Transformatör, bir devrenin iki parçası arasında elektrik enerjisi iletmek için kullanılan, akım ve voltajı değiştirirken izolasyon sağlayan bir cihazdır. Transformatör, çoğu elektrik sisteminin ayrılmaz bir parçasıdır. Özellikle güç transformatörleri, yüksek güç iletim verimliliği beklenen durumlarda kullanılır. Uygulamaya göre, ekipman tam yük kapasitesinde sürekli veya kesintili olarak çalıştırılabilir.
Ticari elektrikli cihazlarda kullanılan küçük transformatörler iki farklı çekirdek şeklinden oluşabilir: EI veya kare şekilli ve toroidal şekilli. Toroidal (halka, halka şeklinde çekirdekli) transformatörler, silindirik bir çekirdeğin etrafına sarılmış bakır tellerden oluşan elektrik bileşenleridir. Geçmişte EI çekirdek şekli daha popülerdi. Ancak toroidal transformatörler, benzersiz şekilleri ve avantajları nedeniyle düşük güç gerektiren uygulamalarda giderek daha baskın hale geliyor.
Toroidal transformatörlerin yapımı
Çekirdek: Sıradan bir transformatörün çekirdeği, lamine silisyum çelik saclardan yapılır. Toroidal transformatörün çekirdeği ise sarımlı silisyum çelik şeritten yapılır. Çekirdek, birincil bobindeki AC akımın etkisi altında frekanslı bir alternatif manyetik akı oluşturmak, çekirdekteki alternatif manyetik akı aracılığıyla ikincil bobindeki elektrik potansiyelini indükleyerek düşük voltajlı bir güç kaynağı oluşturmaktır. Çekirdek, elektrik enerjisinin, manyetik enerjinin ve elektrik enerjisinin dönüşümünü tamamlayan ana gövdedir.
Sargı: Genellikle sargı kalıbına sarılan yalıtımlı düz bakır tellerden veya yuvarlak bakır tellerden oluşur. Birincil ve ikincil (yüksek gerilim ve alçak gerilim) olmak üzere iki grup içerir. Birincil sargının görevi, transformatörün orijinal tarafını kısmen uyarma işlemini tamamlamak, diğer bir kısmıyla da ikincil sargıyı elektrik enerjisiyle doldurmaktır. İkincil sargı ise manyetik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürüp dışarı iletmektir. Sargılar genellikle belirli bir devre bağlantı yöntemine göre bağlanır.
Gövde yalıtımı: Birincil ve ikincil yalıtım, dönüşler arası yalıtım, çekirdek yalıtımı ve kabuk arası yalıtımı içerir. Kullanılan malzemeler karton, epoksi reçine, çeşitli yalıtım malzemeleri, trafo yağı vb.'dir. Trafo yağı sadece iyi bir yalıtım etkisine sahip olmakla kalmaz, aynı zamanda trafo ısı dağılımını destekleyerek çekirdeği ve bobini soğutmaya da yardımcı olabilir.
Toroidal transformatörün çekirdeği, yüksek kaliteli soğuk haddelenmiş silisyum çelik sacdan (sac kalınlığı genellikle 0,35 mm veya daha azdır) yapılır ve kusursuz bir şekilde haddelenir, bu da çekirdek performansını geleneksel lamine sac çekirdeğinden daha iyi hale getirir. Toroidal transformatörlerin sargıları çekirdeğe eşit şekilde sarılır ve sargılar tarafından oluşturulan manyetik hatların yönü, çekirdeğin manyetik devresiyle neredeyse tam olarak çakışır, bu da uyarma enerjisini ve çekirdek kaybını lamine tipe kıyasla %25 oranında azaltır.
Çalışma prensibi
Transformatörler elektromanyetik indüksiyona dayanır. Fizikçi Michael Faraday, 1831 yılında elektrik akımının gücünün mıknatısın hareket hızı ve bobinin sarım sayısıyla orantılı olduğunu bulduğunda elektromanyetik indüksiyonu keşfetti.
Transformatör bu orantılı ilişkiden yararlanır. Toroidal transformatörün çalışma prensibi transformatörle aynıdır, her ikisi de elektrik-manyetik ve manyetik-elektrik dönüşüm prensibini kullanarak çalışır. Aşağıdaki şekilde bir transformatörün çalışma prensibini göstermek için gösterilen devre gösterilmektedir. AC gerilimi U1, transformatörün birincil sargısı L1'in (sargı sayısı N1'dir) her iki ucuna gönderildiğinde, AC akımı I1 L1'den akar, L1 hemen bir manyetik alan oluşturur, manyetik alanın manyetik indüksiyon çizgileri, iyi iletken bir çekirdek boyunca ikincil sargı L2'ye (sargı sayısı N2'dir) bağlanır, L2 hemen bir indüklenmiş elektrik potansiyeli oluşturur, bu anda L2 bir güç kaynağına eşdeğerdir. L2, yük R'ye kapalı bir devre olarak bağlandığından, L2 AC akımı I2 çıkışına sahiptir ve yük R'den akar. R üzerindeki gerilim U2'dir.
Manyetik alanlar, sekonder sargıdan geçerken bir çıkış voltajı üretir. Üretilen voltaj miktarı, sekonder sargıdaki bobin sayısının primer sargıya göre ne kadar olduğuna bağlıdır. Oran 2:1 ise yarıya iner, 1:2 ise iki katına çıkar.
Toroidal transformatörlerin avantajları
1. Yüksek verimlilik
Bu transformatörlerin benzersiz şekli, daha kısa bobinlerin kullanımına olanak tanır; bu da daha düşük kayıp seviyeleri ve dolayısıyla daha yüksek sistem verimliliği sağlar. Toroidal transformatörler diğer güç transformatörlerinden daha verimli oldukları için, çalışma sırasında daha az ısı üretirler ve bu da daha düşük çalışma sıcaklıklarına yol açar. Bu da soğutma ünitelerine olan ihtiyacı azaltır.
Çekirdekte hava boşluğu yoktur, laminasyon faktörü %95 veya daha fazla olabilir, çekirdek geçirgenliği 1,5~1,8T olabilir (lamine çekirdek yalnızca 1,2~1,4T alabilir), elektriksel verimlilik %95 veya daha fazla olabilir, boşta akım lamine tipin yalnızca %10'udur.
2. Daha düşük çalışma sıcaklığı
Demir kaybı 1,1W/kg'a kadar elde edilebildiğinden, demir kaybı çok küçük olduğunda çekirdek sıcaklık artışı düşük olur ve çekirdeğin daha düşük sıcaklığındaki sargının ısı dağılımı iyidir, bu nedenle transformatör sıcaklık artışı düşüktür.
3. Daha kompakt boyut, hafif ağırlık
Toroidal bir transformatörün tüm sargıları, çekirdeğin tamamına simetrik olarak dağıtılmıştır, bu da çok kısa tel uzunluklarıyla sonuçlanır. Manyetik akı, tanecik yönelimli çekirdeğin haddeleme yönüyle aynı yönde olduğundan, önemli hacim ve ağırlık tasarrufu ve daha yüksek akı yoğunluğu mümkündür.
Toroidal transformatörler, daha düşük boyut ve ağırlıkları sayesinde kompakt elektrik ürünleri için idealdir. Ayrıca STEPPERONLINE, müşterinin alanına özel bir transformatör tasarlayabilir.
4. Daha düşük kaçak manyetik alan ve EMI emisyonu
Toroidal transformatör çekirdeğinde hava boşluğu yoktur; sargı, halka şeklindeki çekirdeğe eşit şekilde sarılır, bu da düşük manyetik sızıntı ve elektromanyetik radyasyona yol açar. Çekirdeği kaplayan birincil ve ikincil sargılar, oluşan manyetik alana karşı kalkan görevi görerek, çalışma sırasında yakındaki hassas elektronik cihazları transformatörden korur. Toroidal transformatörler, düşük seviyeli amplifikatörler ve tıbbi cihazlar gibi yüksek hassasiyetli elektronik cihazlarda ek koruma olmadan kullanılabilir.
Toroidal transformatörlerin çevreye ve insan vücuduna olan etkisi tamamen yok denecek kadar azdır, bu nedenle sağlıklı bir güç kaynağıdır.
5. Daha düşük titreşim gürültüsü
Toroidal transformatörlerin yapısı, duyulabilir gürültüyü bastırmaya yardımcı olur. Çekirdekler sıkıca sarılır, nokta kaynaklıdır, tavlanır ve epoksi reçineyle kaplanır veya mylar bantla izole edilir. Çekirdeğin eşit şekilde sarılması hava boşluğu bırakmaz, böylece titreşecek gevşek levhalar olmaz ve bu da manyetostriksiyondan kaynaklanan uğultuyu azaltır.
6. Boyutsal Esneklik
Toroidal transformatörler, geleneksel lamine transformatörlere kıyasla yüksek düzeyde boyut esnekliği sunar. Toroidal transformatör çekirdeklerinin uzunluk, genişlik ve yükseklik oranları, gerekli boyutları karşılayan bir şekil tasarlamak için kolayca değiştirilebilir.
7. Daha kolay montaj
Toroidal transformatörlerin montajı kolaydır. Çoğu durumda, montajı hızlı ve kolay hale getiren tek bir metal merkezleme rondelası ve montaj vidaları veya cıvataları yeterlidir.
Diğer popüler montaj yöntemleri şunlardır:
- Pirinç ek parçaları veya delikli reçine merkez saksılama
- Basınçsız montaj plakaları
- Plastik veya metal muhafazalarda tam kapsülleme
- PCB montajı (delikten)
- DIN ray montajı
8. Enerji tasarrufu
Toroidal çekirdekler, genellikle 1,7 Tesla ve 50 Hz'de 1,1 W/kg gibi çok düşük demir kayıplarına sahiptir. Bu düşük demir kayıpları, çok düşük mıknatıslanma akımlarıyla sonuçlanır ve bu da düşük bekleme enerji tüketimine yol açar. Düşük yüksüz kayıplar, bekleme modunda daha fazla enerji tasarrufu sağlar.
Toroidal transformatörlerin uygulamaları
Toroidal transformatörler, elektronik uygulamalarda genellikle gerilimi düşürüp yükseltmek için bir araç olarak kullanılır. Bu cihaz ayrıca elektronik cihazları kaçak gerilim kaynaklarından izole etmek için de kullanılabilir. Çeşitli transformatörler mevcuttur ve bu nedenle farklı uygulamalar gerçekleştirilebilir. Çeşitli toroidal transformatörlerin mevcut uygulamalarının kısa bir açıklaması aşağıdaki gibidir:
Adım motoru endüstrisi: Genellikle tek fazlı, çok fazlı adım motor sürücüleri ve AC servo motorlarda kullanılır.
Makine sanayi: Kontrol takım tezgahları, CNC makineleri vb. gibi ağırlıklı olarak endüstriyel alana yöneliktir.
Ses/görüntü ekipmanları: Genellikle ses sistemleri, ses amplifikatörleri vb. için kullanılır.
Tıbbi endüstri: Tıbbi test cihazlarında güvenlik izolasyonu rolünü oynamak için kullanılır.
Enstrümantasyon endüstrisi: Çeşitli test aletleri ve ekipmanlarında kullanılır.
Yenilenebilir enerji sektörü: Güneş enerjisi invertörlerinde, genellikle voltaj yükseltme amacıyla kullanılır.
Atomizasyon nemlendirme endüstrisi: Özellikle tarımsal sera ve sebze ekim alanlarında hava nemini düzenlemek için kullanılır.
Elektriksel kontrol: Örneğin, akım ve gerilim trafolarında kullanılır. Toroidal trafo prosesi ile yüksek hassasiyetli, yüksek kararlılığa sahip trafolar üretilebilir.
Otomobil endüstrisi
Aydınlatma endüstrisi
Güvenlik ekipmanları
Telekomünikasyon
Havacılık ve uzay
