Güç hatları neden sadece 125-250 voltta iletim yapmazlar? Bu soruyu açıklamak için, öncelikle elektriğin belirli bir mesafe boyunca dolaşırken nasıl davrandığı bilmek gerekir. Elektrik bir metal telden aşağı akarken, elektronlar onlarla birlikte belirli miktarda enerji taşımaktadır. Telden geçtiğinde elektronlar, elektronun direnç deneyimi nedeniyle taşıdıkları enerjinin bir miktarını kaybetmektedirler. Bu yüzden teller, içinden elektrik geçtiği zaman ısınmaktadır. Kullanılan elektrik voltajı ne kadar yüksek olursa ve akım ne kadar düşük olursa, o kadar az enerji harcanmaktadır. Böylece, enerji santrallerinden gelen elektrik, enerji tasarrufu için kabloları son derece yüksek voltajlarda göndermektedir.
Ancak, başka bir neden daha bulunmaktadır. Endüstriyel ekipman, büyük miktarlarda güç tüketen büyük boyutlu makinelere sahiptir. Bir cihazın kullandığı enerji, kullandığı voltaj ile doğru orantılıdır. Bu güce aç makineler 10.000–30.000 volt kullanabilmektedir. Küçük ölçekli endüstrilerin sadece 400 voltluk kaynaklara ihtiyacı olabilmektedir. Bunu basit bir ifadeyle, farklı toplum katmanlarının farklı güç tüketimi ihtiyaçları bulunmaktadır.
Transformatör
Bir transformatör, bir voltajı veya akımı diğerine dönüştürmek için elektromanyetizma prensiplerini kullanan bir cihazdır. Manyetik bir çekirdek etrafına sarılmış bir çift yalıtılmış telden oluşmaktadır. Dönüştürülecek gerilimi veya akımı bağlanan sargıya birincil sargı ve çıkış sargısına ikincil sargı denmektedir. Transformatörler iki çeşit halinde gelmektedir, bunlar voltajı veya akımı artıran yukarı adım ve voltajı veya akım girişini azaltan aşağı adım şeklindedir. Örneğin, mikrodalga fırınındaki transformatörler, mikrodalga fırındaki vakum borusuna yaklaşık 2200 volt beslemek için kullanılan ikincil bir transformatördür. Dikkat edilmesi gereken bir şey, transformatörlerin sadece değişen veya AC voltajlarla çalıştığı ve DC ile çalışmadığıdır.
Bir transformatör, iki veya daha fazla devre arasında elektrik enerjisi aktaran statik bir elektrikli cihaz olabilmektedir. Bir transformatör aynı zamanda çok temel bir elektromanyetizma yasasına dayandırılmaktadır, yani dalgalanan bir elektrik akımı bir telden aktığında, çevresinde manyetik bir akım üretmektedir. Manyetik akım yoğunluğunun gücü doğrudan elektrik akımının büyüklüğü ile ilgilidir. Bu nedenle, akım ne kadar yüksek olursa manyetik alan o kadar güçlü olmaktadır. Elektriğin davranış şekli ile ilgili ilginç bir fenomen vardır. Bir telin etrafında manyetik bir alan indüklendiğinde, telde bir elektrik akımı üretmektedir, bu nedenle ikinci tel bobinini birincinin yanına koyulduğunda ve ilk bobine dalgalanan bir elektrik akımı gönderildiğinde, ikinci telde bir elektrik akımı oluşmaktadır. Burada yapılan, bir elektrik bobinini bir tel bobininden diğerine geçirmektir. Buna, birinci bobindeki akım, ikinci bobindeki bir akıma neden olduğu veya indüklediği için elektromanyetik indüksiyon denmektedir.
Bir tel bobini yapmak için, tel basitçe kıvrılmalıdır. İkinci bobin birinci bobinle aynı sayıda dönüşe sahipse, ikinci bobinde ki elektrik akımı ilk bobindekiyle hemen hemen aynı boyutta olacaktır. Bununla birlikte, transformatörlerin ilginç yönü, ikinci bobinde daha fazla veya daha az dönüş olursa, ikincil akımı ve voltajı birincil akım ve voltajdan daha büyük veya daha küçük yapmak mümkündür. Elektrik akımının dalgalanması gerektiğini anlamak önemlidir. Başka bir deyişle, transformatör söz konusu olduğunda elektrik akımı alternatif akım (AC) olmalıdır. Transformatörler kararlı durum akımı veya Doğru Akım (DC) ile çalışmamaktadır.
Yükseltici ve Düşürücü Transformatörler
İkinci bobinin birinci bobinin yarısı kadar tur varsa, ikincil gerilim birincil gerilimin büyüklüğünün yarısı olacaktır; ikinci bobinin dönüşlerinin onda biri varsa, voltajın onda biri vardır. Genel olarak, bir aşağı inen transformatörün primerde 1000 ve ikincilde 100 bobin vardır. Bu, voltajı 10 faktör azaltmaktadır, ancak akımı aynı anda 10 faktör ile çarpmaktadır. Bir elektrik akımındaki güç, voltaj ve akımın ürününe eşittir. Bir transformatörde, ikincil bobindeki gücün teorik olarak birincil bobindeki güçle aynı olduğunu görülmektedir, ancak tüm pratik, gerçek dünya ortamlarında, birincil ve ikincil arasında bir miktar güç kaybı bulunmaktadır ve bazıları manyetik akının çekirdeğinden dışarı sızması durumunda, çekirdek ısındığı için enerji kaybedilmektedir.
Bir yükseltici transformatörde, ikincil sargılar, birincil sargılarla karşılaştırıldığında çok sayıda dönüş içermektedir. Bu transformatörler genellikle çok büyük bir dönüş oranına sahiptir. Dönüş oranı, ikincil sargı sayısı ile birincil sargı sayısı arasındaki oran olarak tanımlanabilmektedir. Bu transformatörler, enerji üretiminde üretilen voltaj değerinin arttırıldığı ve uzun mesafeli enerji iletimi için hazırlandığı durumlarda kullanılmaktadır. Bu akım değeri enerji iletimi için pratik değildir ve iletim gücü kayıpları nedeniyle azalmalıdır (R × I * I, R’nin direnç ve I akım anlamına gelir). Transformatörler olmadan uzun mesafeli enerji iletimi mümkün değildir ve günümüzde transformatörlerin günlük elektrik hayatımızda önemli bir rol oynamaktadır.
Elektrik Sistemindeki Transformatörler Ne Kadar Önemlidir?
İki parlak akıl Nikola Tesla ve Thomas Edison’un birbirlerine karşı bir rekabet yaşadığı 1856 yılları elektriğin ve bir ampulün parlaması ve motorun çalıştırılmasının fark edildiği zamanlardır. DC (Doğru Akım) sistemini ilk keşfeden Edison ve ortaklarıydı, daha sonra Tesla bir süre sonra AC (Alternatif akım) sistemini bulmuştur. O zamandan beri, her ikisi de sistemlerinin diğerinden daha avantajlı olduğunu kanıtlamaya çalışmışlardır. O zamana kadar evlerin elektrik alma zamanı gelmiştir. Edison fillerin elektriğini keserek AC’nin ne kadar tehlikeli olduğunu göstermekle meşgulken, Tesla ve ekibi elektriği çok daha kolay ve verimli hale getiren transformatörler bulmuşlardır. Bugün bile Transformatörler iletim sisteminde hayati bir rol oynamaktadır.
Yüksek gerilimler ve düşük akımlarla elektrik iletimi, iletim kablolarının kalınlığını ve dolayısıyla maliyeti azaltmaya yardımcı olmaktadır, aynı zamanda sistemin verimliliğini de artırmaktadır. Bu nedenle, standart bir iletim sistemi 22KV ila 66KV arasında herhangi bir yerde olabilirken, elektrik santralindeki bazı jeneratörlerin sadece 11kV çıkış voltajı vardır ve ev tipi AC cihazı sadece 220V/110V gerektirmektedir. Elektrik santralinden evlere, sistemin verimliliğini korumak için gerilimi artıracak (voltajı artıracak) veya gerilimi azaltacak (voltajı azaltacak) transformatörler vardır. Transformatörlerin bir elektrik iletim sisteminin kalbi olarak adlandırılmasının nedeni budur.
Transformatör Sembolleri
Bir transformatörün devre sembolü, aynı çekirdeği paylaşan yan yana bir araya getirilmiş iki indüktördür. İki sargı arasındaki hattın doğası, kullanılan çekirdeğin türünü göstermektedir: Kesikli bir çizgi ferriti, iki paralel çizgi lamine demiri ve hiçbir çizgi hava çekirdeğini temsil etmemektedir. Bazen darbe sayısı, transformatör fonksiyonunun kaba bir göstergesi olarak kullanılmaktadır, bir tarafta daha az ve diğer tarafta daha fazla darbe, ilk tarafın diğerinden daha az sayıda dönüş olduğu anlamına gelebilmektedir.
Transformatörün Çalışma Mantığı
Michael Faraday, transformatörün babası olarak adlandırılmaktadır, çünkü elektromanyetizmayı anlamaya, motorlar ve jeneratörler gibi cihazlar geliştirye yardımcı olan deneylerdir. 1800’lü yılların sonlarında, elektrik ve manyetizmanın ilişkili fenomenler olduğu keşfedildiğinde, elektrik üretmek için mıknatısların gücünü kullanabilecek pratik bir cihaz denemek ve inşa etmek için adeta bir yarış vardır. Faraday, bir mıknatısın bir tel bobinine yaklaştırılmasıyla elektriğin üretilebileceğini keşfetmiştir. Keşfettiği şey, voltajın sadece manyetik alan değiştiğinde, yani bobini veya mıknatısı diğerine göre hareket ettirdiğinde üretileceğidir. DC’de akım akışı sabittir ve manyetik alan da sabittir. Alan sabit olduğu ve değişmediği için, sekonderde herhangi bir voltaj oluşmamaktadır ve transformatör sadece güç kaynağına normal bir direnç teli bobini gibi görünmektedir. Bu nedenle transformatörler DC akımları ile çalışmamaktadır. Ayrıca, iki tel bobini birbirine yakın tutulduğunda, bir bobin içinde akan bir akımın diğer bobin içinde akımı indükleyebileceğini bulmuştur. Bu ilkeye karşılıklı endüktans denmektedir ve tüm modern transformatörlerin çalışmasını yönetmektedir.
Transformatör manyetik bir çekirdek üzerine sarılmış iki sargıdan oluşmaktadır. Bir çekirdeğe sahip olmanın amacı, havanın manyetik alanların çok iyi bir destekçisi olmamasıdır, bu nedenle manyetik bir çekirdeğe sahip olmak, bir sarımdan akan belirli bir miktarda manyetik alanı arttırmaktadır, bu da diğerinde daha güçlü bir akım oluşturmaktadır ve cihazın genel verimliliğini artırmaktadır. Bir akım primerden geçtiğinde, çekirdeğe bir manyetik alan kurulur ve çoğunlukla çekirdeğe sınırlanmaktadır. Bu manyetik alan, ikincinin ortasından geçer ve böylece karşılıklı indüksiyon yasası ile diğerinde bir akım indüklemektedir.
Transformatör Özellikleri
Yukarıda verilen örneğe daha yakından bakılacak olunursa, ilk transformatör daha fazla tel kullanıldığından daha fazla sargı direncine sahiptir ve bazı durumlarda transformatörden çekilebilecek akım miktarını sınırlandırabilmektedir. Bu özelliğe sargı direnci denmektedir, ancak çoğu zaman önemli değildir, çünkü kullanılan bakır tel genellikle düşük bir dirence sahiptir. Fark edilen başka bir şey, birincil ve ikincil sargılar arasında doğrudan elektrik bağlantısının olmamasıdır. Buna galvanik izolasyon denmektedir ve görülen gibi çok yararlı olabilmektedir. Transformatör sargılarının her birine baktıklarında, manyetik bir çekirdeğin etrafına sarılmış bir tel bobini ve aynı zamanda bir endüktansa sahip olan indüktörler gibi yapıldığı görülmektedir.
Trafo Yapısı
Kendi transformatörlerini sarması gereken herkes için, transformatör yapı bilgisi önemlidir. Bir transformatör birkaç temel bileşenden oluşmaktadır ve bunlar aşağıdaki gibidir:
1.Bobin:
Bobin, herhangi bir transformatör için temel çerçevedir. Üzerine sargıların sarılması için bir makara sağlamaktadır ve ayrıca çekirdeği yerinde tutmaktadır. Genellikle ısıya dayanıklı plastikten yapılmaktadır, ayrıca, örneğin bir PCB’ye monte etmek isteniliyorsa, sargıların uçlarını lehimleyebilecek metal pimler de içermektedir.
2.Çekirdek
Bu muhtemelen transformatörün en önemli parçasıdır. Çekirdekler birçok şekil ve boyutta olabilmektedir ve çekirdeğin etrafına inşa edilen transformatörün elektriksel özelliklerini belirleyen, çekirdeğin manyetik özellikleridir.
3.Sargı
Önemsiz bir şey gibi görülse de, inşaatta kullanılan tel diğer herhangi bir boyuttaki malzeme kadar önemlidir mantığı ile bakmak gerekir. Yalıtım güçlü ve ince olduğu için genellikle emaye kaplı bakır tel kullanılmaktadır, bu nedenle plastik yalıtım kılıfları nedeniyle boşa harcanmaz.
Transformatör Uygulamaları
1. Ana gerilim dönüşümü
Bu muhtemelen transformatörler için en yaygın uygulamadır, düşük voltajlı cihazlarda şebeke voltajını düşürmek için kullanılmaktadır. Bunları mikrodalga fırınlar, eski TV’ler ve duvar tuğlası güç kaynakları gibi şeylerin içinde bile bulabilmek mümkündür. Bu transformatörler, mükemmel geçirgenlik sağlayan ancak diğer türlerden daha hantal ve biraz daha az güçlü hale getiren demir çekirdeklere sahiptir.
2. Anahtar modu güç kaynakları
Bunlar DC girişi alan ve DC çıkışı üreten çok özel bir güç kaynağı türüdür ve tüm modern telefon şarj cihazları bulunmaktadır. Bu PSU’larda kullanılan transformatörler, az sayıda dönüşe sahip indüktörler ve orta ila yüksek geçirgenliğe sahip ferrit çekirdekler gibi tasarlanmıştır. Akım belirli bir seviyeye yükselerek ve çekirdeğe bir miktar manyetik enerji depolayacak şekilde primer boyunca bir DC voltajı kısa bir süre uygulanmaktadır. Bu enerji daha sonra daha az sayıda dönüşe sahip olduğu için daha düşük bir voltajda sekonder aktarılmaktadır. Bununla birlikte yüksek frekanslarda çalışmakta, mükemmel verimlilik sağlamaktadırlar ve çok küçüktürler.
3. Elektrik izolasyonu
Bunlar 1: 1 dönüş oranına sahip özel transformatörlerdir, böylece giriş ve çıkış voltajları aynıdır. Cihazları ana topraktan ayırmak için kullanılmaktadırlar. Şebekeye toprak referansı verildiğinden, bir kabloya bile dokunulması, dönüş yolu tam anlamıyla toprak olduğundan şokla sonuçlanabilmektedir. İzolasyon transformatörlerinin kullanılması, transformatörler galvanik olarak yalıtıldığı için cihazın elektrik şebekesinden bağlantısını kesmektedirler.
4. Gerilim dönüşüm transformatörleri
Dünyadaki çoğu ülke standart besleme voltajı olarak 220V AC, ancak ABD gibi bazı ülkeler 110V AC kullanmaktadır. Bu, karıştırıcılar gibi bazı cihazların tüm ülkelerde çalıştırılamayacağı anlamına gelmektedir. Bu amaçla, cihazların herhangi bir ülkede kullanılabileceğinden emin olmak için 110V’yi 220V’ye veya tam tersi dönüştüren transformatörleri kullanabilmek mümkündür.
5. Empedans eşleştirme
Bunlar, kaynağın ve yükün empedansına uyması için kullanılan özel transformatör türleridir. RF ve ses devrelerinde yaygın kullanım görmektedirler. Dönüş oranı, kaynağın ve yük empedanslarının kare köküne eşittir.
6. Ototransformer
Bu, sekonder oluşturan musluk çıkışı ile sadece bir sargısı olan özel bir transformatör türüdür. Genellikle bu musluk değişkendir ve bu nedenle çıkış AC voltajını, bir voltaj bölücü gibi değiştirilebilmektedir. Sonuç olarak transformatörler kullanışlı cihazlardır, nasıl tasarlanacağını ve çalışacağını öğrenmek çok yararlı olabilmektedir!
Yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu