yüksek frekans transformatör tasarımı

YÜKSEK FREKANS TRANSFORMATÖR TASARIMI
Transformatör Nüve Tablolarının Kullanılması
Yüksek frekans transformatörleri efektif nüve hacmi Ve ile minimum kesit Amin dikkate
alınarak tasarlanır. Gerekli çıkış gücü Pout ve anahtarlama frekansı f için uygun bir nüve
hacmi seçilir. Belirlenen anahtarlama frekansında transformatördeki sıcaklık artışına göre ΔB
belirlenir.
Uygun bir nüve seçiminde;
 Nüve hacmi hesaplanan güce katalogda karşılık gelen hacimden biraz fazla (%50) olabilir.
 Sıcaklıktaki artış en fazla 30 K olur.
 Sargıdan geçen akım yoğunluğu S = 3A/mm2 seçilir. Ayrıca sargı karkasa sığmalıdır.
Hesaplanan güce göre hacmi küçük olan bir nüvede N1 sarım sayısı azaltılarak manyetik akı
yoğunluğunun azaltılması ve sarım sayısının sığdırılması mümkün olabilir. Fakat nüvenin
sıcaklığındaki artış çok fazla olur. Bu artışın doğru tespiti deney ile mümkündür.
Yüksek frekanslı transformatörler elektrik enerjisinin transferi için kullanılır. Fiziksel boyut
aktarılacak olan güce ve çalışma frekansına bağlıdır. Frekans arttıkça fiziksel boyut küçülür.
Frekans genellikle 20kHz ile 100kHz arasında seçilir. Nüvede ana malzeme olarak genellikle
Ferit kullanılır.
Nüve kataloglarında verilen tablolardan güç ihtiyacına uygun nüve seçilir. Nüve seçmenin
diğer bir yolu da transfer edilecek güce ve anahtarlama frekansına göre nüvenin ağırlığı veya
hacminin tespit edilmesidir.
Primerdeki sarım sayısı hesaplanarak nüve içindeki manyetik alan yoğunluğunu belirlenir.
Primer ve sekonder bobinlerinden geçen akıma göre telin çapı hesaplanır. İdeal bir
transformatördeki akım ve gerilim değişimleri Şekil 1’de gösterilmiştir.
Şekil 1. Transformatörde akım ve gerilim değişimleri.
Minimum primer sarım sayısının hesaplanması
Analizde transformatörün primerine kare dalga uygulandığı kabul edilmiştir. Giriş akımı I1,
primere indirgenmiş olan sekonder akımı I2 ve mıknatıslama akımı IM’den oluşur.
Mıknatıslama akımının küçük olması için hava aralıksız bir nüve kullanılır.
Transformatörün girişine kare dalga şeklinde bir gerilim uygulandığında, sekonder akımından
bağımsız kabul edilebilen üçgen şeklinde bir mıknatıslama akımı geçer. Mıknatıslama akımı,
manyetik akı Φ ve manyetik akı yoğunluğu B ile orantılıdır. V1 giriş gerilimi transformatör
nüvesinde Faraday Kanunu’na göre ( V = N · dΦ/dt ) bir manyetik akı oluşturur.
Şekil 2. Transformatörde giriş gerilimi ve manyetik akı yoğunluğu.
Akı yoğunluğundaki değişim aşağıdaki eşitlikte verilmiştir. Akı yoğunluğundaki değişim ΔB,
frekans (f=1/T) ve sarım sayısı N1’e bağlıdır. Frekans ve sarım sayısı artarsa akı yoğunluğu
azalır.
Sarım sayısı N1’in minimum değeri, akıdaki değişim belirli bir aralıkta olacak şekilde
hesaplanır. Yüksek frekans transformatörlerinde akı, doyma değeri +/-0.3T’dan yani ΔB =
0.6T’den küçük seçilir. Push-Pull dönüştürücülerde her çevrimde histerezis döngüsü içinde
oluşan kayıp frekansla artar ve nüvenin ısınmasına sebep olur. Nüve kayıpları ve termik
direnç hakkında yeterli bilgi yoksa 20kHz-100kHz frekans aralığı için, ΔB = 0.3...0.2T
civarında seçilebilir
ΔB akı yoğunluğundaki değişim ne kadar küçük ise histerezis kayıpları da o kadar küçüktür.
Primer sarım sayısı aşağıdaki gibi hesaplanır.
Amin katalogda verilen minimum nüve kesiti olup maksimum akı yoğunluğuna karşılık gelir.
N1 sarım sayısının azalması, ΔB’nin bir miktar ve histerezis kayıplarının büyük ölçüde
artmasına neden olur.
Flyback ve forward dönüştürücülerde kullanılan ferit nüve tek yönde mıknatıslanır. Bu
dönüştürücülerde akıdaki maksimum değişim 0.3T 'dır. Push pull dönüştürücüde ise ferit nüve
her iki yönde mıknatıslanır. Nüve eğer doyma seviyesine kadar kullanılırsa akıdaki
maksimum değişme 0.6T olur.
Tel çapının hesaplanması
Telin çapı bobin akımının efektif değerine bağlıdır ve güçten bulunabilir. Kayıplar ihmal
edilirse Vin min geriliminde bağıl iletim süresinin maksimum olduğu kabul edilirse tam köprü
dönüştürücüde akımların efektif değerleri aşağıdaki gibi hesaplanır.
I1eff 
Pout
Vin min
P
I 2eff  out
Vout
Yukarıdaki hesaplamalarda mıknatıslama akımı ihmal edilir. S akım yoğunluğu termik
dirence bağlı olarak 2 ile 5 A/mm2 arasında seçilir. Tel kesiti Awire ve çapı aşağıdaki gibi
hesaplanır.
Yüksek frekanslarda deri etkisi dikkate alınmalıdır. 20 kHz’in üzerinde bakır folyo veya
yüksek frekans teli kullanılmalı, kesit 1mm2’den büyük olmalıdır.