 'te görüldüğü gibi bir nüve üzerinde tek sargı vardır. Giriş bu sargının uçlarından yapılır.
Çıkış iki şekilde olabilir:
Belirli kullanılma gerilimine ihtiyaç varsa, Şekil 3.46 'da görüldüğü gibi, sargının belirli noktalarından çıkış uçları alınır.
Değişik gerilimlere ihtiyaç olursa, transformatör üzerinde bir hat boyunca iletkenlerin izolasyonu kazınır ve bu hat üzerinde gezdirilebilen bir uç sargılara temas ettirilir.
Bu tür oto transformatörlere Varyak (Variac) adı verilmiştir.
Şekil 5.5 - Oto transformatör
Oto Transformatörün Çalışma Prensibi Oto transformatörde giriş ve çıkışa ait, güç gerilim ve empedaslar Şekil 5.5 'ten anlaşıldığı gibi sarım (tur) sayısına göre belirlenir.
Yalnızca akım, yüksüz halde giriş ve çıkış için aynıdır.Ancak, RL gibi bir yük direnci bağlandığında akım, sargı empedansı ile R oranına göre paylaşılır.
Girişe ait, güç, gerilim, empedans ve akım değerleri ile sarım sayısı; P1 V1, Z1, I1, N1 olsun.
Aralarında şu bağıntı vardır: P1=V1*I1, V1=I1*Z1
Bu sarıma düşen güç ve gerilim: Psa = P1/N1 Vsa = V1/N1
Çıkışa ait güç, gerilim, empedans ve boştaki akım: P2, V2, I2 olsun çıkış ucunun alındığı kısım sarım sayısında N2 olsun.
Şu bağıntı vardır:
P2 = Psa*N2 = (P1/N2)*N2, V2 = Vsa*N2 = (V1/N1)*N2,
Z2 = Zsa*N2 = (Z1/N1)*N2 Boşta: I2=I1
Çıkışta RL gibi bir yük direnci bağlı iken yük akımı: IL = V2/RL dir.
Transformatör sargısından akan akım: I2 = V2/Z2 olur.
Girişten çekilen akım: I1 = I2+IL 'dir..
Oto transformatörün avantajları:Tek sargı kullanıldığı için küçük güçlerde daha az yer tutar.
Çıkış geriliminin istenildiği gibi ayarlanması olanağı vardır.
Daha az ısınır.
Oto transformatörün şu iki dezavantajı vardır:
Sargının tek sıra olması halinde (Varyakta) çok yer kaplar.
Normal bir transformatörde primer ve sekonder sargılar arasına yalıtkan bir bant konarak çıkışa kaçak yapma ihtimali önlendiğinden, çıkış bakımından daha güvenli hale getirilmektedir.
Oto transformatörde çıkış uçları, arasında kalan bir sarım koptuğunda giriş uçları arasındaki büyük gerilim çıkışa yansıyacak ve giriş akımının tamamı da çıkıştan devreyi tamamlayacaktır.
Böyle bir durumda:
Çıkış uçları arasındaki büyük gerilim hayati tehlike yaratabilir.
Çıkış devresi de hassas elektronik elemanlar bulunabileceğinden, büyük gerilim ve büyük akım, devre elemanlarına zarar verecektir.
Transformatör Hesabı Her elektronikçi ve elektrikçi kendisi transformatör üretmese de, bir transformatörün boyutlarına ve tel kalınlığına baktığı zaman gücü hakkında bir tahminde bulunabilmelidir.
Bu bakımdan burada, transformatör hesabıyla ilgili bazı pratik bilgiler verilecektir. Bu bilgiler özellikle, en çok kullanılan ÇİFT SARGILI doğrultucu transformatörü için yararlı olacaktır.
Bir transformatörü üretmek veya gücü hakkında tahminde bulunabilmek için şunların bilinmesi gerekir:
Nüve (çekirdek) kesiti
Sarım (Spin) sayısı
Tel ve Sargı kesiti
Nüvenin boyutları
Transformatörü üretirken de; yukarıdaki karakteristik değerlerin hesaplanabilmesi için şu ön bilgilere ihtiyaç vardır:
Transformatörün gücü.
Giriş ve çıkış gerilimleri.
Bu ön bilgiler de kullanılma yerine göre saptanır. Burada örnek olarak, bir doğrultucu transformatörünün pratik yoldan hesaplanması yöntemi anlatılacaktır.
Doğrultucu Transformatör Hesabı
Doğrultucu transformatörü en çok karşılaşılan ve ilgi çeken transformatör türüdür.
Transformatörün hesabında, şu sıralama takip edilecektir:
Nüve kesiti hesabı
Sarım sayısı hesabı
Tel ve sargı kesiti hesabı
Nüve boyutlarının ve dolayısıyla bobinlerin nüveye yerleştrilmesi için pencere büyüklüğünün belirlenmesi
Nüve Kesiti Hesabı
Nüve kesiti ile güç arasındaki bağıntı:
Şekil 5.3 (b) 'de kesit görüntüsü verilmiş olan nüvenin orta (göbek) kesit alanı S olsun.
Bu alanın kenarları (a) cm (b) cm ise S alanı aşağıdaki gibidir:
S = a * b cm2
Transformatörün primer gücü Pp Watt olarak gösterilirse, S ve Pp arasında şu bağıntı vardır:
S (cm2) = k √PP (Watt) k; sacın kalite katsayısıdır.
Sacın kalitesine göre; k = 0.8 - 1.1 arasında değişir. Kalite arttıkça "k" küçülür.
Örneğin;
B magnetik akı yoğunluğu 20000 Gauss olan sac için k=0.8 'dir. B=7000 Gauss olan sac için ise k=1.1 'dir.
Eğer sacın kalitesi bilinmiyorsa güvenli olması açısından "k=1.1" alınır.
Hesaplama da primer güç esas alınır. Zira, kayıplar nedeniyle sekonder güç daha küçük olduğundan, nüve kesiti daha küçük olacaktır. Bu da daha riskli bir durumdur.
Eğer transformatör sacı kaliteli yapıda ise hesaplama sonucunda √PP kesirli bir sayı çıkarsa, yine de toleranslı olması bakımından, S bir üs sayı değeri olarak alınır.
Örneğin;
S = √78 olsun √78 ==> 8 ile 9 arası bir sayıdır.
Böyle bir durumda S=9cm2 olarak alınır.
Nüve Boyutlarının Belirlenmesi
Yukarıda sıralanan hesaplamalardan sonra sıra primer ve sekonder sargıların nüveye yerleştrilmesine gelmektedir.
Bunun için önce şu iki nüve tipinden birine karar vermek gerekiyor:
Sargılar üst üste nüve göbeğinemi yerleştrilecek
Yoksa ayrı ayrı nüvenin iki bacağına mı yerleştrilecek.
Genelde yerden kazanmak için üst üste orta göbeğe yerleştirilir.
Böyle düşünülürse şu yollar izlenir:
Önce pencere büyüklüğü belirlenir.
Pencere, bobinlerin yerleştireleceği nüve aralığıdır.
Tablo 5.2 ve Şekil 5.7 'de pencere boyutları K ve F harfleri ile gösterilmiştir. K*F kesit alanı, yukarıdaki yöntem ile hesaplanan, primer ve sekonder sargıların kesit alanı toplamından biraz büyük olmalıdır.
Bunun nedeni sargıların makaraya sarılmasıdır. Makara payınıda düşünmek gerekir.
Uygun pencere boyutları belirlendikten sonra, Tablo 5.2 'den nüvenin diyer boyutları belirlenir.
Bu safhadan sonra sıra sacların dizilmesine gelmektedir: Saclar Şekil 5.3(a) 'da görüldüğü, E ve I biçimi olmak üzere iki kısımdır. Önce, E saclar iki yönlü olarak sıra ile makaraya oturtulur. Sonra da I saclar ara boşluklara yerleştirilir. Preslenip verniklenerek fırınlanır.
Şekil 5.7 - Güç transformatörü için kullanılacak olan iki tür nüveye ait standart boyutlandırma
Tablo 5.2. Standart çekirdek boyutları
Sarım Sayısı Hesabı
Sarım sayısı iki yoldan bulunabilmektedir.
1. Pratik Bağıntıdan Gidilerek Sarım Sayısı Hesabı
Sarım sayısı hesaplanırken, öncelikle Volt başına sarım sayısı bulunur. Zira bunun hesabı pratik yolla daha kolay yapılabilmektedir.
Volt başına sarım sayısına n diyelim.
n değeri pratik yoldan, S nüve kesitine bağlı olarak şöyle hesaplanır:
Çok iyi kalıte sac kullanılıyorsa: n=45/S , Orta kalite sacta: n=55/S , Kalitesi iyi olmayan bir sac kullanılıyorsa: n=60/S
S 'nin birimi cm2 'dir.
Sarım sayısının bulunması:
Sarım sayısı genelde N ile gösterilir. Sargı gerilimi de E olsun.
N=n*E olacaktır.
Buna göre primer sargı gerilimi EP Volt ve sekonder sargı gerilimi ES Volt olursa aşağıdaki sonuçlar yazılır.
Primer sarım sayısı: NP = n*EP
Sekonder sarım sayısı: NS = n*ES
Kayıpsız transformatörde: EP=VP (Giriş gerilimi), ES=VS (Çıkış gerilimi)
2. Daha Hassas Yoldan Sarım Sayısı Hesabı
Kullanılan sacın, B magnetik akı yoğunluğu biliniyorsa, sarım sayıları hassas olarak şu formüllerden yararlanılarak hesaplanır.
Primer sarım sayısı: NP = VP*108 / 4,44*f*B*S
Sekonder sarım sayısı: NS = VS*108 / 4,44*f*B*S
Bu bağıntıda birimler şöyledir:
VP ve VS: Volt B: Gauss f:Hz S:cm2
Eğer B, Webber / m2 (Wb/m2) ve S 'de m2 olarak yazılırsa yukarıdaki bağıntılarda 108 yazılmasına gerek kalmaz.
Sarım sayısını hesaplarken hassas davranmak gerekir. Zira, sargılardaki gerilim düşümü çalışma gerilimini etkilemektedir. Bu nedenle sargılardaki gerilim düşümünün giriş ve çıkış gerilimlerinin ±%5 'ini geçmemesine özen gösterilmelidir. Azami sınır ±%10 'dur.
Tel ve Sargı Kesitinin Hesabı
1. Tel Kesitinin Hesabı
Tel kesiti şu iki değer belirler:
Akım yoğunluğu (J)
Devre akımı (I)
Akım yoğunluğunun şu değerler arasında olması gerekmektedir:
Kendi kendine soğuyan transformatörde: J=1,8-2,6 Amper/mm2
Devre akımı ise şu bağıntı ile bellidir: I=P/V
P: Transformatör gücüdür. (Watt olarak alınır)
V: Primer veya sekonder gerilimidir. (Volt olarak alınır)
V yerine VP primer gerilimi yazılırsa, IP primer akımı bulunur. VS sekonder gerilimi ile de IS sekonder akımı bulunur.
Akım belli olduktan sonra, "d" Tel çapı yaklaşık olarak şu bağıntılar ile bulunur:
J = 2,5 A/mm2 için : d = 0,7√I+0,1
J = 3 A/mm2 için : d = 0,6√I+0,1
J = 4 A/mm2 için : d = 0,45√I+0,1
Burada " I " amper olarak yazılır ve " d " mm olarak bulunur.
" d " çap ifadesindeki "0,1" ilaveleri emaye kalınlığıdır.
Tel çapı bulunduktan sonra sıra telin kesit alanının hesabına gelir:
Telin kesit alanı: Atel = p(d2 / 4) = 3,1416(d2 / 4) = 0,785 d2 'dir.
Buradaki "d" çapına emaye kalınlığı dahildir.
2. Sargı Kesit Alanının Hesabı
Sargıların sarım sayıları hesaplanmış olduğuna göre belirli bir tel kalınlığı da seçilince, toplam sarımın alanı şöyle bulunur:
Sargının kesit alanı: Asargı = 1 telin kesit alanı * sarım sayısı
Tel çapından doğrudan sargı kesit alanına geçilmesi istenirse Tablo 5.1 'den yararlanılabilir.
Tablo 5.1. Tel çapına göre, 1cm2 alana sığacak sarım sayısı
