AYT Fizik Transformatörler Konu Anlatımı

Transformatörler

Transformatörler, alternatif gerilimin büyüklüğünü elektromanyetik indüksiyon yoluyla değiştiren elektrik araçlarıdır. AYT Fizik’te ideal transformatör bağıntıları, sarım sayısı-gerilim ilişkisi, akım dönüşümü, güç korunumu, yükseltici ve alçaltıcı transformatörler, verim ve enerji iletimindeki rol temel başlıklardır.

Bu konunun sonunda bir öğrencinin:

• transformatörün çalışma ilkesini açıklayabilmesi,
• primer ve sekonder sargıları ayırt edebilmesi,
• sarım sayısı ile gerilim arasındaki ilişkiyi kullanabilmesi,
• primer ve sekonder akımlarını ilişkilendirebilmesi,
• ideal transformatörde güç korunumu uygulayabilmesi,
• yükseltici ve alçaltıcı transformatörleri belirleyebilmesi,
• frekansın transformatörde nasıl davrandığını açıklayabilmesi,
• doğru akımın neden ideal transformatörde sürekli dönüşüm oluşturmadığını açıklayabilmesi,
• gerçek transformatörlerde verim hesaplayabilmesi,
• enerji iletiminde yüksek gerilimin neden kullanıldığını yorumlayabilmesi,
• sarım oranı ve yük değişimlerini birlikte analiz edebilmesi

gerekir.

Transformatör Nedir?

Alternatif gerilimin büyüklüğünü değiştirmek için kullanılan ve elektromanyetik indüksiyon ilkesine göre çalışan elektrik aracına transformatör denir.

Temel parçaları:

• primer sargı,
• sekonder sargı,
• ortak manyetik çekirdektir.

Primer ve Sekonder

Enerji kaynağına bağlanan sargıya primer sargı denir.

Yükün bağlandığı sargıya sekonder sargı denir.

Çalışma İlkesi

Primer sargıdan alternatif akım geçtiğinde çekirdekte değişen manyetik akı oluşur.

Bu değişen manyetik akı sekonder sargıdan da geçer.

Faraday Yasası gereği sekonderde indüksiyon emk’si oluşur.

Sarım Sayısı ve Gerilim

İdeal transformatörde sargı gerilimleri sarım sayılarıyla doğru orantılıdır.

**Vp/Vs = Np/Ns**

veya:

**Vs/Vp = Ns/Np**

Yükseltici Transformatör

Sekonder sarım sayısı primerden büyükse:

**Ns > Np**

olur.

Bu durumda:

**Vs > Vp**

ve transformatör gerilimi yükseltir.

Buna yükseltici transformatör denir.

Alçaltıcı Transformatör

Sekonder sarım sayısı primerden küçükse:

**Ns < Np**

olur.

Bu durumda:

**Vs < Vp**

ve transformatör gerilimi düşürür.

Buna alçaltıcı transformatör denir.

İdeal Transformatörde Güç

İdeal transformatörde enerji kaybı olmadığı kabul edilir.

Bu nedenle:

**Pp = Ps**

ve:

**VpIp = VsIs**

olur.

Akım Dönüşümü

Güç korunumu ve gerilim-sarım bağıntıları birlikte kullanıldığında:

**Ip/Is = Ns/Np**

elde edilir.

Başka bir ifadeyle akım, sarım sayısıyla ters davranır.

Yükseltici Transformatörde Akım

Yükseltici transformatörde:

• Vs > Vp,
• Is < Ip

olur.

İdeal durumda güç korunur.

Alçaltıcı Transformatörde Akım

Alçaltıcı transformatörde:

• Vs < Vp,
• Is > Ip

olur.

Sarım Oranı

Transformatörün dönüşüm oranı:

**n = Ns/Np**

şeklinde tanımlanabilir.

Bu durumda:

**Vs = nVp**

ve:

**Is = Ip/n**

olur.

Frekans

İdeal transformatör, alternatif gerilimin:

• büyüklüğünü değiştirebilir,
• frekansını değiştirmez.

Primer ve sekonder gerilimlerinin frekansları aynıdır.

Neden Alternatif Akım?

Transformatörün çalışması için değişen manyetik akı gerekir.

Alternatif akım sürekli değişen manyetik alan ve manyetik akı oluşturur.

Kararlı doğru akımda ilk geçiş anı dışında akım sabit olduğundan çekirdekteki manyetik akı da sabit hale gelir.

Bu nedenle sekonderde sürekli indüksiyon emk’si oluşmaz.

İdeal Transformatör ve Enerji Korunumu

İdeal modelde:

• bakır kayıpları yoktur,
• çekirdek kayıpları yoktur,
• kaçak manyetik akı yoktur.

Bu nedenle giriş gücü çıkış gücüne eşittir.

Gerçek Transformatör

Gerçek transformatörlerde bazı enerji kayıpları vardır.

Bunlar arasında:

• sargıların direncinden kaynaklanan Joule ısısı,
• girdap akımı kayıpları,
• histerezis kayıpları,
• kaçak manyetik akı

bulunabilir.

Verim

Transformatör verimi:

**η = Pçıkış/Pgiriş**

ve yüzde olarak:

**η% = 100·Pçıkış/Pgiriş**

ile bulunur.

Gerçek transformatörde:

**η < 1**

olur.

Bakır Kayıpları

Sargıların elektriksel direnci nedeniyle:

**P_kayıp = I²R**

biçiminde Joule ısısı oluşur.

Akım büyükse bu kayıp artar.

Girdap Akımları

Değişen manyetik akı, çekirdeğin içinde kapalı akımlar oluşturabilir.

Bu girdap akımları çekirdeği ısıtır.

Kayıpları azaltmak için çekirdek ince, birbirinden yalıtılmış levhalardan yapılabilir.

Histerezis Kaybı

Çekirdeğin sürekli mıknatıslanıp yön değiştirmesi sırasında enerji kaybı olabilir.

Uygun yumuşak manyetik malzemeler kullanmak bu kaybı azaltabilir.

Enerji İletiminde Transformatör

Elektrik enerjisi uzun mesafelere taşınırken gerilim yükseltilir.

Aynı güç için:

**P = VI**

olduğundan gerilim artırılırsa akım azalır.

Hatlardaki ısı kaybı:

**P_kayıp = I²R**

olduğundan akımın azalması kaybı büyük ölçüde azaltır.

İletim Sonunda Gerilimin Düşürülmesi

Yüksek gerilimle iletilen elektrik enerjisi kullanım bölgelerinde alçaltıcı transformatörlerle daha düşük ve uygun gerilimlere dönüştürülür.

Yük Bağlanması ve Sekonder Akımı

Sekondere yük bağlandığında sekonder akımı yükün özelliklerine göre belirlenir.

İdeal transformatörde çekilen sekonder gücüne karşılık primer kaynaktan uygun güç çekilir.

Yük Direnci ve Sekonder Akımı

Sekondere direnç R bağlanmışsa:

**Is = Vs/R**

kullanılabilir.

Ardından ideal güç bağıntısıyla primer akımı bulunabilir.

Yük Direncinin Primere Yansıması

İdeal transformatörde sekondere bağlı direnç primer tarafından farklı bir eşdeğer direnç gibi görülebilir.

Temel AYT çözümünde çoğunlukla:

• önce Vs bulunur,
• sonra Is hesaplanır,
• güç korunumu ile Ip elde edilir.

Açık Devre Sekonder

Sekonder açık devre ise ideal durumda sekonderden akım geçmez.

Buna rağmen değişen manyetik akı nedeniyle sekonder uçlarında gerilim oluşabilir.

Kısa Devre Durumu

Sekonderin çok küçük dirençle kısa devre edilmesi çok büyük akımlara yol açabilir.

Gerçek sistemlerde bu durum tehlikeli olabilir.

Sarım Sayısı Değişirse

Primer gerilimi sabitken Ns artırılırsa:

**Vs artar.**

Np artırılırsa:

**Vs azalır.**

Bu sonuç doğrudan:

**Vs/Vp=Ns/Np**

bağıntısından gelir.

Primer Gerilimi Değişirse

Sarım oranı sabitken primer gerilimi iki katına çıkarılırsa sekonder gerilimi de iki katına çıkar.

İdeal Transformatörde Akım Oranı

Örneğin:

**Ns/Np = 4**

ise:

**Vs = 4Vp**

ve:

**Is = Ip/4**

olur.

Bu nedenle yükseltici transformatör aynı zamanda akımı düşürücü etki gösterir.

Güç ve Enerji

İdeal transformatör güç üretmez.

Sadece:

• gerilim,
• akım

değerlerini karşılıklı olarak dönüştürür.

Toplam enerji ideal modelde korunur.

Transformatör ve Jeneratör Farkı

Jeneratör mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür.

Transformatör ise elektrik enerjisini elektrik enerjisi olarak aktarırken gerilim-akım değerlerini değiştirir.

Her ikisinin temelinde elektromanyetik indüksiyon bulunabilir.

Sık Karıştırılan Noktalar

1. Primer kaynak tarafıdır, sekonder yük tarafıdır.
2. Transformatör elektromanyetik indüksiyonla çalışır.
3. Vp/Vs=Np/Ns’dir.
4. Sarım sayısı büyük olan tarafta gerilim daha büyüktür.
5. Yükselticide Ns>Np’dir.
6. Alçaltıcıda Ns<Np’dir.
7. İdeal transformatörde giriş ve çıkış güçleri eşittir.
8. Gerilim yükselirse akım azalır.
9. Gerilim düşerse akım artar.
10. Primer ve sekonder frekansları aynıdır.
11. Kararlı DC ideal transformatörde sürekli dönüşüm oluşturmaz.
12. Gerçek transformatörde verim %100’den küçüktür.
13. Lamine çekirdek girdap akımı kaybını azaltır.
14. Yüksek gerilimle enerji iletimi I²R kayıplarını azaltır.
15. Açık sekonderde gerilim olabilir ancak akım sıfırdır.

Soru Çözerken Kullanılabilecek Yaklaşım

1. Primer ve sekonderi belirle.
2. Sarım sayılarını yaz.
3. Vp/Vs=Np/Ns ile bilinmeyen gerilimi bul.
4. Yükseltici mi alçaltıcı mı olduğunu kontrol et.
5. İdeal ise VpIp=VsIs kullan.
6. Yük direnci verilmişse Is=Vs/R ile sekonder akımını bul.
7. Ardından primer akımını güç korunumu ile hesapla.
8. Gerçek transformatörde verimi hesaba kat.
9. Frekans sorusunda primer ve sekonderin aynı frekansta olduğunu kullan.
10. Enerji iletimi sorusunda P=VI ve Pkayıp=I²R ilişkilerini birlikte düşün.
11. Açık devre sekonderde akım olmadığını unutma.
12. Sonucun gerilim-akım ters dönüşümüne uyup uymadığını kontrol et.

Konu Özeti

• Transformatör elektromanyetik indüksiyonla çalışır.
• Vp/Vs=Np/Ns’dir.
• Ns>Np ise yükseltici, Ns<Np ise alçaltıcıdır.
• İdeal transformatörde VpIp=VsIs’dir.
• Gerilim ve akım ters yönde dönüşür.
• Primer ve sekonder frekansları aynıdır.
• Kararlı DC ile sürekli transformatör etkisi oluşmaz.
• Gerçek transformatörde η=Pçıkış/Pgiriş’tir.
• Bakır, girdap akımı, histerezis ve kaçak akı kayıpları olabilir.
• Lamine çekirdek girdap akımı kayıplarını azaltır.
• Enerji iletiminde gerilim yükseltilerek akım ve I²R kaybı azaltılır.
• Açık sekonderde gerilim olabilir fakat akım yoktur.