Ferrit Çekirdekli Trafo Tasarımı ve Uygulaması

Trafolar, bir elektrik akımının gerilimini, yani “voltaj” diye adlandırdığımız elektrik basıncını değiştiren cihazlardır. Trafolar, AC gerilimi yükseltir veya düşürürler. Hareketli herhangi bir parçası yoktur.

Trafonun temel çalışma ilkesini 1831’de Michael Faraday keşfetti. Faraday demir bir halkanın çevresine iki yalıtkan tel sardı. Sargılardan birinin uçlarını güçlü bir bataryaya, ötekinin uçlarını da elektrik akımının algılanmasında kullanılan galvanometreye bağladı. Faraday ne zaman bataryayı devreye alsa ya da devreden çıkarsa galvanometrenin göstergesinin hafifçe oynadığını, yani ikinci sargıdan anlık bir akım indüklediğini söyledi.

Ayrıca, ikinci sargıdaki akım ancak birinci sargıdaki akımın değişmesi durumunda indüklediğini ortaya koydu. Faraday’ın belirlediği bu olgu bütün trafoların dayandığı ana ilkedir. Elektromanyetik indükleme olarak adlandırılan bu olgu şöyle açıklanabilir: Batarya devreye alındığı zaman, birinci sargının çevresinde bir manyetik alan ikinci sargıyı da etkiler. Eğer değişim halindeki bu manyetik alanın yakında bir tel varsa, bu değişim telden bir elektrik akımının akmasına neden olur. İşte bu nedenle, birinci sargıda bir elektrik akımı oluşur.

Tıpkı bunun gibi, trafonun bir bobini bir alternatif akım kaynağına bağlandığı zaman, akımdaki hızlı yön değişimleri sürekli olarak değişen bir manyetik alan ve böylece, ikinci bobinin uçları arasında değişken bir gerilim oluşturur.

Michael Faraday’ın trafoların en temel elemanları olan iki bağımsız sargı ve bir kapalı demir nüveyi kapsayan elektromanyetik indüksiyonu icat etmesini sağlayan Michael Faraday cihazı 1831 yılında yapılmıştır. Bununla birlikte, trafoların ve günümüzde kullanılan trafo enerji dağıtım sistemlerinin görülmesine kadar 54 yıl geçti. Bu yarım yüzyıl boyunca, yüksek akım trafolarına benzer çeşitli indüksiyon cihazları yapıldı ama yapım ve işletme metotları bakımından farklıydılar. Bu farklılıklar temelinde, trafolar bağımsız bir buluş olarak kabul edilmelidir. Bununla beraber laboratuarların deneysel cihazları ile yüksek akım trafoları arasındaki çizgiyi çizmek için Faraday’ın deneyinden yüksek akım uygulamalarına gelişim sürecini düşünmeliyiz. Budapeşte’de bulunan Ganz fabrikasının üç genç mühendisi olan Karoly Zipernowsky, Miksa Deri ve Otto Blathy’nin ilk trafoyu yaptılar ve paralel dağıtım ile trafo sistemini kurdular.

Faraday’ın cihazı doğru akım(dc) ve bir başka sargısında gerilim indükleyen bir başka sargı tarafından üretilen manyetik alanla çalışmak için dizayn edilmişti. Faraday’ın sabit dc’nin böyle bir etkisinin olmadığını fakat akımın değişiminin, artmasının veya azalmasının gerçekte diğer sargıda gerilim ürettiğini anlaması birkaç yıllık deneye mal oldu. Doğal olarak cihaz, o zaman başka bir güç kaynağı olanağı
olmadığı için bir galvonik dc akü ile beslendi. Aralıklı dc ile kontrol edilen indüksiyon sargıları dc cihazlar olarak düşünülüyordu, çünkü ac bilinmiyordu ve alternatif polariteli gerilim pratik amaçlar için uygun olarak görülmüyordu.

Elektrokimya ve elektroliz ile kaplama elektriğin ilk endüstriyel uygulamaları oluncaya kadar bu anlaşılabilirdi. O zamanda sadece dc cihazlar vardı ve ilk manyeto elektrik jeneratörleri dc sağlıyorlardı. AC’nin kendi sargısında indüklendiği doğruydu fakat Amper’in fikrine göre mekanik komütatörler ile başlangıçtan dc’ye çevriliyorlardı. İndüksiyon sargıları galvonik bataryalardan daha fazla gerilim üretmek için kullanıldılar. 1832’de öz indüktans icat edildiğinde Josepk Kenry fark akımın kesilmesi ile hızlı akı değişiminden dolayı sargılarda çok yüksek ( birkaç yüz volt) gerilim endüklendiğini fark etti. 1836’da Callan bataryanın kesikli akımını ikincil sargısı ince sargılardan yapılan ve çok sayıda sarımdan oluşan bir indüktör hazırladı. Demir nüve yumuşak bir demir çubuktu. 1838’de Amerika’dan Page ve 1842’de Fransa’dan Masson birkaç kV’u daha küçük cihazlarla üretmeyi başardılar. Gerilim ikincil sargıların kutuplarının arasındaki birkaç milimetreden hava boşluğuna kıvılcım atabiliyordu. Bunlar ilk kıvılcım indüktörleridir.

Kıvılcım indüktörü bir yüksek gerilim darbe trafosudur. O zamanlarda kıvılcım indüktörlerini dc cihazlar olarak düşünüyorlardı. Birincil sargı kesikli dc ile besleniyordu. İkincil sargı ise hem pozitif hem negatif kutuplara sahipti. Trafolar, sürekli dc sağlayamaz çünkü demir nüvenin akısı sürekli artmalıdır. Doğal olarak bu imkansızdır. Kıvılcım indüktörünün ikincil sargısında ac üretilir ancak asimetrik bir dalga formuna sahiptir. Batarya çalıştırıldığında uzun zaman düşük genlikli yarım dalga indüklenir. Kapatıldığında kısa zaman yüksek pikli gerilim indüklenir.

Gerilimi başlatmak çok zor hissedilir. Bir kıvılcım boşluğu devrede var olduğunda, sadece kesme pik gerilimi akım üretebilir. Dolayısı ile dc ikincil devreye akar. Bu yolla pozitif ve negatif kutuplar yorumlanabilir. Kıvılcım indüktörünün bu garip davranışı X-ray teknolojisinin ilk on yılında yüksek gerilim doğrultucular daha icat edilmeden önce X-ray tüplerinin ac trafo tarafından değilde kıvılcım indüktörleri tarafından kumanda edildiği gerçeğini açıklar.

Kıvılcım indüktörlerinin gelişimi daha sonraki trafoların yapımının üretim teknolojisi alanında gelişmesine yardımcı oldu. İlk indüktörler ancak birkaç milimetre uzunlukta kıvılcımlar sağladı. 1853’de Daniel Ruhmkorff vibratörü ve yalıtımı geliştirerek kıvılcım uzunluğunu ilk olarak 200 mm’den daha sonra 450 mm’ye arttırdı. Gerçek rekabet kıvılcım uzunluğunu arttırmak için başladı. İngiltere’den Apps 1.070 mm
uzunluğunda kıvılcımı üretmeyi 1876’da başardı. En büyük indüktör İsviçre’den Klingelfuss tarafından yapıldı. 1900’de Paris’teki Dünya Fuarında tanıtılan indüktörü 1.500 mm uzunluğunda kıvılcımlar üretiyordu. Çağın değişmesiyle X-ray indüktörlerinin gücü birkaç kW’ları geçti. Önemli teknik başarılar vakumlanmış yüksek gerilim sargıları, yağ yalıtımı, Poggendorff tarafından teklif edilen ve plakalanmış demir nüve uygulamalarıdır. Bütün bunlar en mükemmel şekilde daha sonra yüksek gerilim trafolarının yapımında kullanıldı. Diğer taraftan, indüktörler hala çubuk şekli verilmiş açık demir nüve ile karakterize ediliyordu.

Günümüzde serbest kutup dizaynı olarak adlandırılmaktadır. İndüktörler anlamında bu tertip kanıtlanmıştır ancak ac trafoların gelişimini kesinlikle geciktirmiştir. 1850’lerde, dc ve ac arasında önemli bir fark olmayan elektrikte bir uygulama alanı ön plana çıktı. Bu elektriksel aydınlatmaydı. Alev-ark lambası bir yenilik değildi, ancak önceden garip olarak düşünülmüştü. Humphrey Davy 1802’de göz kamaştıran ark Royal Enstitüsünün geniş galvonik bataryasının kısa devresi ile sonlanan kabloların arasında üretilebileceğini fark etti. Hemen karbon çubuklar arasında elektriksel ark üretti, dolayısı ile lambayı işler vaziyette birkaç dakika tutmayı başardı. 1812’de halka yeni ışık kaynağını tanıttı, ancak galvanik bataryalar çok çabuk harap oldu, bu nedenle pratik uygulamalar düşünülmedi. 30 yıldan daha fazla bir süre sonra 1840’ların sonunda yüksek güçlü dayanıklı galvanik bataryalar üretilebildikten sonra elektrik aydınlatması tekrar ön plana geldi. Alev-ark lambasının ışığı özel anlarda yakılıyordu. Karbon çubuklar önceleri elle regüle edildi, daha sonra 1848’de Foucault bir otomatik elektromanyetik alev-ark lambası regülatörü yaptı.

Regülatörler çeşitli mucitlerce başarılı bir şekilde geliştirildi. Dolayısıyla bir lambanın saatlerce bir ayarlama yapmadan kumanda edilmesini sağlayan güvenilir cihazlar üretildi. Elektriksel aydınlatma deniz fenerleri, limanlar ve gece üretimi gibi yerler için kullanılır hale geldi. Bununla birlikte lambalar bataryalar tarafından değilde buhar makinesi ile sürülen manyeto elektrik jeneratörlerince beslendi. Başlangıçta, elektroliz ile kaplama atölyelerinde kanıtlanmış dc jeneratörler kullanıldı. Ama daha sonra daha ucuz olan ve daha güvenli işletilen komütatörsüz jeneratörlerin alev-ark lambası için daha uygun olduğu anlaşıldı. Bu ac’nin pratik uygulamasını başlattı. 1870’lerde kesinlikle ac’ye ihtiyaç duyan Jablochkoff’un alev-ark lambası ac’nin kullanımına bir destek verdi.

“Jablochkoff kandili” mekanik regülatörsüz basit ve ucuz bir alev-ark lambasıydı. Ark paralel karbon çubukların en sonunda yanıyordu ve çubuklar azaldıkça alta doğru artıyordu. İşletmenin durumu çubukların yanmasının benzerlik oranıydı ve bu ancak ac kaynak ile başarılabilirdi. 1882’de Fransadan Goulard ve İngiltereden Gibbs şu yolu takip etmişlerdir. Jablochkoff gibi seri bağlantı kullanmışlardır. Bu yüksek voltaj güç dağıtımını mümkün kılmıştır. Ve bu yolla uzun mesafeleri birbirine bağlamışlardır.

Bu demiryolu aydınlatması başarılmasını açıklamaktadır. 1884’ te Londra metrosunun 12 km de, İtalyanın Torino-lanzo demiryolları elektrikli aydınlatma ile donatıldı. Daha sonraki uygulamalarda daha uzak mesafelerde, 40 km uzaklıktaki 2,000 V 133 Hz frekanslı jeneratör ile gerçekleşti. Arc-lambaları ve Edisonun ampülleri aydınlatma için kullanıldı. Temel farklılıklara rağmen insanlar ikincil jeneratörün trafonun ilk versiyonu olduğunu düşünür.

Büyük farklılık, onun karakteristik Ruhmkorff iletken elementiyle korunmuş olmasıdır ki bu element açık demir çekirdek olarak adlandırılır.

Edison 1882’ de Newyork’ta inşa ettiği elektrik sistemi, geniş –saha güç tedariğinin sadece sürekli voltaj şebekesiyle ve tüketen malzeme, cihazlarının paralel bağlantısıyla, düzenlenmesiyle gerçekleşeceğini kanıtladı. Aynı zamanda o büyük alanların sadece yüksek voltaj ac ve trafo dağıtımları ile sağlanabildiğini kanıtladı.

Aynı zamanlarda , Macar Ganz fabrikasının üç genç mühendisi, Karoly zipernowsky, Otto Blathy ve Miksa deri enerji sistemlerinin akım yolu geçiş hattına ve kapalı çelik çekirdekli dağıtım trafolarına eriştiler. Bu Önemli adım 1885 te gerçekleşti. İlk tanıtım 1885 te başarılı bir şekilde Budapeşte endüstriyel sergisinde gerçekleşti. Zipernowsky’un icadı ve onun meslektaşları, trafonun ya da bağlantısının yalnız olmayacağını sistemin bir bütün olduğunu gösterdi. Yine de, trafoların sistem içinde
önemli bir rolü vardı.

İlk dönüştürücüler, şimdi müzelerin kıymetli parçalarıdır. 1885’te yapılan eski dönüştürücüler, Budapest’te, Munchen’de Deutsches müzesinde bulunabilir. Endüktans ve trafo gibi manyetik bileşenler, çoğu güç elektroniği çeviricilerinin ayrılmaz parçalarıdır. Bununla birlikte, bu devrelerin tüm özelliklerini kapsayacak kadar geniş bir aralıkta ticari olarak mevcut da değildirler.

Trafolarda Kullanılan Manyetik Çekirdek Malzemeleri
Histerisiz Kaybı
Kesimde Çalışan SMPS Devresi
Sıcaklık Özellikleri
Çekirdek Kayıpları
Sarım Özellikleri
Çekirdek Şekilleri ve Uygun Çekirdek Boyutları
EMI Süzgeçleri
Eş Fazlı Süzgeçler
Endüktör Malzemesi Seçme
Çekirdek Şekli
Trafo Tasarım Yönemi
Trafo Tasarım Temelleri
Bakır Sargılar
Bakır dolgu faktörü
Sargıların doğru akım direncinden ötürü oluşan ısı kaybı
Bakır sargılarda deri etkisi
Isınmanın gözönüne alınması
Trafonun Elektriksel Karakteristikleri
Giriş ve çıkış iletken alanları
Pw sargı kayıpları
Akı yoğunluğu ve çekirdek kayıpları
Kaçak endüktans
Trafolardaki Isı
Aşırı Akımın Sıcak Nokta Üzerinde Etkisi
Tek Geçişli Trafo Tasarım Yöntemi
Tasarım girişlerini biraraya getirme
Volt Amper değeri S’nin heasaplanması
Çekirdek malzemesinin, şeklinin ve boyutunun seçimi
Çekirdek akı yoğunluğu ve giriş ve çıkış sarımlarının sayısının belirlenmesi
Kaçak Endüktansın Yaklaşık Olarak Bulunması
Seçilmiş Çekirdeğin Maksimum V*I anma Değeri Smax’ın Bulunması
Smax’ın Ayarlanması
Elektro Mıknatıslanma
Ferrit Çekirdekli Trafoların Uygulandığı Beli Başlı Devre Tipleri
Uygulama Devresinde Kullanılan Bazı Elemanlar

Ürün dağıtma bölgeleri için ferrite çekirdek seçimi
Tipik güç işleme kapasiteleri tarafından listelenmiş ferrit çekirdek seçimi
Trafo tasarımı için yaklaşık uygun değer bir çekirdeğin
geometrik özellikleri
Trafo tasarımı için gerekli olan çekirdek özelliklerinin veritabanı
Birkaç farklı frekans için 100ºC’de bakırdaki deri kalınlığı
Uygulama devresi karşılaştırma tablosu
Ferit çekirdekli sargılar
Sisteme alternatif gerilim uygulandığında histerisiz eğrisi
Manyetik akı yoğunluğu dalga şekilleri
3F3 demir çekirdek için manyetik akı yoğunluğuna karşı demir kayıpları
Şekil 25Değişik Ferrit malzemeler için ampirik performans faktörü
Tipik kesimde çalışan regülatör devresi
Kesimde çalışan devrelerde manyetik çekirdekler için histerisiz eğrisi
Tipik güç işleme kapasitelerinde ferrit çekirdek seçimi listesi
çekirdek ve Karkas şekilleri
Ferrit bilezik ,EMI süzgeci
Empedans-frekans grafiği
Toplam empedans-frekans grafiği
J, W, K malzemeleri için empedans-frekans grafiği
Bir bobin ve çift E çekirdekten oluşan endüktansın kesit görünümü
Yalıtılmış bakır iletken taşıyıcıda akım, girdap akım kayıpları ve
deri olayı etkisinin sonuçları
Giriş ve çıkış arasındaki pencerede bulunan sargıların bölünüşünü
gösteren bir transformatör çekirdeği üzerindeki sargı penceresi
Çift E çekirdek bobinin tepeden görünüşü
Bir trafonun tek geçişli tasarım yönteminin akış diyagramı
Ferrit çekirdekli uygulama devresi
Uygulama devresi çıkışları
Simülasyon devresi ,Simülasyon devresi 6 nolu çıkış
Simülasyon devresi 6 nolu çıkışın büyütülmüş hali
Simülasyon devresinin yukarıdan aşağıya sırasıyla 4-3-2 nolu çıkışları

Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur
Simgeler Açıklama

aa Alternatif akım(Alternative current)
Aw Kazanç bölgesi(Wire area)
Awp Primer sargı bölgesi(Primary wire area)
Acu Bakır iletkenin kesit alanı
Aws Sekonder sargı bölgesi(Secondary wire area)
ACu,pri Primer iletken yarı kesit alanı
Apri Primer iletken alanı
Asek Sekonder iletken alanı
Aw Toplam sargı alanı
Apri,,w Primer sargı alanı
Asek,w Sekonder sargı alanı
ACu,pri Primer iletken için gerekli alan
ACu,sek Sekonder iletken için gerekli alan
Bçekirdek Çekirdekteki akı yoğunluğunun tepe değeri
Br Kalıcı mıknatıslık(Retentivity)
B Akı yoğunluğu(Flux)
Bmax Max akış yoğunluğu(Maximum flux density)
bi Sargılar arası yalıtkan kalınlığı
bCu Sargı penceresindeki bakırın toplam genişliği
C Akım kapasitesi
CMF Eş fazlı süzgeçler(Common mode filter)
D Yuvarlak iletkenin çapı
Dcma Akım yoğunluğu
d Bir sac levhanın kalınlığı
da Doğru akım(Line
e Transformatör bölgesi
E Voltaj(Voltage)
F Frekans(Frequency)
Flyback Kesimde çalışan devre
FR Direnç faktörü
Fl Bakır tabaka faktörü
Hc Zorlayan kuvvet(Coercive power)
Hkaçak Penceredeki manyetik alan
hw Sargı penceresinin yükseliği
hw,bw Bobin boyutları
ha,ba Çekirdek boyutları
I Akım(Current)
Ipri Giriş akımı(Primary current)
Irms Sargıdaki etkin rms akımı
Jrms İletkendeki akım yoğunluğu(Current density)
K Kazanç faktörü
Kt Sabit topoloji
kcu Bakır dolgu faktörü
Lkaçak Kaçak endüktans
lw Sarım uzunluğu
Mpri Giriş sargısı toplam tabaka sayısı
Mmf Manyetomotor kuvvet(Magnetomotive force)
Msek Sekonderdeki toplam tabaka sayısı
N Sargı penceresindeki toplam sarım sayısı
Npri Primer sarım sayısı(Primary turns)
n Çevirme oranı
0C Coercire force
Q Kaçak akı faktörü
Pm,sp Birim hacim başına genel kayıp
P Bir sac levhada meydana gelen kayıp
Pec Girdap akımları güç kaybı
PF Davranış çarpanı(Performance factor)
Pw Bir sargıdaki toplam güç kaybı
p Sargı bölümleri arasındaki ara yüz sayısı
Pi Giriş gücü
P0 Çıkış gücü
EP, PQ, E, EC, ER,ETD,EER Düzlemsel Ferrit geometrileri
P, R, F J, W, H Yüksek güç Ferrit malzemeleri
Psp Çekirdek sargılar içinde kayıp
Pçekirdek Çekirdekteki güç kaybı
R Direnç
Re Etkin girdap akımı direnci
Rda Sargının da direnci
Raa Sargının etkin direnci
Rda Sargının doğru akım direnci(dc resistance)
R?sa Yüzeyden çevreye ısıl direnç
R,rad Işınıma bağlı yüzeyden çevreye ısıl direnç
R0 Kalıcı mıknatısın relüktansı
Rg Hava aralığının relüktansı
S Voltaj amper anma değeri
Skin Effect Deri olayı
SMPS Anahtarlamalı güç kaynağı(Switchied mode power supply)
Ts Transformatörün gövde sıcaklığı
Ta Maksimum çevre sıcaklığı
VCu Bakırın toplam hacmi
Vc Çekirdek hacmi
Vpri Anma etkin primer gerilimi
Vw Sargı hacmi
Vg Hava aralığının hacmi
Wa Pencere bölgesi
WaAc Çekirdek seçimi için
Ø Akı
Øg Hava aralığındaki akı
Øm Toplam akı

Hazırlayan : N. Esra ÇAPANOĞLU SAVAŞ Emeği Geçen kişilere Teşekkürler

Ayrıca Benzer bir Yazı Ferit Nüveler Hakkında