Transformatörler, iki veya daha fazla sargı ve bir demir (veya hava) çekirdeğinden oluşan elektromanyetik indüksiyon prensiplerine göre çalışır. Alternatif akım birincil sargıdan geçtiğinde, değişen bir manyetik alan oluşturur. Bu alan, Faraday'ın İndüksiyon Yasası uyarınca ikincil sargıda elektromotor kuvveti indükler. Gerilim dönüşümü, sargı dönüş oranı ayarlamalarıyla gerçekleşir.

Faraday Yasası, kapalı bir devrede indüklenen elektromotor kuvvetinin, devreden geçen manyetik akı değişiminin negatif oranına eşit olduğunu belirtir:

ε = -N dΦ/dt

Burada ε, indüklenen elektromotor kuvvetini, N, bobin dönüşlerini ve Φ, manyetik akıyı temsil eder.

• Sargılar: Birincil (giriş) ve ikincil (çıkış) devrelerden oluşan, elektromotor kuvveti üreten ve alan yalıtımlı tel bobinler.
• Çekirdek: Manyetik akıyı yönlendirerek, bağlantı verimliliğini artıran ve enerji kaybını en aza indiren yüksek geçirgenlikli malzeme.
• Yalıtım: Kısa devreleri ve kaçak akımları önleyen dielektrik malzemeler.
• Muhafaza: Mekanik destek ve termal dağılım sağlayan koruyucu muhafaza.

Transformatör çekirdekleri üç temel amaca hizmet eder:

1. Manyetik Akı Yönlendirmesi: Yüksek geçirgenlikli malzemeler, akıyı sargılar boyunca yoğunlaştırarak bağlantı verimliliğini artırır.
2. Sargı Desteği: Bobin deformasyonunu önlemek için yapısal bütünlük sağlar.
3. Kaybı Azaltma: Optimal çekirdek tasarımı ve malzemeleri, girdap akımı ve histerezis kayıplarını en aza indirerek verimliliği artırır.

Malzeme bileşimine göre üç temel çekirdek türü vardır:

Ağırlıklı olarak güç sistemlerinde kullanılır, ince silikon çelik laminasyonlar kullanır.

• Etkili akı yönlendirmesi için yüksek manyetik geçirgenlik
• Histerezis kayıplarını azaltan düşük koersivite
• Girdap akımlarını en aza indiren yüksek direnç

Girdap akımı kayıplarını daha da azaltmak için, dolaşım yollarını kısıtlayarak yalıtılmış çelik saclar üst üste yığılır.

• Yüksek verimlilik (tipik olarak %95-99)
• Geniş güç işleme kapasitesi (megavat aralığı)
• Ekonomik üretim

• Hantal fiziksel boyutlar
• Önemli ağırlık
• Zayıf yüksek frekans performansı

Aşağıdakiler dahil olmak üzere güç iletim ve dağıtım sistemleri:

• Enerji üretim santralleri (gerilim yükseltme)
• Trafo merkezleri (gerilim düşürme)
• Ağır sanayi ekipmanları

Bunlar, yalnızca sargı manyetik bağlantısına güvenerek ferromanyetik malzemelerden yoksundur.

• Üstün elektriksel yalıtım
• İhmal edilebilir çekirdek kayıpları
• Hafif yapı
• Mükemmel yüksek frekans tepkisi

• Daha düşük bağlantıdan kaynaklanan azaltılmış verimlilik
• Sınırlı güç kapasitesi
• Harici manyetik parazite karşı duyarlılık

Aşağıdakileri gerektiren özel uygulamalar:

• RF devre empedans eşleştirmesi
• Ses ekipmanı sinyal izolasyonu
• Manyetik alan algılama cihazları

Bunlar, seramik ferrit malzemeler (nikel, manganez veya çinko içeren demir oksit kompozitleri) kullanır.

• Frekans kararlılığı ile yüksek geçirgenlik
• Son derece yüksek direnç
• Düşük yüksek frekans kayıpları
• Çok yönlü üretim şekilleri

• Kompakt boyut
• Azaltılmış kütle
• Üstün yüksek frekans çalışması
• İyi yüksek frekans verimliliği

• Daha düşük doyma akı yoğunluğu
• Sıcaklığa duyarlı performans
• Daha yüksek malzeme maliyetleri

Aşağıdakiler dahil olmak üzere elektronik ve iletişim sistemleri:

• Anahtarlamalı güç kaynakları
• Elektronik cihaz sinyal izolasyonu
• RF parazit bastırma
• Yüksek frekanslı invertörler

Çekirdek seçimi, aşağıdakilerin değerlendirilmesini içerir:

• Uygulama Gereksinimleri: Güç sistemleri verimliliğe ve kapasiteye öncelik verirken, elektronik cihazlar boyuta ve frekans tepkisine önem verir.
• Çalışma Frekansı: Lamine çekirdekler güç frekanslarına (50/60Hz) uygundur, ferritler kHz-MHz'de mükemmeldir ve hava çekirdekleri en yüksek frekansları yönetir.
• Verimlilik Hedefleri: Enerji açısından kritik uygulamalar, düşük kayıplı malzemeler gerektirir.
• Fiziksel Kısıtlamalar: Taşınabilir cihazlar, kompakt, hafif tasarımlar gerektirir.
• Termal Hususlar: Malzeme özellikleri, çalışma sıcaklıkları boyunca sabit kalmalıdır.
• EMC Gereksinimleri: Bazı uygulamalar, en aza indirilmiş elektromanyetik parazite ihtiyaç duyar.

Gelişen trendler şunları içerir:

• Gelişmiş Malzemeler: Üstün manyetik özellikler sunan nanokristal ve amorf alaşımlar.
• Tasarım Optimizasyonu: Gelişmiş manyetik bağlantı ve azaltılmış kayıplar için hesaplamalı modelleme.
• Akıllı Entegrasyon: Gerçek zamanlı performans izleme için gömülü sensörler.
• Minyatürleştirme: Taşınabilir elektronik cihazlar için kompakt çekirdekler.
• Yüksek Frekans Adaptasyonu: Güç elektroniği anahtarlama frekanslarını destekleyen çekirdekler.

Transformatör çekirdekleri, verimlilik, boyut, ağırlık ve maliyet parametreleri genelinde cihaz performansını temel olarak belirler. Lamine demir, hava çekirdeği ve ferrit transformatörlerin her biri farklı uygulamalara hizmet eder. Optimal seçim, operasyonel gereksinimlerin ve çevresel koşulların dikkatli bir analizini gerektirir. Devam eden malzeme ve tasarım yenilikleri, gelişen güç ve elektronik sistem taleplerini karşılamak için gelişmiş performans vaat ediyor.