Ferrit Nüveler Hakkında Bilgiler Hesaplamalar

Ferrit Nüveler: Bazı elementlerin mıktatıs özellikleri çok eskiden beri bilinmesine rağmen bobinlerle ilgili ilk deneyleri Faraday yapmıştır:

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.

Çekirdekler için kullanılan malzeme sınıfı ferritlerdir. Ferrit malzemeler başlıca demir ve diğer manyetik elemanların oksit karışımlarıdır.Ferritlerin sadece histerisiz kaybı vardır. Yüksek elektrik direncinden ötürü belirgin bir girdap akım kaybı yoktur. Ferrit, güç kaynağı dönüştürücüler için yüksek frekanslarda (20kHz- 3MHz) mükemmel bir malzemedir. Ferritlerin düşük girdap akım kaybından ötürü yüksek frekanslarda çalışan çekirdekler için tercih edilen malzemelerdir.

Ferrit, düşük güçler için doyum modunda (Saturasyon Modunda) kullanılabilir. Güçlü çekirdekler daha yumuşak geçişler, yüksek Bmax, daha iyi ısı kararlılığı sunar ve bazı kesimde çalışan devre uygulamalarında en iyi tercih olabilirler.

Düşük çekirdek kayıpları ve fiyatları yüzünden frekans sıklığı 20kHz-3MHz arasında olan dönüştürücülerde kullanılan trafolar için en ideal çekirdek malzemesi ferritdir. Ferritler oldukça büyük elektrik direncine sahiptir ama buna ilaveten düşük doyma akı yoğunlukları vardır. Ferrit malzemelerin pekçoğu SMPS uygulamalarında kullanılır.

Ferrit nüve yüksek değerli bobinin üretilmesini sağlar. Bu nüvelerin bir başka yararı ise, az bir iletkenle istenilen değerde bobin yapılabilmesini sağlamasıdır. Ferrit nüve, bobinin değerini havalıya göre 4 katına kadar arttırabilir.

Lenz kanununa göre bir iletkende indüklenen elektromotor kuvvet (EMK) saniyede kesilen kuvvet çizgisi sayısı ile orantılıdır. Kesme hızı ne kadar fazla ise indüklenen EMK’da o kadar büyük olur.

Transformatörün primerine alternatif bir gerilim uygulandığında bu akım şekil 1’de
görüldüğü gibi değişen bir manyetik alan oluşturur.

Şekil 1: Manyetik akının değişim eğrisi

Değişken manyetik alanın 1 Hz’lik (bir periyotluk) süre içindeki değişimi, uygulanan alternatif gerilimin değişimine benzer. Bir Hz’lik sürenin ¼’ ünde manyetik alan en büyük değerini alır. Buna göre T/4 zamanda manyetik akı Фmax değerini alır. T/4 süre içinde bir iletkende indüklenen EMK’ nın volt olarak ortalama değeri ise;

Kırmızı çerçeve içine alınan formülleri primer ve sekonder voltajlarını hesaplamakta (yada kaç spir sarılması gerektiğini bulmakta kullanabilirsiniz) *Alıntı yapılan bu bölümde “transformatör “ diye geçmektedir ancak tüm bu formüller ferrit nüveler içinde geçerlidir (En azından ben öyle biliyorum 🙂 )

Artık bundan sonrası SMPS devresinin anahtarlama frekansına ve Bmax değerine göre uygun nüveyi seçmek gerekiyor .Bunun içinde nüve üreticisi firmaların katologlarındaki bilgilerden yararlanmak gerekiyor.

Aşağıda nüve üreticisi bir firmanın ürünlerinin frekansa göre power factor denen performans faktöründeki değişimi göstermektedir.Bu grafiklere göre örneğin 7Khz civarında anahtarlama için B olarak gösterilen 3F3 kodlu nüveyi seçmek doğru bir seçimdir.Çünkü bu ferrit malzeme bu frekans civarında en yüksek verime ulaşmaktadır Tepe değeri 7 Khz civarıdır (mavi çizgi ).

120 khz gibi bir anahtarlama için iseE ile gösterilen 3F4 en uygun seçimdir(Kırmızı çizgi ile gösterilen )

Şekil:2 Değişik ferrit malzemelerin frekansa göre performansları

Nüve seçiminde dikkat edilmesi gereken bir diğer nokta ise sarım sayımızı uygun değerde tutup Gauss değerini fazla yükseltmemiz lazım.Ama bu Gauss değerininde Frekans ile oldukça yakın ilişkileri var bu ilişkiyi bozmamak için grafiklere bakmamız gerekecek Frekans arttıkça gauss değerinide düşürmeliyiz .Bunu nerden anlıyoruz dersek , Power Loss (mw/cm3 ) diye bir değişkene bakmamız gerekiyor.

Bu değişken nüve materyaline bağlıdır , pratik de bu değeri olabildiğince 100mW altında tutmaya gayret etmeliyizki nüve üzerindeki güç kayıpları azalsın güç kaynağımızın verimide artsın.Eğer bu değer yüksek tutulursa verimi %50 seviyelerinde görmek hiçde süpriz olmaz.(Tipik bir G.Kaynağında %80)

Aşağıdaki grafikte bir nüve malzemesinin değişik frekans ve sıcaklaıklarda güç kaybı grafiği görülmektedir.

Şekil:3 DMR 40 ın güç kaybı grafiği

Gauss Değeri Bilinmeyen Bir Nüveyi İstenilen Endüktansta Sarmak

Eğer elinizde bir ferrit nüve varsa ve endüktansını ölçtüğünüzde sizin devrenizde kullanabileceğiniz bir değerde değilse doğal olarak bu endüktans değerine ulaşmak için kaç spir sarmalıyım diye sorarsınız.Bu bölüm bu soruya cevap vermektedir.

Burada Al değerinden bahsedilmekte bu değer yardımıyla arzu edilen endüktansa nasıl ulaşıldığı anlatılmaktadır.

Ferrit nüveye örneğin 20 spir tel sarın ve endüktansını ölçün örneğin 22,4µH okudunuz.

(100/20)=5 bunun karesini alın yani 25 okuduğunuz 22,4µH değeri 25 i çarpın,yani:560
İşte bu değer o nüvenin Al değeridir.Biz 100 µH lik endüktansa ulaşmak istiyorduk
(Endüktans değeri/Al ) değerinin karekökünü alıp 100 ile çarparsanız sipir sayısını bulursunuz Yani:

100/560=0,1785
√,01785=0,4226

0,4246×100=42,46 yani 43 sipir sarılması gerekmektedir.(*Bu yazının kaynağında 100 mikrohenri için 45 sipir diye de not düşülmüştür.Yani bu formüller yaklaşık hesap etmektedir)

*Aşağıdaki formüllerdede Mili henri ve mikro henri için 100 ve 1000 değerleri kullanıldığına dikkat ediniz

Özetle bu konuya ait formüller aşağıdadır

(Daha önce E.T.E beyin de tarif ettiği yöntem biraz daha detaylı olarak şu telus.net sitesinde anlatılmaktadır.  Ben bu bölümü tercüme ederek izah ettim)

Ferrit nüveler ve hesaplamaları hakkında yazdığım bu yazı umarım pekçok arkadaşımızın işine yarar.Gözümden kaçmış hatalar eksikler varsa lütfen bildiriniz .

Saygılarımla
Flatron

Kaynaklar:

“Ferrit Çekirdekli Trafo Tasarımı ve Uygulamaları” N.Esra Çapanoğlu SAVAŞ (Gazi Üniversitesi) Yüksek lisans tezi

“Bir Fazlı Transformatör Sarımı “ MEGEP yayınları.

“Ferrit Nüveler Hakkında” Emrah Mercan

http://www3.telus.net/chemelec/Projects/Inductor/Inductor.htm