Transformatör ( Trafo ) Sarımında ve Tasarımında Edilecekler


Öncelikle burada neden bahsetmeyeceğim konusunu paylaşayım. Transformatör nedir, çalışma prensibi, kullanım alanları gibi kitabi bilgilere burada değinmeyeceğim.  Bu konuların tamamını hiç çaba sarf etmeden internette dolaşan yüzlerce yazılı ve görsel kaynaktan bulabilirsiniz. Hatta konuya biraz derinlemesine girer ve biraz vakit ayırırsanız önemli bir aşama kaydedersiniz. Sonuçta uzay mekiği tasarlamıyoruz. Ben burada konuyla ilgili yapmış olduğum bir çalışmadan edindiğim deneyimleri sizlerle paylaşmak istiyorum.
Bunu yaparken işe başlamadan önce kitabi bilgilerle ön göremediğim ancak tecrübeyle edindiğim bazı önemli noktalardan da bahsedeceğim.
Transformatör (Trafo) sarmak benim gibi amatörlerin kolay kolay kalkışabileceği bir iş değil. Bu işin kafa karıştırıcı birçok matematiksel detayı olduğu gibi tasarlanan trafoda kullanılacak malzemelerin özelliklerini de öğrenmek gerekir. Bu bilgi, bahsettiğim gibi bir şekilde sanal ortamdan edinilebilse bile, trafo sarmak için kullanılacak malzemenin temininde zorluklar hemen karşımıza çıkar. Büyük şehirler dışında yaşamayanların istenilen malzemeyi temin etmesi hemen hemen imkânsız gibidir. Çünkü trafonun ana malzemelerinden biri olan trafo sacının, küçük şehirlerde bulunması pek mümkün görünmüyor. Hatta bu sacların hiçbir internet sitesinde perakende satışı da şu an için yok. Dahası istenilen çeşit ve özellikte emaye bobin telini temin etmekte bir o kadar zor.
İlk olarak trafo tasarlama ve sarım hesaplarına başlamadan önce trafoyu hangi amaçla ve şartlarda kullanılacağının belirlenmesi gerekir. Yani trafoyla ne yapacaksınız. Ben amatör kullanım için bir punta kaynak makinesi yaptım. Bu alet kısa devrede (tam yükte) ve kısa (5 -10 saniye) aralıkla çalıştırılıyor. Tasarımım işimi görmeye yetiyor. Trafoyu gün içerisinde birkaç defa kullanacağınız gibi, 24 saat kesintisiz (kısa devre olmadan) olarak kullanmaya da ihtiyaç duyacağınız cihazlar için de. trafo yapabilirsiniz. Tasarımınız ve tasarımda kullanacağınız matematiksel değerler mutlaka ihtiyacınız ve kullanım alanız doğrultusunda olmalıdır.
Trafo sarmaya neden ihtiyaç duyduğum meselesine kısaca değinmek gerekirse, el yapımı bir punta kaynak makinesi yapmak istedim. Hobi amaçlı. Yani hobilerimde kullanmak için değil, bu aleti hobi amaçlı yapmak için. Yaptıktan sonra elinizin altında böyle bir alet olunca da farklı amaçlar için kullanılıyor haliyle. Ben Ankara’da yaşıyorum. Bu iş için gerekli olan ve istediğim boyutlardaki trafo sacını Ulus semtinde elektronikçileriyle ünlü Konya Sokakta ki binalardan birinin bodrum katında bulunan bir Trafo sarım atölyesinden uygun bir fiyata buldum. Kilo ile satılıyor. İstediğim ölçülerdeki emaye bobin telini ise Dışkapı semtinde nam-ı diyar yanan Yiba Çarşısından temin ettim. Emaye Bobin teli seçimi trafo tasarımı için en can alıcı noktayı oluşturuyor. Çünkü trafonun performansını, ferrit trafo sacıyla kıyaslanmayacak ölçüde bobin teli belirliyor. Evet trafo verimliliği ve tasarımında sacın kalitesi ve şeklinin de ihmal edilemeyecek ölçüde önemi olsa da burada aslan payını kullanılan sargı teli alıyor. Zaten bildiğiniz gibi emaye bobin teli ve ferrit trafo sacı dışında kayda değer bir parçası olmayan bir cihaz yapıyoruz.
Kullanılacak ana malzemelerin özelliklerinden başlıyorum.
Ferrit Trafo Sacları ve Seçimi:
Ben tasarımımda E şeklinde olan saclardan tercih ettim.  Aslında mecbur kaldım da diyebilirim. Çünkü piyasada en çok çeşit bunlarda var. Çeşit derken, ölçü ebat anlamında. Aldığım malzemenin görünenin haricinde yapısı yani kimyası hakkında öyle bilgi sahibi olabileceğiniz fazla seçenek yok. Satıcılar bile bu konuda fazla bilgi sahibi değil. Belki fabrikada bu bilgiye erişilebilir ama onlarında her üründe olduğu gibi kendi ürünlerinin özeliklerini abartıp abartmadığını bilemeyiz. Bu problemi aşmak için ben her zamanki gibi bu işle ilgili kişilerin ortalama standart olarak kullandığı değerleri aldım.
Trafo sacı özelliklerinden sarım hesabında kullanacağımız değerlerden ilki GAUSS değeridir. Bu değer 7000-18000 gauss arasında olabiliyor. Sac kaliteli ise değer düşük, kalitesiz ise yüksek değerler seçilmelidir(ters orantı). Ayrıca trafo saclarının birleşmesinden meydana gelen NÜVE nin her spirinde ne kadarlık akım dönüştürebileceğimizi de bu değer belirliyor. Tavsiyem ülkemizde piyasada bulunan normal saclarda 110000 veya 10000 gauss alınması. Bu değer gereğinden yüksek alınırsa manyetik nüve ısınır. Benim gibi punta kaynak makinesi yapacaksanız ve aralıklarla kısa devrede çalışacak amatör kullanım için bir punta kaynak makinesi yapacaksanız gönül rahatlığı ile bu değeri 10000 veya 9000 olarak alabilirsiniz.
Gauss değerinin yüksek alınması iletkenin spir sayısını  azaltacak böylece daha az iletken kullanarak trafonun ucuza  imal edilmesine olanak sağlayacaktır. Bu yüzden gauss değeri, trafo uzun süreli çalışmayacaksa tavsiye edilenden daha küçük değerler seçilebilir. Ama siz yinede ne olursa olsun tavsiyelere uymaya çalışın.
Bir diğer hususta trafo sargısı için kullanılan emaye bobin telinin seçimidir. Günümüzde, çeşitli malzemelerden üretilen çeşitleri mevcut. Normalde elektriği ve ısıyı iyi iletebilmesinden dolayı bakır bobin telleri kullanılmalı. Ama bakırın pahalı olmasından dolayı birçok firma ve kişiler daha ucuz olan alüminyum ve alaşımlarından imal edilen telleri tercih etmektedir. Hatta bakır diye bakır kaplama alüminyum bobin teli satan insanlarda yok değil. Aldığınız telin bakır olmasına özen gösterin. Alüminyumun akımı iletme kapasitesi bakırdan daha az olduğu için iletkenin milimetre karede taşıyabileceği akı yoğunluğunu düşecek ve ters orantılı olarak kullanacağımız emaye bobin telinin çapı artacaktır. Evet Alüminyum maliyetleri düşürür ama elle sarım yapacağımız kalın bir bobin teliyle E şeklindeki trafo sacının aralarına gereken yeterli sarım sayısını yer kalmaması sebebiyle yapamama ihtimaliz büyük olacaktır.
Bakır kullanın. Evet Emaye bobin teliniz bakır olsun. 1 mm2 tekli bakır teli açık havada 15 ampere kadar ısınmadan akım taşıyabilir. Ama bildiğiniz gibi bizim emaye bobin tellerimiz açık havada durmuyor. Sargı sonucunda iletkenler üst üste biniyor ve iletkenin doğrudan havayla temas ederek kendi kendini soğutma şansı ortadan kalkıyor. Bu sebeple iletkende akımla oluşan ısı en içteki katmandan en dıştaki sarıma kadar telden tele aktarılarak ve her katman bir önceki katmandan almış olduğu ısıya kendi ısısını da katarak dışa doğru bir ısı akımı oluşturuyor. Ve bu şekilde akım geçtiğinde iletkenin öz direncinden kaynaklanan ısı,  en dıştaki katmana iletiliyor. Oradan da ısı  havaya aktarılarak trafo soğumuş oluyor. Bakırın özellikleri işte bu aşamada devreye giriyor. Bakır gümüşten sonra elektriği ve ısıyı en iyi ileten metal. Öz direnci daha düşük. Üzerinden akım geçtiğinde aynı çaptaki alüminyumdan daha az ısı üretiyor. Mesela 1 mm2 bakır tel 15 amperi ısınmadan taşıyabilir demiştik. Ancak 1 mm2 alüminyum tel ise 10 ampere kadar ısınmadan akım iletebilir. Ayrıca can alıcı bir başka özellikte bakır katman katman bobin sarımında, bobindeki ısıyı en dıştaki sarım katmanına daha iyi iletir ve ve iç katmanlarda ısı birikmesi olmadan iç katmanlar daha kolay soğur. Tüm bu sebeplerden ötürü iletkenin alüminyum yerine bakır olması daha ince bobin teli kullanımına müsaade eder. Buda bizim gibi elle sarım yapacak amatörler için büyük ve edinmemiz gereken bir avantaj. Trafo iletkeni olarak normalde bakır teller için 2- 2,5 amper  arasında akı yoğunluğu olması istenir. En baştan beri söylediğim gibi bu değerler trafonun kullanım alanına göre değişir. Ben punta kaynak makinesi için sık ve uzun süre kullanım olmayacağını düşündüm ve 3,5 değerini aldım. Aleti yaptıktan sonra fark ettim ki benim işimi gören amatör bir punta kaynak makinesi için akı  5 hatta 7 amperlik bir değer bile alınabilirmiş. Çünkü birincil sargı kısa devrede ne kadar çalışırsa çalışsın hiç ısınmadı. Hatta ılık bile olmadı hep buz gibi soğuktu. Evet aslında bu tam isteğimiz sonuç ama benim sorunum birincil sargıda değil ikincil sargının ısınması. Birincil sargıda bu değeri 3,5 alıp kalın bobin teli kullandığım için ikincil sargı için E şeklindeki trafo sacının arasında yeterli alan kalmadı bu sebeple ikincil sargının tel çapını olması gerekenin 5 de biri kadar almak zorunda kaldım. Buda ikincil sargının çok çabuk ısınmasına neden oluyor. Oluşan bu duruma rağmen işim görülse bile E şeklindeki trafo sacının aralıklarına sığacak şekilde her iki sargıda kullanılan iletkenlerin çaplarından eşit ölçüde feragat etmiş olsaydım ikincil sargıdaki bu çabuk ısınma problemini yarı yarıya az yaşamış olacaktım. Çünkü sorunu tek bir noktada toplamak ve odaklamak yerine iki noktaya eşit şekilde paylaştırmak bu durumda en akıllıca çözüm olacaktı.
 İşte buradaki akı yoğunluğunu kendi ihtiyacınıza göre belirlemeniz gerekiyor. Eğer tam yükte (kısa devre olmadan) uzun süre çalışacak bir trafo yapacaksanız bu değeri rahatlıkla 2,5 veya 3 arasında alabilirsiniz. 24 Saat kesintisiz çalışan bir trafo yapıyorsanız 2,5 veya daha altında bir değer kullanmanızda fayda var.
Trafonun ikincil sargısı için seçilecek iletkenin özelliği de tıpkı birincil sargı gibi aynı değerler üzerinden hesaplanmalıdır. Burada önemli olan, benim yaptığım gibi E şeklindeki trafo sacının arasında yer kalmamasından dolayı ikincil sargıda kullanılan sargının kesitini sadece ikincil sargıda küçültmek yerine her iki taraftan eşit oranda azaltmaktır. (Tabii ki en ideali hiçbir kısıtlama yapmamak ve hesaplar neyi gerektiriyorsa o şekilde yapmaktır). Aksi halde daha öncede belirtiğim gibi bir bölgede oluşan fazla ısıyı tekbir noktaya odaklamak istenmeyen bir sonuç çıkaracaktır. Bunun yerine diğer bölgelere eşit olacak şekilde paylaştırmak sorunun büyümesini engeller ve daha yüksek performans sağlayacaktır.
Evet, bu konuda söyleyeceklerim bu kadar. En başta Tranformatör (trafo) konusunda yeterli kitabi bilgiye sahip olduğunuzu varsaymıştık. Bu sebeple burada bahsedilen konuları da dikkate alarak, artık amacınıza uygun bir trafo tasarlayabileceğinizi düşünebilirsiniz. 
Görüşmek üzere.  

Excel ortamında oluşturduğum çok kullanışlı Transformatör Hsaplama Cevtveline ve bu cetveli tanıttığım yazıya, gösterilen bağlantıdan ulaşabilirsiniz: Bir Fazlı Transformatör Hesaplama Formüllü