Transformatörler: Çalışma İlkesi, Sarım Sayısı ve Gerilim-Akım İlişkisi

Transformatörün tanımı ve kullanım amacı

Transformatör, alternatif akımın gerilimini yükselten, düşüren veya uygun bir değerde tutan iki sargılı bir elektrik devresi elemanıdır. Temel amacı, elektrik enerjisinin gerilim değerini cihazın ya da iletim hattının ihtiyacına göre değiştirmektir. Gerilim değişirken enerji aktarımının nasıl sürdüğü, sargıların sarım sayıları ve devredeki akım değerleri arasındaki ilişkiyle açıklanır.

Bir transformatörde iki bobin, genellikle manyetik alanı yönlendiren ortak bir demir çekirdek üzerine yerleştirilir. Giriş gerilimi bir bobine uygulandığında bu bobin çekirdekte değişen bir manyetik alan oluşturur. Bu değişim diğer bobinde bir gerilim meydana getirir; böylece girişteki elektriksel büyüklük, çıkışta farklı bir gerilim olarak elde edilir. Örneğin telefon ve dizüstü bilgisayar adaptörlerinde şebekedeki yüksek gerilim, cihazın kullanabileceği daha düşük bir gerilime dönüştürülür. Küçük elektronik cihazlarda kullanılan çıkış gerilimleri çoğunlukla 3-12 V aralığındadır.

Transformatörler yalnızca cihazları beslemek için değil, elektrik enerjisinin dağıtımını düzenlemek için de kullanılır. Elektrik santralinden çıkan gerilim uzak mesafelere gönderilirken yükseltilir; yerleşim bölgelerine ve evlere yaklaşırken düşürülür. Böylece aynı güç daha küçük akımla taşınabilir ve iletim hatlarındaki ısınma azalır.

Transformatörün çalışma ilkesi

Transformatörün çalışma temeli, alternatif akımın oluşturduğu değişken manyetik alanın başka bir bobinde gerilim oluşturmasıdır. Primer sargıya alternatif gerilim uygulandığında primerden geçen akım zamanla değişir. Bu akım, demir çekirdek içinde değişen bir manyetik akı meydana getirir. Çekirdek manyetik alanı büyük ölçüde toplar ve sekonder sargıya taşır. Sekonder sargıdaki manyetik akı değişimi, bu sargının uçları arasında alternatif bir gerilim oluşturur.

Bu nedenle transformatörün çalışması için girişin değişken olması gerekir. Doğru akımda ilk geçişten sonra manyetik alan sabit kalacağından sekonderde sürekli bir çıkış gerilimi oluşmaz. Alternatif akımda ise akım ve manyetik akı sürekli değiştiği için sekonderde sürekli olarak yön değiştiren bir gerilim indüklenir. Bir bobindeki akım değişiminin yakındaki başka bir bobinde gerilim oluşturmasına karşılıklı indüksiyon denir; transformatör bu olaya dayanır.

Örneğin bir adaptörde şebekeden gelen alternatif gerilim primer sargıya uygulanır. Primerin oluşturduğu değişken manyetik alan çekirdek üzerinden sekondere ulaşır ve sekonder uçlarında daha düşük bir alternatif gerilim oluşturur. Sekonder sargıdaki sarım sayısı primerden azsa gerilim düşer; fazla ise gerilim yükselir.

Primer ve sekonder sargılar

Primer sargı, transformatöre giriş geriliminin uygulandığı bobindir. Sekonder sargı ise transformatörün dönüştürülmüş çıkış geriliminin alındığı bobindir. Normal kullanımda kaynak primer sargıya bağlanır, yük ise sekonder sargıya bağlanır. Bu iki sargı elektriksel olarak doğrudan birbirine bağlı olmak zorunda değildir; enerji, çekirdekte oluşan değişken manyetik alan aracılığıyla aktarılır.

Sargıların görevleri, sarım sayılarıyla birlikte düşünülmelidir. Primerdeki değişken akım çekirdekte manyetik alan oluşturur. Sekonderin bu değişen alanı kesen sarım sayısı, sekonderde oluşan gerilimin değerini etkiler. Örneğin 200 sarımlı primer ve 120 sarımlı sekonder, girişe göre daha düşük çıkış gerilimi verir. Buna karşılık sekonderdeki sarım sayısı primerden çoksa çıkış gerilimi girişten büyük olur. Bir transformatörün giriş ve çıkış taraflarını ayırt ederken yalnızca bobinin fiziksel konumuna değil, devredeki bağlantısına da bakılır.

Sarım sayısı ile gerilim arasındaki ilişki

İdeal transformatörde primer ve sekonder gerilimlerinin oranı, bu sargılardaki sarım sayılarının oranına eşittir. Temel bağıntı şöyledir:

Vsekonder / Vprimer = Nsekonder / Nprimer

Burada V gerilimi, N ise sargının sarım sayısını gösterir. Bu bağıntının nedeni, aynı çekirdekteki değişken manyetik akının iki sargıyı da etkilemesidir. Bir sarımın oluşturduğu indüklenmiş gerilim, manyetik akının değişimine bağlıdır; sarım sayısı arttıkça toplam indüklenmiş gerilim de artar. İki sargı aynı değişken manyetik akıyı paylaştığı için gerilimlerin oranı sarım sayılarının oranıyla belirlenir.

Sekonder sarım sayısı primerden büyükse sekonder gerilimi primerden büyük olur ve transformatör yükseltici olarak çalışır. Sekonder sarım sayısı daha küçükse çıkış gerilimi azalır ve transformatör düşürücü olur. Sarım sayıları eşitse ideal durumda giriş ve çıkış gerilimleri eşittir.

Örnek olarak 120 V girişli, primeri 200 sarım olan düşürücü bir transformatörün çıkışı 15 V ise sekonder sarım sayısı şu şekilde bulunur:

Nsekonder = Nprimer x Vsekonder / Vprimer Nsekonder = 200 x 15 / 120 = 25 sarım

Yani 15 V çıkış elde etmek için sekonderde 25 sarım bulunmalıdır. Başka bir örnekte 120 V gerilimin 100 kV'a yükseltildiği bir röntgen cihazında 50 sarımlı primer için ideal hesapla sekonder sarım sayısı yaklaşık 41.667 sarımdır. Bu sonuç, çok büyük bir gerilim artışının çok daha fazla sekonder sarımı gerektirdiğini gösterir.

İdeal transformatörde akım ve güç ilişkisi

İdeal transformatörde enerji kaybı olmadığı kabul edilir ve giriş gücü çıkış gücüne eşit alınır. Elektriksel güç P = V x I olduğuna göre temel ilişki şöyledir:

Pprimer = Psekonder Vprimer x Iprimer = Vsekonder x Isekonder

Buradan akım oranı elde edilir:

Isekonder / Iprimer = Vprimer / Vsekonder

Bu bağıntı, gerilim ile akımın ters yönde değiştiğini gösterir. Gerilim yükseltilirse aynı gücü korumak için akım azalır; gerilim düşürülürse akım artar. Örneğin 120 V girişten 15 V çıkış veren ideal bir transformatörde sekonder akımı 16 A ise giriş akımı 2 A olur. Çünkü giriş gücü 120 x 2 = 240 W, çıkış gücü ise 15 x 16 = 240 W'tır.

Bu hesap ideal model içindir. Gerçek transformatörlerde sargıların ısınması ve çekirdekteki kayıplar nedeniyle çıkış gücü giriş gücünden biraz küçüktür; verim, yani Pçıkış / Pgiriş oranı %100’ün altında kalır. Soruda aksi belirtilmedikçe transformatör ideal kabul edilir ve giriş ile çıkış güçleri eşit alınır. Akım yönündeki değişimi kontrol etmek için gerilim oranı ile akım oranının ters orantılı olması gerektiği unutulmamalıdır.

Yükseltici ve düşürücü transformatörler

Yükseltici transformatör, sekonder sargısında primerden daha yüksek gerilim oluşturan transformatördür. Bunun için sekonder sarım sayısı primer sarım sayısından fazla olmalıdır: Nsekonder > Nprimer. İdeal durumda gerilim yükselirken sekonder akımı azalır. Bu tür transformatörler, elektrik enerjisinin uzak mesafelere iletiminde yüksek gerilim ve düşük akım elde etmek için kullanılır.

Düşürücü transformatörde ise sekonder sarım sayısı primerden azdır: Nsekonder < Nprimer. Böylece çıkış gerilimi girişten düşük, çıkış akımı ise ideal durumda giriş akımından büyük olur. Telefon adaptörleri ve çeşitli güç kaynakları, yüksek giriş gerilimini elektronik devrelerin kullanabileceği daha düşük bir değere dönüştürmek için düşürücü transformatörlerden yararlanabilir.

Örneğin 120 V girişin 100 kV çıkışa dönüştürüldüğü röntgen cihazı yükseltici transformatöre örnektir. 120 V girişten 15 V çıkış alınan bir pil şarj düzeni ise düşürücü transformatör örneğidir.

Transformatörlerin enerji iletimindeki kullanım amacı

Elektrik enerjisi uzak mesafelere gönderilirken yükseltici transformatörle gerilim artırılır ve akım azaltılır. Hat direnci nedeniyle oluşan ısınma akımın karesiyle ilişkili olduğundan, küçük akım iletimdeki kayıpları azaltır. Tüketiciye yaklaşınca düşürücü transformatörlerle gerilim ev ve iş yerlerinin kullanımına uygun değerlere indirilir.