26.09.2017 BÖLÜM 1: PASİF DEVRE ELEMANLARI 1.4. ENDÜKTÖRLER 1. 2. 3. Endüktans kavramının iyi anlaşılabilmesi için aşağıdaki üç fiziksel gerçeğin bilinmesi gerekmektedir. Manyetik alan içerisinde hareket eden iletken tel üzerinde akım oluşur. Aynı zamanda bu iletkenin uçları arasında elektromotor kuvvet (EMK) meydana gelir. Değişen manyetik alan içinde bulunan iletken üzerinde akım oluşur. Birinci durumdaki gibi iletken boyunca EMK meydana gelir. İletken üzerinden akan akım, iletken etrafında manyetik alan oluşturur. 1 26.09.2017 1.4. ENDÜKTÖRLER Lenz kanununa göre devrede oluşan EMK, kendini oluşturan kuvvete ters yöndedir. Bu gerçekten yola çıkılarak aşağıdaki etkiler gözlemlenebilir [2]: Hem iletkenin manyetik alan içinde hareket ettirilmesiyle hem de manyetik alanın değişimiyle oluşan iletken üzerindeki akımın yarattığı manyetik alan, orijinal manyetik alana ters yöndedir. İletkenden akan akım değiştiğinde yarattığı manyetik alan ile endüklenen yeni akım manyetik alanın oluşturduğu akıma ters yöndedir. Akımdaki değişim ile oluşan EMK orijinal akımın yarattığı kutuplanmanın tersinedir. 1.4. ENDÜKTÖRLER RF tasarımlarda endüktörler; rezonans devrelerinde, filtrelerde kullanılır. Ayrıca RF enerjiyi tamponlamak veya durdurmak için de kullanılabilir. Pratikte hiçbir elemanın ideal yapısı olmadığı gibi endüktör elemanı da ideal bir yapıya sahip değildir. Şekil 1.11’de endüktörün RF bandında nasıl bir yapıya sahip olduğu gösterilmektedir. 2 26.09.2017 1.4. ENDÜKTÖRLER Endüktif reaktansın seri dirence olan oranı endüktörün kalitesini verir, Q ile gösterilir. Eğer endüktör sarmalı mükemmel bir iletkenden yapılırsa Q sonsuz, endüktör de kayıpsız olur. Pratikte mükemmel bir iletken olmadığına göre her zaman için bir Q değeri vardır. Alçak frekanslarda, endüktörün Q’su çok iyidir. Çünkü bu bölgede var olan sadece telin DC direncidir ve o da çok küçüktür. Ama frekans arttıkça, deri etkisi ve sarmal kapasitesi endüktörün Q’sunu azaltır (Bkz. Şekil 1.14). Alçak frekanslarda, Q frekans ile doğru orantılı olarak artar. Çünkü henüz deri etkisi yoktur ve dolayısıyla endüktif reaktans artar. Frekans arttıkça deri etkisi meydana gelmeye başlar. Artık Q artmaya devam eder ama daha az bir eğimle yükselir. Daha sonra da Q frekansla azalmaya başlar. 1.4. ENDÜKTÖRLER Endüktörün Q değerini iyileştirmenin ve kullanılabilir frekans aralığını genişletmenin bazı yolları şunlardır: Daha geniş çaplı tel kullanmak. Bu, sarmallardaki AC ve DC direnci azaltır. Sarmal parçalarını ayırmak. Böylece sarmallar arasındaki kapasite azaltılır. Akı akış yolundaki manyetik geçirgenliği (permabiliteyi) arttırmak. Bu genelde endüktörü demir, ferit gibi bir manyetik çekirdek üzerine sararak gerçeklenebilir. 3 26.09.2017 1.5. TOROİDLER Toroidlerin yapısı oldukça basittir, halka şeklinde manyetik çekirdeklerin RF endüktör ve transformatörlerde kullanılmak üzere sarılmaları ile oluşurlar. Genelde demir veya ferit malzemelerden yapılırlar. Toroidsel endüktörlerin Q değerleri oldukça yüksektir. Çünkü toroid yapımında oldukça yüksek manyetik geçirgenlikli malzemeler kullanılır. Sözü edildiği gibi yüksek manyetik geçirgenlikli çekirdekler istenilen endüktans değerine hava çekirdeklilere göre daha az sayıda sarımda ulaşabilirler. 1.5. TOROİDLER Şekil’de aynı endüktans değerine sahip toroidçekirdekli ve hava çekirdekli endüktörlerin sarım sayıları karşılaştırılmaktadır. Hava-çekirdekli endüktörde 35 H değerine ulaşmak için 90 sarım gerekirken, toroid-çekirdekli endüktörde sadece 8 sarım yeterli olur. Toroid-çekirdekli endüktörlerde az sayıda sarım yapılması daha düşük ac direnç anlamına gelir. Bu da Q değerinin otomatik olarak arttığını gösterir. 4 26.09.2017 1.5. TOROİDLER Tipik bir hava-çekirdekli endüktörde, manyetik akı çizgileri Şekil a’ de yer almaktadır. Şekilden de açıkça görüldüğü gibi endüktörü çevreleyen hava manyetik akı yolunun bir parçasıdır. Diğer yandan Şekil b’ de yer alan bir toroid endüktörde manyetik akı yolu tamamıyla malzemede yer alır. Dolayısıyla ışıma meydana gelmez. 1.5. TOROİDLER Çekirdek Karakteristikleri: Bir manyetik çekirdeğin tipik manyetizasyon eğrisi Şekil ’de verilmiştir. Şekil basitçe, manyetik alan şiddetine (H) maruz kalan bir endüktörde (B) manyetik akı yoğunluğunun oluştuğunu gösterir. Manyetik akı yoğunluğunun manyetik alan şiddetine olan oranına malzemenin manyetik geçirgenliği denir. (weber/amper-sarım) • Manyetizasyon eğrisi ilk önce lineer olarak yükselir. Bu bölgede iken malzemenin manyetik geçirgenliğine başlangıç manyetik geçirgenlik (initial permeability-i) denir. • Manyetik akı yoğunluğunun artışı azalan eğimle devam eder ve doyum noktasına ulaşılır. Hsat doyum noktasıdır, bu noktanın üzerinde manyetik akı yoğunluğunda (Bsat) bir artış gözlenmez. 5 26.09.2017 1.5. TOROİDLER Bsat ,çekirdek malzemesinin boyutuna ve şekline göre değişim gösterir. Çekirdeğin devrenin çalışma esnasındaki akı yoğunluğu (Bop); Bop : yoğunluğu E : voltajı f : N : Ae : ara kesiti Gauss cinsinden manyetik akı Volt cindinden maksimum rms Hz cinsinden frekans sarım sayısı cm2 cinsinden çekirdeğin etkin 1.5. TOROİDLER Manyetik çekirdekteki diğer önemli nokta ise iç kayıplarıdır. Hava-çekirdekli endüktöre dikkatsizce yerleştirilen manyetik-çekirdek endüktörün Q değerini azaltır. XL= L, RS : sarmal direnci Hava ve manyetik çekirdekli toroidlerin eşdeğer devreleri. 6 26.09.2017 1.6. TOROİDSEL ENDÜKTÖR TASARIMI Lineer bölgede çalışan bir toroidsel endüktör için endüktans değeri; L N i Ac le : H cinsinden endüktans : sarım sayısı : başlangıç manyetik geçirgenliği : cm2 cinsinden çekirdeğin kesit alanı : cm cinsinden çekirdeğin etkin uzunluğudur. 1.6. TOROİDSEL ENDÜKTÖR TASARIMI Yapılan hesaplamaları kolaylaştırmak amacıyla endüktans indeksi diye adlandırılan bir nicelik tanımlanır. [nH] L N AL : nH cinsinden endüktans : sarım sayısı : nH/sarım2 biriminde endüktans indeksi Verilen endüktans değeri için sarım sayısı Alçak frekanslarda (100 kHz civarı) , sarmalın Q değeri yaklaşık olarak 54 tür. 7