Kaynak Makinesinin Kalın Kablosu
Bir kaynakçının makinesine bakın: prize giden kablo normal kalınlıkta, kaynak pensesine giden kablo ise parmak kalınlığında. Aynı makinenin iki kablosu neden bu kadar farklı?
Çünkü makinenin içinde bir düşürücü transformatör var. 220 V'luk şebeke gerilimini 44 V'a indiriyor; karşılığında akım 5 katına çıkıyor. Pense tarafından yaklaşık 150 A geçiyor, prizden ise yalnızca 30 A çekiliyor. Kalın kablo büyük akımın ısıtmaması içindir. Metali eriten de bu büyük akımdır.
Güç iki tarafta aynı: $220 \cdot 30 = 44 \cdot 150 = 6600$ W. Transformatör enerji üretmez; gerilim ile akımın çarpımını korur, dağılımını değiştirir.
İçinde Ne Var, Nasıl Çalışır?
Üç parça: birincil sargı, demir çekirdek, ikincil sargı. İki sargı arasında elektriksel bağlantı yoktur. Birincil sargıdan geçen alternatif akım, çekirdekte yönü ve büyüklüğü sürekli değişen bir manyetik akı oluşturur. Çekirdek bu akıyı ikincil sargıya taşır; değişen akı orada indüksiyonla gerilim doğurur.
Anahtar kelime değişen. Girişe sabit doğru akım (örneğin bir akü) bağlarsanız akı sabit kalır, ikincil sargıda gerilim oluşmaz. Yalnızca bağlama ve ayırma anlarında kısa bir sıçrama görülür.
Oranlar
İdeal transformatörde:
$\dfrac{V_1}{V_2} = \dfrac{N_1}{N_2} = \dfrac{i_2}{i_1} \qquad V_1 i_1 = V_2 i_2$
Gerilim sarım sayısıyla doğru, akım sarım sayısıyla ters orantılıdır. 220 V'tan 44 V'a inmek için kaynak makinesinde sarım oranı 5 olmalı: birincil 500 sarımsa ikincil 100 sarım. Az sarımlı ikincil sargı, kalın tel ile sarılır; büyük akım oradan geçer.
| Tür | Sarım | Gerilim | Akım |
|---|---|---|---|
| Yükseltici | $N_2 > N_1$ | artar | azalır |
| Düşürücü | $N_2 < N_1$ | azalır | artar |
Frekans değişmez: girişe 50 Hz verilirse çıkış da 50 Hz'dir. Trafonun yakınında duyulan uğultu ise 100 Hz'dir; çekirdekteki demir her yarım çevrimde bir kez uzayıp kısalır.
Daha zor örnek, akımı kim belirler? Sarımları 1000 ve 50 olan ideal trafonun girişine 220 V bağlanıyor. Çıkış gerilimi $220 \cdot 50 / 1000 = 11$ V. Çıkışa 5,5 Ω'luk bir ısıtıcı bağlanırsa $i_2 = 11 / 5{,}5 = 2$ A ve çıkış gücü 22 W olur. Birincil akım $i_1 = 22 / 220 = 0{,}1$ A. Isıtıcı çıkarılırsa ikincil akım sıfıra iner ve birincil sargıdan da neredeyse akım geçmez. Yani sıra şöyledir: gerilimi sarım oranı, akımı ise çıkışa bağlanan yük belirler; birincil akım yükün isteğine göre ayarlanır. Prizde takılı unutulan boştaki adaptörün çok az enerji harcaması bundandır.
Neden Yüksek Gerilimle Taşıyoruz?
İletim hattının teli de bir dirençtir ve ısınarak enerji kaybettirir: $P_{kayıp} = i^2 R$. Kayıp akımın karesiyle artar.
Sayılarla: 1 MW'lık gücü direnci 10 Ω olan bir hatla taşıyalım.
- 10 kV ile: $i = 10^6 / 10^4 = 100$ A, kayıp $100^2 \cdot 10 = 10^5$ W. Gücün %10'u yolda gidiyor.
- 100 kV ile: $i = 10$ A, kayıp $10^2 \cdot 10 = 10^3$ W. Yalnızca %0,1.
Gerilimi 10 katına çıkarmak kaybı 100 kat azalttı. Santral çıkışında yükseltici trafolar gerilimi yüz binlerce volta çıkarır, enerji uzun hatlarda küçük akımla taşınır, şehre yaklaşınca trafo merkezleri ve direklerdeki trafolar gerilimi adım adım düşürür, evlere 230 V gelir.
Gerçek Trafo: Verim
Gerçek trafoda çıkış gücü girişten biraz küçüktür: $\eta = \dfrac{P_2}{P_1}$.
Örnek: Girişte 220 V ve 2 A ($P_1 = 440$ W), çıkışta 110 V ve 3,8 A ($P_2 = 418$ W). Verim $418/440 = 0{,}95$, yani %95. İdeal olsaydı çıkış akımı 4 A olurdu.
Kayıplar iki yerden gelir: sargıların direnci ısınır, çekirdekte de değişen akı girdap akımları doğurur. Çekirdeğin tek parça demir değil, birbirinden yalıtılmış ince levhalardan yapılması bu girdap akımlarının yolunu kesmek içindir.
Telefon şarj adaptörü de gerilimi düşürür, ama iş orada bitmez: telefon doğru akım ister. Trafo çıkışındaki alternatif gerilim diyotlarla doğru gerilime çevrilir. Günümüz adaptörlerinde trafo çok yüksek frekansta çalıştırıldığı için avuç içine sığacak kadar küçüktür.
Sık Yapılan Hata
1. "Yükseltici trafo gücü artırır." Gerilim artarken akım aynı oranda azalır; ideal trafoda güç sabit, gerçekte biraz azalır.
2. Akımı da sarımla doğru orantılı sanmak. Akım sarımla ters orantılıdır. Kaynak makinesinin kalın kablosu az sarımlı taraftadır.
3. Doğru akımla çalışacağını sanmak. Sabit akım sabit akı demektir; değişim yoksa indüksiyon da yoktur.
4. Hat kaybını akımla doğru orantılı sanmak. Akım yarıya inerse kayıp dörtte bire iner.
Kendin dene: 20 sarımlı ikincil sargıdan 12 V almak için 230 V'luk şebekeye bağlanan birincil sargı kaç sarım olmalı? $N_1 = 20 \cdot 230 / 12 \approx 383$ sarım.
Sık sorulanlar
Transformatör neden doğru akımla çalışmaz?
Çalışma ilkesi indüksiyondur ve indüksiyon için manyetik akının değişmesi gerekir. Sabit doğru akım sabit bir akı üretir; değişim olmadığı için ikincil sargıda gerilim oluşmaz.
Enerji neden yüksek gerilimle taşınıyor?
Hat kaybı akımın karesiyle artar. Gerilim 10 katına çıkarılınca aynı güç 10 kat küçük akımla taşınır ve kayıp 100 kat azalır.
Kaynak makinesinde transformatörün hangi sargısı kalın telle sarılır?
Az sarımlı ikincil sargı. Düşürücü trafoda gerilim azalırken akım aynı oranda artar; büyük akımın ısıtmaması için bu sargının teli kalındır.