Transformatörler

Özel amaçlı galvanik izolasyon trafosu

Özel amaçlı galvanik izolasyon trafosu

Transformatörler 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 Çeşitleri

Yukarıda 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 sekonder 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, S, 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:
  1. Çift sargılı transformatör.
  2. 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 Transformatör

Çift Sargılı Transformatörün Yapısı

Çift sargılı transformatörler, aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi, bir nüve (çekirdek) üzerine üst üste veya karşılıklı olarak oturtulan iki sargı vasıtasıyla gerilim değişimi sağlayan devre elemanıdır.

Monofaze transformatörde sargıların nüveye oturtuluş biçimleri

Transformatör nüveleri, aşağıdaki şekilde 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 aşağıdaki şekilde a’da görüldüğü gibi iki yönlü olarak, bobin makarasının içerisine teker teker yerleştirilir. Bu şekilde oluşan nüvenin kesit görüntüsü aşağıda b ‘de görüldüğü gibidir.

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.

Aşağıda değişik transformatörlerin görüntüleri verilmiştir.

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 Yapısı

Oto transformatörde aşağıda görüldüğü gibi bir nüve üzerinde tek sargı vardır. Giriş bu sargının uçlarından yapılır.

Çıkış iki şekilde olabilir:

1.  Belirli kullanım gerilimlerine ihtiyaç varsa, sargının belirli noktalarından çıkış uçları alınır.

2. 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 Prensibi
Çift 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 Bağıntısı

Primer 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.

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:
Primer taraf için;
Sekonder taraf için;
Primer gerilimi:
Primer sarım sayısı:
Primer akımı
Primer gücü:
VP
NP
IP
PP
Sekonder gerilimi:
Sekonder sarım sayısı:
Sekonder akımı:
Sekonder gücü:
VS
NS
IS
PS

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 (PS<PP).
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 ZSempedansına 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 bağıntıyı düşünmek gerekir. Problemin veriliş tarzından, verim ve dolayısıyla da 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 elde edilir.

IP = PP/VP = 40,8/220 = 0,185Amper =185 miliAmper olarak bulunur…

Oto Transformatör

Oto transformatörde aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi bir nüve üzerinde tek sargı vardır. Giriş bu sargının uçlarından yapılır.

Çıkış iki şekilde olabilir:
  1. Belirli kullanılma gerilimine ihtiyaç varsa, sargının belirli noktalarından çıkış uçları alınır.
  2. 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.

Oto Transformatörün Çalışma Prensibi

Oto transformatörde giriş ve çıkışa ait, güç gerilim ve empedanslar yukarıdaki şekilden de 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:
  1. Sargının tek sıra olması halinde (Varyakta) çok yer kaplar.
  2. 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.

Add A Comment