Transformatörler Konu Anlatımı

Transformatörler

Elektrikli cihazların çalışması için gereken gerilim değerleri aynı değildir. Bir ülkede kullanılan şebeke gerilimi ile başka bir ülkedeki şebeke gerilimi farklı olabildiği gibi, aynı şebekeye bağlanan cihazların ihtiyaç duyduğu gerilimler de farklı olabilir. Bu nedenle alternatif gerilimin uygun değere yükseltilmesi veya alçaltılması gerekir.

MEB 11. Sınıf Fizik ders kitabında transformatörler; yapıları, çalışma ilkeleri, birincil ve ikincil bobinler, sarım sayısı-gerilim-akım ilişkileri, ideal ve ideal olmayan transformatörler, verim, yükseltici ve alçaltıcı transformatörler ile elektrik enerjisinin iletimindeki görevleri üzerinden ele alınır.

Transformatörün Yapısı

Transformatörlerde etrafı yalıtkan tabakayla kaplı birden fazla bobin, demir çekirdeğin farklı kısımlarına sarılır.

Temel yapı:

• birincil (primer) bobin,
• ikincil (sekonder) bobin,
• demir çekirdekten

oluşur.

Demir çekirdek, birincil bobinde oluşan değişen manyetik akının ikincil bobine taşınmasına yardımcı olur.

Birincil Bobin

Alternatif akım kaynağına bağlanan bobine **birincil (primer) bobin** denir.

Birincil bobinin:

• sarım sayısı: Np,
• gerilimi: Vp,
• akımı: ip

ile gösterilir.

Birincil bobinden alternatif akım geçtiğinde demir çekirdekte değişen manyetik akı oluşur.

İkincil Bobin

Birincil bobinin oluşturduğu değişen manyetik akı demir çekirdek üzerinden diğer bobine taşınır.

Manyetik akı değişimi sonucunda indüksiyon gerilimi oluşan bobine **ikincil (sekonder) bobin** denir.

İkincil bobinin:

• sarım sayısı: Ns,
• gerilimi: Vs,
• akımı: is

ile gösterilir.

İkincil bobine yük bağlanarak dönüştürülmüş gerilim ve akımdan yararlanılır.

Transformatörün Çalışma İlkesi

Birincil bobine alternatif gerilim uygulandığında bobinden değişen akım geçer.

Bu değişen akım:

1. demir çekirdekte değişen manyetik alan oluşturur,
2. buna bağlı olarak değişen manyetik akı meydana getirir,
3. manyetik akı demir çekirdek üzerinden ikincil bobine taşınır,
4. ikincil bobinde Faraday Yasası gereği indüksiyon gerilimi oluşur.

Transformatör Neden Doğru Akımla Çalışmaz?

Birincil bobin doğru akım kaynağına bağlandığında kararlı durumda akım değişmez.

Akım değişmediğinde oluşturduğu manyetik akı da zamanla değişmez.

Faraday Yasasına göre indüksiyon gerilimi oluşması için manyetik akı değişimi gerektiğinden, ikincil bobinde sürekli bir indüksiyon gerilimi elde edilemez.

Bu nedenle transformatörler doğru akımla sürekli çalışmaz.

Faraday Yasası ve Birincil Gerilim

Birincil bobindeki gerilim Faraday Yasası ile:

**Vp = -Np · ΔΦ/Δt**

biçiminde ifade edilir.

Burada:

• Np: birincil sarım sayısı,
• ΔΦ: manyetik akı değişimi,
• Δt: değişimin gerçekleştiği süredir.

Gerilimin büyüklüğü, sarım sayısı ve akı değişim hızıyla ilişkilidir.

Faraday Yasası ve İkincil Gerilim

İkincil bobindeki indüksiyon gerilimi:

**Vs = -Ns · ΔΦ/Δt**

olarak yazılır.

İdeal transformatörde birincil ve ikincil bobinlerden geçen manyetik akı değişimlerinin eşit olduğu kabul edilir.

Bu nedenle iki gerilim bağıntısı oranlandığında sarım-gerilim ilişkisi elde edilir.

Sarım Sayısı ve Gerilim İlişkisi

İdeal transformatörde:

**Vp/Vs = Np/Ns**

bağıntısı geçerlidir.

Bu bağıntıya göre:

• sarım sayısı fazla olan bobinin gerilimi daha büyüktür,
• sarım sayısı az olan bobinin gerilimi daha küçüktür.

Yükseltici Transformatör

Bir transformatörde:

**Np < Ns**

ise:

**Vp < Vs**

olur.

İkincil gerilim birincil gerilimden büyük olduğundan bu tür transformatöre **yükseltici transformatör** denir.

Yükseltici transformatörde ikincil bobinin sarım sayısı daha fazladır.

Alçaltıcı Transformatör

Bir transformatörde:

**Np > Ns**

ise:

**Vp > Vs**

olur.

İkincil gerilim birincil gerilimden küçük olduğundan bu tür transformatöre **alçaltıcı transformatör** denir.

Alçaltıcı transformatörde ikincil bobinin sarım sayısı daha azdır.

İdeal Transformatör

Gerçek transformatörlerde çalışırken ısınma ve manyetik akının aktarılması sırasında çeşitli enerji kayıpları oluşabilir.

Bu enerji kayıplarının ihmal edildiği transformatörlere **ideal transformatör** denir.

İdeal transformatörde:

**Pp = Ps**

kabul edilir.

Burada:

• Pp: birincil güç,
• Ps: ikincil güçtür.

Güç, Gerilim ve Akım İlişkisi

Elektriksel güç:

**P = V · i**

olduğundan ideal transformatörde:

**Vp · ip = Vs · is**

yazılır.

Bu bağıntı, gerilim yükselirken akımın azalması; gerilim düşerken akımın artması gerektiğini gösterir.

Çünkü ideal durumda giriş ve çıkış güçleri eşittir.

Gerilim, Akım ve Sarım Sayısı Arasındaki Birleşik İlişki

İdeal transformatör için:

**Vp/Vs = is/ip = Np/Ns**

bağıntısı kullanılır.

Buradan:

• gerilim ile sarım sayısı doğru orantılı,
• akım ise gerilim değişimine ters yönde

davranır.

Yükseltici Transformatörde Akım

Yükseltici transformatörde:

**Vs > Vp**

olur.

İdeal güç korunacağı için:

**is < ip**

olmalıdır.

Yani gerilim yükseltilirken akım düşer.

Alçaltıcı Transformatörde Akım

Alçaltıcı transformatörde:

**Vs < Vp**

olur.

İdeal durumda:

**is > ip**

olur.

Yani gerilim düşürülürken akım artar.

Transformatör Verimi

Gerçek transformatörlerde giriş gücünün tamamı çıkışa aktarılamaz.

Verim:

**Verim = Alınan güç / Verilen güç**

biçiminde tanımlanır.

Transformatör için:

**Verim = Ps/Pp**

ve gerilim-akım cinsinden:

**Verim = Vs·is / (Vp·ip)**

olarak yazılır.

Yüzde verim için sonuç 100 ile çarpılır:

**Verim(%) = 100 · Ps/Pp**

İdeal transformatörde verim:

**%100**

kabul edilir.

İdeal Olmayan Transformatör

Gerçek transformatörde enerji kayıpları vardır.

Bu nedenle:

**Pp > Ps**

olur.

Verim de %100'den küçüktür.

Kaybedilen güç:

**Pkayıp = Pp - Ps**

olarak değerlendirilebilir.

Kitap, kayıpların transformatörün ısınması ve manyetik akının çekirdek üzerinden iletilmesi sırasında oluşabileceğini belirtir.

Enerji İletiminde Neden Yüksek Gerilim Kullanılır?

Elektrik santrallerinde üretilen enerji uzun iletim hatlarıyla kullanım bölgelerine taşınır.

İletim tellerinde enerjinin bir kısmı ısıya dönüşür.

Tellerde harcanan güç:

**Pkayıp = i² · R**

bağıntısıyla modellenir.

Bu bağıntıya göre akım küçültülürse enerji kaybı büyük ölçüde azalır.

Sabit Güçte Gerilim-Akım İlişkisi

Santralde üretilen elektriksel güç için:

**P = V · i**

bağıntısı kullanılır.

Üretilen güç sabit kabul edilirse akımı azaltmanın yolu gerilimi yükseltmektir.

Gerilim yükselince:

• aynı güç daha düşük akımla taşınır,
• i²R kaybı azalır.

Bu nedenle enerji santralinin hemen yanında yükseltici transformatör kullanılır.

Enerji İletim Sistemindeki Transformatörler

MEB kitabındaki modelde üç transformatör bulunur:

**K transformatörü**

• enerji santralinin yanında bulunur,
• gerilimi yüz binlerce volta kadar yükseltir,
• akımı azaltır,
• iletim kaybını azaltmaya yardımcı olur,
• yükseltici transformatördür.

**L transformatörü**

• kullanım alanlarına yaklaşırken yüksek gerilimi birkaç bin volt düzeyine düşürür,
• alçaltıcı transformatördür.

**M transformatörü**

• gerilimi son kez düşürerek yaklaşık şebeke gerilimine getirir,
• alçaltıcı transformatördür.

Şarj Aletleri

Cep telefonu ve dizüstü bilgisayar gibi birçok cihaz, şebeke geriliminden daha düşük gerilimle çalışır.

Bu nedenle şarj aletlerinde alçaltıcı transformatör kullanılabilir.

Örneğin 220 V şebeke gerilimiyle 20 V çalışan bir dizüstü bilgisayar için:

**Np/Ns = Vp/Vs = 220/20 = 11**

olur.

Birincil sarım sayısı ikincil sarım sayısının yaklaşık 11 katıdır.

Elektrik Arkı Kaynak Makineleri

Elektrik arkı kaynak makinelerinde yüksek gerilim, daha düşük gerilim ve yüksek akıma dönüştürülür.

Kitapta yaklaşık:

• 20 V-80 V gerilim,
• 50 A-400 A akım

değerlerinden söz edilir.

Örneğin:

**Ns/Np = 1/5**

olan ideal transformatör 230 V kaynağa bağlanırsa:

**Vs = 230 · 1/5 = 46 V**

olur.

400 V kaynağa bağlı aynı ideal transformatörde primer akım 15 A ise:

**Vp/Vs = 5**

ve:

**is/ip = 5**

olduğundan:

**is = 75 A**

bulunur.

Elektrikli Araç Şarj İstasyonları

Transformatörler, şebeke gerilimini şarj istasyonunun ihtiyaç duyduğu seviyeye getirmek için kullanılabilir.

Örneğin:

• 15 000 V şebekeden 400 V çalışan istasyona geçişte alçaltıcı,
• 230 V kaynaktan 400 V çalışan sisteme geçişte yükseltici

transformatör gerekir.

230 V çalışan istasyon 11 000 V şebekeye bağlanıyorsa:

**Np > Ns**

olmalıdır.

Mikrodalga Fırın Örneği

Türkiye'deki bazı mikrodalga fırınlarda transformatör, yaklaşık 220 V şebeke gerilimini magnetron için gerekli daha yüksek gerilime çıkarır.

Kitaptaki örnekte:

**Vp = 220 V**

**Vs = 2200 V**

olduğundan:

**Ns/Np = 2200/220 = 10**

bulunur.

İdeal transformatörde ikincil güç 1000 W ise:

**Pp = Ps = 1000 W**

olur.

Ayrıca:

**Vp/Vs = is/ip = 1/10**

olduğundan:

**ip/is = 10**

ilişkisi vardır.

Ardışık Bağlı Transformatörler

Bir transformatörün ikincil çıkışı başka bir transformatörün primerine bağlanabilir.

Bu durumda ilk transformatörün çıkış gerilimi ikinci transformatörün giriş gerilimi olur.

Kitaptaki örneğe göre:

X transformatörü:

• Np = 9N,
• Ns = 7N,
• Vp = 270 V.

X'in çıkışı:

**Vs = 270 · 7/9 = 210 V**

olur.

Bu gerilim Y transformatörünün primerine uygulanır.

Y transformatörü:

• Np = N,
• Ns = 8N.

Y'nin çıkışı:

**Vs = 210 · 8 = 1680 V**

olur.

Sarım Sayısının Değiştirilmesi

İdeal transformatörde:

**Vs = Vp · Ns/Np**

olduğundan birincil gerilim sabitken:

• Ns artırılırsa Vs artar,
• Ns azaltılırsa Vs azalır,
• Np azaltılırsa Vs artar,
• Np artırılırsa Vs azalır.

Bu ilişki transformatör tasarımında istenen çıkış gerilimini ayarlamak için kullanılır.

Yüke Bağlı Akım

Kitaptaki sanal laboratuvar etkinliğinde ikincil bobine R direncine sahip bir lamba bağlanır.

Birincil gerilim sabitken:

• Ns artırılırsa ikincil gerilim artar ve lambanın parlaklığı artabilir,
• Np azaltılırsa ikincil gerilim artar ve lambanın parlaklığı artabilir,
• lambanın direnci artırılırsa ikincil akım azalır.

Bu gözlemler, transformatör oranları ile yüke aktarılan gerilim ve akım arasındaki ilişkiyi anlamaya yardımcı olur.

Transformatörlerin Kullanım Alanları

MEB kitabında transformatörlerin kullanıldığı çeşitli alanlar örneklenir.

Alçaltıcı transformatör:

• cep telefonu şarj aletleri,
• dizüstü bilgisayar şarj aletleri

gibi şebeke geriliminden daha düşük gerilim isteyen sistemlerde kullanılabilir.

Yükseltici transformatör:

• enerji üretim santralleri,
• eski tip CRT televizyonlar,
• bazı mikrodalga fırınlar,
• bazı elektrikli araç şarj istasyonları,
• floresan lambalar,
• bazı indüksiyon ocakları

gibi daha yüksek gerilim gereken sistemlerde bulunabilir.

Sık Karıştırılan Noktalar

• Transformatör alternatif gerilimin büyüklüğünü değiştirir.
• Primer bobin alternatif akım kaynağına bağlıdır.
• Sekonder bobinde değişen manyetik akı nedeniyle indüksiyon gerilimi oluşur.
• Kararlı doğru akım sürekli değişen manyetik akı oluşturmadığı için transformatör sürekli çalışmaz.
• Gerilim oranı sarım sayısı oranına eşittir.
• Yükselticide Ns>Np ve Vs>Vp olur.
• Alçaltıcıda Ns<Np ve Vs<Vp olur.
• İdeal transformatörde giriş ve çıkış güçleri eşittir.
• Gerilim yükselirken ideal durumda akım azalır.
• Gerilim düşerken ideal durumda akım artar.
• Gerçek transformatörde Pp>Ps olur.
• Verim Ps/Pp oranıdır.
• İletim kaybı i²R ile değişir.
• Aynı güçte gerilim yükseltilirse akım azalır.
• Enerji iletiminde yüksek gerilim kullanılmasının amacı hat kaybını azaltmaktır.

Soru Çözerken Kullanılabilecek Yaklaşım

1. Primer ve sekonder tarafını doğru belirle.
2. Verilen sarım sayılarını Np ve Ns olarak yaz.
3. Verilen gerilimleri Vp ve Vs olarak yerleştir.
4. Gerilim-sarım sorularında Vp/Vs=Np/Ns kullan.
5. İdeal güç sorularında Vp·ip=Vs·is kullan.
6. Gerekirse Vp/Vs=is/ip=Np/Ns birleşik oranından yararlan.
7. Ns>Np ise yükseltici, Ns<Np ise alçaltıcı olduğunu kontrol et.
8. Gerilim yükselirken ideal durumda akımın azalacağını unutma.
9. Gerçek transformatörde verimi Ps/Pp ile hesapla.
10. Yüzde verimde sonucu 100 ile çarp.
11. İletim kaybı sorularında Pkayıp=i²R kullan.
12. Sabit güçte P=Vi bağıntısıyla gerilim-akım ilişkisini değerlendir.
13. Ardışık transformatörlerde ilk çıkışı ikinci giriş olarak kullan.
14. Doğru akım sorularında değişen manyetik akı koşulunu kontrol et.
15. Sonucun transformatörün yükseltici mi alçaltıcı mı olduğuyla uyumlu olup olmadığını denetle.

Konu Özeti

Transformatörler alternatif gerilimi elektromanyetik indüksiyon yoluyla yükselten veya alçaltan elektrik araçlarıdır. Primer bobindeki alternatif akım demir çekirdekte değişen manyetik akı oluşturur ve bu akı sekonder bobinde indüksiyon gerilimi meydana getirir. İdeal transformatörde Vp/Vs=Np/Ns ve Vp·ip=Vs·is bağıntıları kullanılır. Buna göre Vp/Vs=is/ip=Np/Ns olur. Ns>Np olan transformatör yükseltici, Ns<Np olan transformatör alçaltıcıdır. Gerçek transformatörlerde enerji kaybı vardır ve verim Ps/Pp oranıyla bulunur. Elektrik enerjisinin iletiminde gerilim yükseltilerek akım azaltılır ve i²R kaybı düşürülür.

Konuyu Bitirdiğinde Bunları Yapabiliyor Olmalısın

• Transformatörün yapısını ve çalışma ilkesini açıklayabilmelisin.
• Primer ve sekonder bobinleri ayırt edebilmelisin.
• Transformatörün neden alternatif akımla çalıştığını açıklayabilmelisin.
• Faraday Yasasıyla primer ve sekonder gerilimlerini ilişkilendirebilmelisin.
• Vp/Vs=Np/Ns bağıntısını kullanabilmelisin.
• Yükseltici ve alçaltıcı transformatörü belirleyebilmelisin.
• İdeal transformatörde güç korunumu uygulayabilmelisin.
• Akım ve gerilim oranlarını ilişkilendirebilmelisin.
• Gerçek transformatörde verim hesaplayabilmelisin.
• Enerji iletiminde neden yüksek gerilim kullanıldığını açıklayabilmelisin.
• Şarj aleti, kaynak makinesi ve mikrodalga fırın gibi örnekleri transformatör türüyle ilişkilendirebilmelisin.
• Ardışık bağlı transformatörlerde çıkış gerilimini hesaplayabilmelisin.