Transformatör Çekirdeklerinin Fonksiyonları ve Sınıflandırılması

1. Trafo Çekirdeklerinin İşlevleri

Pratik transformatörler her zaman alternatif akım (AC) koşullarında çalışır. Güç kayıpları sadece sargıların direncinde değil aynı zamanda alternatif akım tarafından mıknatıslandığı için demir çekirdek içinde de meydana gelir. Demir çekirdekteki bu güç kayıplarına genellikle 'çekirdek kayıpları' denir ve bunlar iki faktörden kaynaklanır: histerezis kaybı ve girdap akımı kaybı. Manyetik histerezis nedeniyle mıknatıslanma işlemi sırasında histerezis kaybı meydana gelir ve büyüklüğü, malzemenin histerezis döngüsü tarafından çevrelenen alanla orantılıdır. Silikon çeliğin dar bir histerezis döngüsü vardır; bu nedenle transformatör çekirdekleri için kullanılması daha düşük histerezis kayıplarına neden olur ve ısı üretimini önemli ölçüde azaltır.

Silikon çeliğin bu avantajları göz önüne alındığında, neden katı bir blok olarak kullanmak yerine laminasyonlar halinde işleniyor? Bunun nedeni, lamine çekirdeklerin başka bir tür çekirdek kaybını en aza indirmeye yardımcı olmasıdır: girdap akımı kaybı. Çalışma sırasında, sargılardaki alternatif akım, demir çekirdek içinde akımları indükleyen alternatif manyetik akı üretir. Bu indüklenen akımlar manyetik akı yönüne dik düzlemlerde dolaşırlar ve bu nedenle girdap akımları olarak adlandırılırlar. Girdap akımı kayıpları aynı zamanda çekirdeğin ısınmasına da neden olur. Bu kayıpları azaltmak için transformatör çekirdeği, karşılıklı olarak yalıtılmış silikon çelik saclardan monte edilir. Bu, girdap akımlarını daha küçük kesit alanlarına sahip dar, uzun döngüler boyunca akmaya zorlar, böylece yolları boyunca elektrik direncini arttırır. Ek olarak çelikteki silikon içeriği, malzemenin elektriksel direncini artırarak girdap akımlarını daha da azaltır.

Transformatör çekirdekleri için genellikle 0,35 mm kalınlığında soğuk haddelenmiş silikon çelik saclar seçilir. Gerekli çekirdek boyutlarına göre dikdörtgen şeritler halinde kesilir ve 'EI' veya kare ('□') şekillerde istiflenir. Teorik olarak girdap akımlarını en aza indirmek için daha ince tabakalar ve daha dar şeritler daha iyi sonuçlar verir. Bu sadece girdap akımı kayıplarını ve sıcaklık artışını azaltmakla kalmaz, aynı zamanda silikon çelik malzemelerden de tasarruf sağlar. Ancak pratik üretimde diğer faktörlerin de dikkate alınması gerekir. Aşırı ince veya dar levhaların kullanılması, çalışma saatlerini büyük ölçüde artıracak ve çekirdeğin etkin kesitini azaltacaktır. Bu nedenle, silikon çelikten transformatör çekirdekleri üretirken mühendislerin, optimum boyutları seçmek için belirli koşullara göre artıları ve eksileri tartmaları gerekir.

Transformatörler elektromanyetik indüksiyon prensibi üzerine inşa edilmiştir. İki sargı (bir birincil sargı ve bir ikincil sargı) kapalı demir çekirdekli uzuvların etrafına sarılır. Birincil sargıya bir AC voltajı uygulandığında, bir manyetomotor kuvvet (MMF) oluşturan alternatif bir akım akar. Bu MMF'nin etkisi altında çekirdek içerisinde alternatif bir ana manyetik akı üretilir. Bu ana akı aynı anda hem birincil hem de ikincil sargılardan geçer. Elektromanyetik indüksiyon nedeniyle, her iki sargıda da elektromotor kuvvetler (EMF'ler) üretilir. Gerilimi artırma veya azaltma mekanizması Lenz Yasası ile açıklanabilir: İndüklenen akımın ürettiği manyetik akı her zaman orijinal manyetik akıdaki değişime karşı çıkar. Orijinal akı arttığında indüklenen akı ters yönde hareket eder. Bu, ikincil sargıda indüklenen manyetik akının, birincil sargı tarafından üretilen ana akıya karşı çıktığı ve bunun ikincil sargı boyunca dönüştürülmüş bir AC voltajıyla sonuçlandığı anlamına gelir. Böylece demir çekirdek, transformatörün manyetik devresi görevi görürken, sargılar da elektrik devresini oluşturur.

2. Trafo Çekirdek Yapılarının Sınıflandırılması

Kabuk Tipi ve Çekirdek Tipi Demir Çekirdekler
Demir çekirdeğin sargıları barındıran kısmına 'çekirdek kolu' adı verilirken, sargıları barındırmayan ve yalnızca manyetik yol görevi gören kısmına 'boyunduruk' adı verilir. Demir çekirdek sargıları çevreliyorsa buna kabuk tipi çekirdek adı verilir; eğer sargılar çekirdek uzuvlarını çevreliyorsa, buna çekirdek tipi çekirdek adı verilir. Her ikisinin de farklı özellikleri olmasına rağmen, yapısal tasarımlarının gerektirdiği üretim süreçleri önemli ölçüde farklılık gösteriyor ve bu da bir kez seçildikten sonra aralarında geçiş yapmayı zorlaştırıyor. Çin'de çoğu transformatör çekirdeği istiflenmiş çekirdek tipi yapıyı kullanır.

Silikon çeliği genellikle düşük frekanslı transformatörlerde kullanılır. Üretim süreçlerine göre aşağıdakilere ayrılırlar:
A. Tavlı (Siyah Levhalar)
N. Tavsız (Beyaz Levhalar)

Şekillerine göre EI tipi, UI tipi, C tipi ve Kare (□) tiplerine ayrılırlar.

• Kare (□) Tip: Genellikle yüksek güçlü transformatörlerde kullanılır, mükemmel yalıtım, kolay ısı dağılımı ve kısa bir manyetik yol sunar. Öncelikle 500~1000W üzeri transformatörlerde kullanılırlar.

• CD Tipi: İki adet C tipi silikon çelik sacdan oluşur. Aynı kesit alanlarına sahip CD tipi transformatörler için daha uzun pencere yüksekliği, daha büyük güç kapasitesine eşittir. Bobinler çekirdeğin her iki tarafına da monte edilebildiğinden, toplam sarım sayısı iki bobine dağıtılabilir. Bu, bobin başına ortalama dönüş uzunluğunu azaltarak bakır kayıplarını azaltır. Ayrıca simetrik bobinlerin ayrı bobinlere yerleştirilmesiyle mükemmel simetri elde edilir.

• ED Tipi: Dört adet C tipi silikon çelik sacdan oluşan ED tipi transformatörler, düz ve geniş bir profile sahiptir. Aynı güç değerinde, CD türlerine göre daha kısa fakat daha geniştirler. Bobinler silikon çeliğin merkezine harici bir manyetik yol ile monte edildiğinden, sızıntı akısı ve genel girişim minimum düzeydedir. Ancak tüm bobinler tek kalın bobin üzerine sarıldığı için ortalama sarım uzunluğu daha uzun olduğundan bakır kayıpları daha fazla olur.

• C Tipi: C tipi çekirdeklerden yapılan transformatörler kompakt, hafif ve yüksek verimlidir. Montaj açısından bakıldığında, C tipi bileşenler az sayıdadır ve çok yönlüdür, bu da yüksek üretim verimliliğine yol açar. Bununla birlikte, C tipi silikon çeliğin işlenmesi çok sayıda karmaşık adım içerir ve özel ekipman gerektirir, bu da onları şu anda daha pahalı hale getirir.

• E-Tipi (Kabuk Tipi / EI Tipi): Başlıca avantajı, birincil ve ikincil bobinlerin ortak bir bobini paylaşması ve bu sayede yüksek bir pencere alanı faktörü (bakır telin net kesit alanının pencere alanına oranı) sağlamasıdır. Silikon çelik, sarımların etrafında koruyucu bir kabuk oluşturarak mekanik hasarı önler. Aynı zamanda geniş bir ısı dağıtım alanı ve düşük kaçak manyetik alanlar sunar. Bununla birlikte, daha yüksek kaçak endüktansı ve dış manyetik girişime karşı daha fazla duyarlılığı vardır. Ek olarak, sargıların ortalama çevresinin daha uzun olması nedeniyle, EI tipi transformatörler aynı sarım sayısı ve çekirdek kesiti için daha fazla bakır tele ihtiyaç duyar.

Kalınlık ve İstifleme Yöntemleri:
Yaygın silikon çelik kalınlıkları 0,35 mm ve 0,5 mm'dir. Montaj yöntemleri aralıklı istifleme ve uçtan uca istiflemeyi içerir. Aralıklı istifleme, levhaların açık uçlarını karşıt taraflarda değiştirir. Sıkıcı olmasına rağmen, hava boşluklarını ve manyetik isteksizliği en aza indirir, manyetik akıyı maksimuma çıkarır, bu da onu güç transformatörleri için ideal kılar. Uç istifleme, E-sayfaları ve I-sayfaları karşıt taraflara yerleştirir ve doğru akımın (DC) neden olduğu doygunluğu önlemek için bir hava boşluğu (kağıt ekleriyle ayarlanır) bırakır.

3. Bobin Tipleri
Bobinler/göbekler üç kategoriye ayrılır:
A. Toroidal Çekirdek: O-şekilli laminasyonlardan birleştirilir veya silikon çelik şeritlerden sarılır. Bu tür için sarma oldukça zordur.
B. Çubuk Çekirdeği.
C. Davul Çekirdeği.

3. Transformatör Çekirdek Malzemelerinin Sınıflandırılması

1. Yüksek Frekans Kategorisi: Demir Tozu Çekirdekleri ve Ferrit Çekirdekleri
Ferrit çekirdekler, yüksek frekans transformatörlerinde kullanılır. Bunlar, demir oksit ve diğer iki değerli metal bileşiklerinden (örneğin, kFe₂O₄, burada 'k' Manganez (Mn), Çinko (Zn), Nikel (Ni), Magnezyum (Mg) veya Bakır (Cu) gibi metalleri temsil eden, spinel kristal yapıya sahip seramik malzemelerdir.
Yaygın kombinasyonlar MnZn, NiZn ve MgZn serilerini içerir. Bu malzemeler yüksek geçirgenliğe ve empedansa sahiptir ve 1kHz'den 200kHz'e kadar etkili bir şekilde çalışır.

• Ferrit Çekirdek Frekans Aralığı: 18 kHz ~ 1 MHz ve üzeri.

2. Düşük Frekans Kategorisi: Silikon Çelik ve Amorf Alaşımlar

• Silikon Çelik Çekirdek Frekans Aralığı: 5 Hz ~ 1 kHz. Standart silikon çelik transformatörler tipik olarak 50Hz'de çalışır. Daha yüksek frekanslar, silikon çeliğin Gauss derecesine bağlı olarak verimliliği artırabilirken, 20 kHz'i aşan ses uygulamaları pratik değildir. Tavsiye edilen aralık 50-60Hz olmakla birlikte 50-200Hz arasında normal şekilde çalışabilirler.

• Amorf Çekirdek Frekans Aralığı: 2 kHz ~ 13 kHz.