Transformatör

Transformatör ya da kısa adıyla trafo iki veya daha fazla elektrik devresini elektromanyetik indüksiyonla birbirine bağlayan bir elektrik aletidir. Bir elektrik devresinden diğer elektrik devresine, enerjiyi elektromanyetik alan aracılığıyla nakletmektedir. Transformatörler elektrik enerjisinin belirli gücünde gerilim ve akım değerlerinde istenilen değişimi yapan makinelerdir.
Transformatör, elektrik enerjisini bir elektrik devresinden başka bir devreye veya birden fazla devreye aktaran bileşendir. Transformatörün herhangi bir bobinindeki değişen akım, transformatörün çekirdeğinde değişken bir manyetik akı üretmektedir. Oluşan akı, aynı çekirdek etrafına sarılmış diğer bobinler boyunca değişen bir elektromotor kuvveti indüklemektedir. Elektrik enerjisi, iki devre arasında metalik (iletken) bir bağlantı olmadan ayrı bobinler arasında aktarılabilmektedir.
Genel bakış
Transformatörün işlevi, düşük akımlı yüksek gerilimli elektriği, hemen hiç enerji kaybı olmaksızın yüksek akımlı düşük gerilimli duruma (veya tam tersi) dönüştürmektir. Transformatörler elektrikle çalışan birçok cihazın tamamlayıcı elemanıdır. Masa lambaları, pil şarj araçları, oyuncak arabalar ve bilgisayar gibi cihazların hepsinde gerilimi ayarlamak için transformatör kullanılmaktadır. Transformatörün boyutları kullanım yerine göre bezelye iriliğinde küçük olabildiği gibi, 500 ton ağırlığında olanları da vardır.
Transformatör en basit halde, birbirine yakın konan iki sargıdan ibarettir. Eğer bu iki sargı ince demir levhaların üzerine sarılmışsa buna demir çekirdekli transformatör denir. Eğer demirsiz plastik tüp gibi bir çekirdeğe sarılmışsa buna hava çekirdekli transformatör denmektedir. Sargılardan birine voltaj uygulanırsa, diğerinde de bir voltaj meydana gelmektedir. Voltajın tatbik edilmesiyle ortaya çıkan akım, sargı etrafında bir manyetik alan doğurmaktadır. Bu alan, yakına konan diğer sargıda bir voltaj ortaya çıkarmaktadır. Ancak manyetik alanın daima değişerek çıkış sargısındaki voltajı devam ettirmesi gerekmektedir. Birinci bobine tatbik edilen voltaj sabit olursa, diğer bobinde herhangi bir voltaj meydana gelmemektedir. Ancak doğru akım sürekli olarak kapatılır ve açılırsa manyetik alan değişerek bir çıkış meydana gelmektedir. Otomobillerde bulunan radyo alıcısındaki vakum tüp bu prensiple çalışmaktadır.
Eğer her iki sargı tek bir demir çekirdeğe konur ve voltaj tatbik edilirse, demir çekirdek manyetize olmaktadır. Demir, uygun manyetik özelliklerinden dolayı tercih edilmekte ve bu suretle manyetik alan konsantre edilmektedir. Bu yöntemle enerji kayıpları en düşük düzeyde kalır, verim % 97-99,9 gibi değerlere ulaşabilmektedir.
Bir transformatörün çıkış sargısı, giriş sargılarından daha fazla sayıda ise çıkış voltajı büyüyecektir. Akım şiddetiyse, bu oranın tersiyle değişmektedir. Transformatörler yardımıyla gerilimi yükseltmek mümkün olduğu gibi, düşürmek de mümkündür. Transformatörün gücü manyetik alanın değişimine bağlı olduğundan, bu alan demir çekirdeği ısıtmaktadır. Bu sebepten demir çekirdekli transformatörler, genellikle 50 hertzlik, düşük frekanslarda kullanılmaktadır. Demir çekirdeğin tek döküm olarak değil, ince levhalar şeklinde yapılması değişen manyetik alan kaynaklı dairesel Eddy akımlarından kaynaklanacak olan fazla ısınmayı önlemek içindir. Dairesel dönülebilir alan büyüdükçe bu akımlar artmaktadır. Bu sebepten dolayı, radyo frekanslarında çalışan transformatörler hava çekirdeklidir.
Kullanım amacı
Genel olarak transformatörler bir elektrik devresinde voltaj veya akımı düşürmek veya yükseltmek için kullanılmaktadır. Elektronikteyse esas olarak farklı devrelerdeki yükselticileri birleştirmek, doğru akım dalgalarını daha yüksek bir değerdeki alternatif akıma çevirmek ve sadece belirli frekansları iletmek için kullanılmaktadır. İzolasyon amacıyla ve bazen de sığaçlar ve dirençlerle beraber kullanılmaktadır. Elektrik akım iletiminde, esas olarak voltajı yükseltmek veya düşürmek için kullanılmaktadır. Ölçü aletlerinde özel transformatörler kullanılmaktadır.
Esas olarak transformatörler, elektromanyetik indüksiyonla enerjiyi bir devreden diğer devreye geçirmektedir. Gerilimi yükseltmek özellikle elektrik enerjisinin elde edildiği yerden uzaklara nakledilmesinde gerekmektedir. Çünkü yüksek akımla iletim yapmak P=I2 R formülünde görüleceği gibi çok büyük güç kayıplarına sebep olmaktadır. Bu yüzden elektrik iletim sırasında gerilim yükseltilir akım düşürülür (V=I R formülünden dolayı) ve böylece minimum seviyede güç kaybı oluşması hedeflenmektedir. Yüksek güçlü transformatörler kullanım sırasında ısındıklarından yağlı soğutma düzenekleri ile soğutulmaktadır. Bu tür transformatörler, Buchholz rölesi adı verilen güvenlik donanımları yardımı ile aşırı ısınmanın zararlı etkilerine karşı korunmaktadır.
Prensipler
İdeal transformatör
İdeal bir transformatör, sonsuz geçirgenliğe ve sıfır çekirdek kaybına sahiptir. Ortak bir manyetik devreyi kucaklayan iki dirençsiz bobinden oluşmaktadır. Bobinlerde hiçbir akı kaybı oluşmaz; manyetik devrenin tüm akısı her iki bobini de birbirine bağlamaktadır. İdeal bir transformatörün verimi %100 kabul edilmektedir.
Transformatörün birincil sargısındaki değişken bir akım, ikincil sargı tarafından da çevrelenen transformatör çekirdeğinde değişken bir manyetik akı yaratmaya çalışmaktadır. İkincil sargıdaki bu değişken akı, ikincil sargıda elektromanyetik indüksiyon nedeniyle değişen bir elektromotor kuvveti (EMF, voltaj) indüklemektedir. Üretilen ikincil akım, Lenz yasasına göre birincil sargı tarafından üretilene eşit ve zıt bir akı oluşturmaktadır.
Sargılar, sonsuz yüksek manyetik geçirgenliğe sahip bir çekirdek etrafına sarılmaktadır. Böylece tüm manyetik akı hem birincil hem de ikincil sargılardan geçmektedir. Birincil sargıya bağlı bir voltaj kaynağı ve ikincil sargıya bağlı bir yük ile, transformatör akımları belirtilen yönlerde akar ve çekirdek elektromotor kuvveti sıfıra dönmektedir.
Faraday yasasına göre, aynı manyetik akı ideal bir transformatörde hem birincil hem de ikincil sargılardan geçmektedir. Bu sebeple her sargıda sargı sayısına orantılı bir voltaj indüklenmektedir. Transformatör sargı gerilimi oranı, sargı dönüş oranı ile doğru orantılıdır.
Gerçek transformatör
İdeal transformatörden ayrılan kısımlar
İdeal transformatör gerçek transformatördeki kayıpları ihmal etmektedir:
a) Çekirdek kayıpları:
Transformatör çekirdeğindeki doğrusal olmayan manyetik etkilerden kaynaklanan histerezis kayıpları mevcuttur.
Transformatörün uygulanan geriliminin karesiyle orantılı olan çekirdekte joule ısınmasına bağlı girdap akımı kayıpları oluşmaktadır.
b) İdeal modelin aksine, gerçek bir transformatördeki sargılar sıfır olmayan dirençlere sahiptir:
Birincil ve ikincil sargılarda direnç nedeniyle joule kayıpları meydana gelmektedir.
Çekirdekten kaçan ve yalnızca birincil ve ikincil reaktif empedansla sonuçlanan sızıntı akısı oluşmaktadır.
Kaçak akım
İdeal transformatör modeli, birincil sargı tarafından üretilen tüm akının kendisi dahil her sargının tüm dönüşlerini birbirine bağladığını varsaymaktadır. Pratikte, akının bir kısmı onu sargıların dışına çıkaran yollardan geçmektedir. Bu tür akı, kaçak akı olarak adlandırılmaktadır. Oluşan kaçak akı karşılıklı olarak bağlanmış transformatör sargıları ile seri olarak kaçak endüktansa neden olmaktadır.
Tarihçe
Transformatörün çalışma prensibi olan elektromanyetik indüksiyon, 1831'de Michael Faraday ve 1832'de Joseph Henry tarafından keşfedilmiştir. Sadece Faraday deneylerini, elektromanyetik alan ile manyetik akı arasındaki ilişkiyi tanımlayan ve şu anda Faraday'ın indüksiyon yasası olarak bilinen denklemi çözme noktasına kadar ilerletmiştir.
Faraday, bir demir halkanın etrafına bir çift bobin sarmıştır. Daha sonra tel bobinleri arasındaki indüksiyon üzerine erken deneyler yapmıştır. Böylece ilk halka şeklinde kapalı çekirdekli transformatörü oluşturmuştur. Bununla birlikte, transformatörüne yalnızca bireysel akım darbeleri uygulamıştır. Sonuç olarak sargılardaki dönüş oranı ile elektromanyetik alan arasındaki ilişkiyi asla keşfedememiştir.
İlk alternatif akım transformatörleri
1870'lere gelindiğinde, alternatif akım (AC) üreten verimli jeneratörler mevcuttur. Alternatif akımın bir indüksiyon bobinine bir kesici olmadan doğrudan güç sağlayabileceği bulunmuştur.
1876'da Rus mühendis Pavel Yablochkov, birincil sargıların bir AC kaynağına bağlandığı bir dizi indüksiyon bobinine dayanan bir aydınlatma sistemi icat etmiştir. İkincil sargılar, kendi tasarımı olan birkaç 'elektrikli mum'a (ark lambaları) bağlanabilmektedir. Yablochkov'un kullandığı bobinler esasen transformatör olarak işlev görmüştür.