Yüksek Frekanslı Transformatör Hesapları

Şu sıralar yaşlı ve emekli bir elektronik mühendisi amcayla bu konular hakkında laboratuvarda bazı denemeler yapıyoruz. Bense yüksek mi yüksek mühendis olan bu amcaya çıraklık yaparken fabrika ayarlarıma dönemeye çalışıyorum.  Bu konu hakkında öğrendiğim bazı hesaplamaları ve püf noktaları paylaşmak istedim. Küçükken mıknatıslar ve bobinler, her çocuk kadar benim de çok hoşuma giden şeylerdendi. Ta ki okula gidene kadar. Okullarda bu konular hakkında bize empoze edilmeye çalışılanlar, işleri o kadar karmaşık hale getirmişti ki üniversiteye gidip bazı gerçeklerle yüzleşene kadar bu tür konuların mevzu bahis olması bile beni tedirgin eder hale gelmişti. Hatta üniversitede bile bu tür konulara hiç ilgi duymadım.

Öncelikle bir transformatör yaparken dikkat edilecek bazı kriterler vardır.  Güç, Sarım sayısı, Frekans ve kullanılan FerroManyetik Malzemenin manyetik geçirgenliği… Bir transformatör genel olarak A.C bir voltajı yükseltmek ve ya alçaltmak için kullanılır. Bunu yapabilmek için de elektromanyetik kuvvetler kullanılır. İdeal bir transformatör de birincil ve ikincil sarımlar ucundaki voltajlar sarım sayıları ile orantılıdır. Ve iki uç arasından görülen empedans değerleri ise sarım sayısı oranının karesiyle orantılıdır.

Eğer trafo idealse bu sonuçları yakalarız fakat gerçekte hiç bir transformatör ideal olmayacağı için elde edilen sonuçlar yukarıdaki hesaplamalara yakın olur. Burada amaç ideal bir transformatöre yaklaşmak olduğu için dikkat edilmesi gereken en önemli iki kriter, bobinlerin sarıldığı ferromanyetik malzeme ve uygulanan a.c dalganın şeklidir. Üçgen dalga en verimli sonucu verir. Çünkü üçgen dalga sürekli değişim halindedir. Sinüs dalga da verimlidir. Fakat kare dalga kullandığınız zaman elde edeceğiniz verim %60 ile %80 arasında değişir. Çünkü kare dalgada akım değişimi sadece voltajın ani değişimlerinden kaynaklanır bu yüzden de verim düşer. Bunun yanında ferromanyetik malzemenin özellikleri de çok önem arz ediyor.

Ferromanyetik malzemelere halk dilinde ferrit nüveler deniyor. Bununla ilgili şu sayfada güzel bilgiler mevcut. Bir göz atmanızda fayda var.  Ferrit nüveler ile alakalı olan önemli problem, ferrit nüvenin doyuma gitmesi olayıdır. Piyasada satılan ferrit nüvelerin hepsi farklı frekansta farklı güç aktarımlarını destekliyor.   Ferrit malzemelerin aynı bir kablo gibi taşıyabilecekleri maksimum manyetik akı yoğunlukları vardır.  Buna gauss deniyor.  Frekans, sarım sayısı ve aktarılmak istenen güç, direk olarak ferrit nüvenin gauss değerini ilgilendirir.  Eğer bir ferrit malzemeyi doyuma ulaştırırsanız yani kendi kapasitesinden daha büyük manyetik akı geçirmeye çalışırsanız çıkıştan elde edebileceğiniz güç de düşecektir.  Doğal olarak çalıştığınız frekans ve bobinlerinizin sarım sayısını kullandığınız ferrit nüvenin gauss değerine göre baz almanız gerekir.

 N: Sarım Sayısı (Tur)
Vin: Girilen Voltaj (Volt)
Fsw: Çalışma Frekansı(Hertz)
Ac: Nüve kesiti (cm2 )
Bmax : Çalışılan Manyetik Akı Yoğunluğu (Gauss)

Bu formülün her zaman geçerli olup olmadığını bilmiyorum ve sanmıyorum ama formülde gördüğünüz üzere Ac, Vin  değerleri sabit kaldığında sarım sayısının ve frekansın artması manyetik akı yoğunluğunu yani Gauss değerini düşürüyor.  Sanırım manyetik akı yoğunluğunun artması direk olarak akım ile alakalı olduğu için ve frekans, sarım sayısı akıma ter orantılı olduğu için oluşan gauss değerini de düşürüyor.

Sarım sayısının ve frekansın yüksek olması, voltaj düşümü gibi problemleri beraberinde getirebilir. Örneğin bir RL devre düşünelim. Bu devre, a.c bir sinyale karşı alçak geçiren analog filtre görevi görür.(z=jwl) Bu olay bobinin farklı frekanslara karşı gösterdiği farklı empedans değerinden kaynaklanır ve bobinin endüktans değeri arttıkça da empedası artar. Bir bobinin endüktans değeri, sarım sayısının  karesi ile orantılıdır.

Eğer yüksek frekans ve fazla sarım yaparsanız bobinlerinizin gösterdiği ohmik direnç artacaktır. Direncin arması bobin üzerine düşen voltajı arttırır. Bu yüzden çıkışa herhangi bir yük bağladığınızda voltajın büyük bir bölümü ikincil bobinin üzerinde oluşacağı için yük üzerine düşen voltaj oldukça düşecektir.

Yük üzerindeki voltajın düşüme uğramaması için Toplam endüktans değerinin  o frekansta gösterdiği ohmik direncin  yük direncinden oldukça küçük olması gerekir.

Eğer toplam empedans değeri ile yük değeri birbirine eşit olursa çıkış 0,7 =1/ kök-2   volt kadar yani %70  bir düşüme uğrar bu analog filtreler için standart kesim noktası kabul edilir.  Yani bobinin endüktans değerini çıkışa bağlayacağınız yük ile ilişkilendirmeniz gerekiyor.

Ayrıca düşük ve az sarım sayısında yaptığınızda ise bu sefer devre üzerinden geçen akım oldukça arttığı için devre, kısa devre gibi davranacaktır. Çünkü biliyoruz ki bobin ilk başta açık devre ve daha sonra kısa devre gibi davranır. Bu yüzden frekansın azalması ve ya bobibinin sarım sayısının çok azalması devreden geçen akımı oldukça arttıracak ve bu sefer kullandığınız mosfetlerde & bobininizde ısınma problemleri ile karşılaşıp güç veriminde düşmeler yaşayacaksınız. Bu yüzden şu formülü baz almamız gerekiyor.

Burada T uyguladığınız dalganın periyot süresinin yarısı ve I ise devreden geçen akımın bu süre zarfında ulaşacağı maksimum akım değeridir.  Bu yüzden birincil bobin tarafından görülen endüktans değerini ve frekansı belirlerken bu durumu da göz önünde bulundurmak gerekiyor. Zira mosfetleri yakma ve ya ortalığı dağıtma gibi bir durumunuz söz konusu olabilir.

Konuyu özetlersek, frekans ve sarım sayısını trafo yapımında optimum düzeyde tutmamız gerekiyor. Eğer sarım sayısı ve frekansı arttırırsak çıkışta voltaj düşümü olabilir. Eğer bu değerleri çok fazla azaltırsak ferrit nüvemiz doyabilir ve ya devremizden aşırı akım geçtiği için mosfetleri yakabiliriz.  Yanlış değindiğim noktalar olduysa bana bildirmenizi önemle rica ederim. İyi çalışmalar.