Transformer Winding Techniques – Trafo Sarım Teknikleri

SMPS devresinde trafonun nasıl sarıldığı hangi tekniğin uygulandığı çok önemlidir ki bu tekniğin kötü yada başarısız olması, SMPS in gürültülü ve daha az regülasyonlu olmasına yol açabilir. Yüksek frekans SMPS trafoların tasarımı 50,60Hz lik trafoların tasarımından daha kritiktir. SMPS in giriş voltajı yaklaşık 40V dan fazla ise, o SMPS de trafo kullanma mecburiyeti doğmaktadır.

Yukardaki grafikte iki sarım arasındaki farkları görebilirsiniz. a da, primer ve sekonder sıra ile sarılırken, b de primerin yarısı sarılıp, yarısı sekonderden sonra sarılmıştır. MMF yani magnetomotive force dediğimiz F = NI, tur sayısı x akım, b de a dakinden daha azdır. a da ise F değeri maksimuma çıkmaktadır. b de ise bu nerdeyse ikiye bölünmüş gibidir ve sarımın ortasında ise 0 dır. Bu yüzden b de proximity, skin effect ve leakage inductance olayları daha azdır.

Yukardaki resimde sarımların, yalıtkanlar ile ayrıldığını görebilirsiniz.

Normalde sandviç sarımda, resimdeki gibi primer ikiye bölünmüş ve sekonder ortada bırakılarak sarılır. Bu tek çıkışlı sekonder içindir diyebiliriz. Fakat çok çıkışlı sekonderde, düşük voltaj, yüksek akım ve nispeten sabit yükte çalıştırılacak olan sekonder çıkışlar, nüveye en yakın olacak şekilde sarılır. Bu sefer, primer değil sekonder ikiye bölünür. Sekonderde en çok akımı taşıyacak olan çıkış, nüveye en yakın olacak şekilde sarılır ki böylece sarım uzunluğu nispeten daha kısa olur böylece, daha kısa tel kullandığımız için bakır, copper kayıplarını azaltır. I^2 x R ye harcanan güç azalır. AWG tablosuna bakarsanız, tel uzadıkça bakır kaybı artmaktadır. Nüveye daha yakın olan sarımlar, daha düşük AC voltajına sahiptir yani daha az dalgalanma olur, primerden nüveye ve sekondere olan RFI coupling, eşleşme olayını azaltır. Fakat bölünen sekonderlerin, ampere-turns yani F leri yani sarımları olabildiğince aynı olmalıdır. Aksi takdirde, leakage inducance denilen kaçak endüktans olayı artabilir.

Yukarda gösterilen S1 ve S4 faraday yalıtımı olarak geçebilir, bu yalıtımlar RFI yüksek frekansını önlemek için primerin referans noktasına bağlanır. S2 ve S3 bölmeleri şaseye yada, şebeke toprağına bağlanır. Bu herhangi bir izolasyon hatasında, primer ve sekonderi birbirinden korumak içindir.

Bölünen sarımların değerleri, tur sayıları eşit olmalıdır.

Primer ile sekonderin arası kimi kaynaklara göre minimum 4mm kimi kaynaklara göre 8mm olmalıdır. Ortadaki resimdeki gibi izolasyon kenarlara doğru katlanabilir böylece primer ve sekonderin izolasyonu daha iyi sağlanmış olur. En alttaki resimdeki gibi ortada topraklı bi şekilde bi yalıtkan konulabilir. Anladığım kadarı ile bu, bir iletkenin dışı yalıtılmış birşekilde primer ile sekonder arasına şekildeki gibi konulması ile oluşuyor. Kaynaklarda primer ve sekonder sarımlarının yanlardan her birinden 2mm kadar boşluk bırakılabileceğini böylece okla gösterilen mesafeler arasıda toplamda minimum 4mm olacağını ve daha iyi izolasyon sağlanabileceği yazmaktadır.

Yukardaki resimde ise interwinding capacitance, sarımlar arası kapasitansı azaltmak için gösterilen bi tekniktir. Interwinding capacitance ın fazla olması durumunda, trafodan istediğimiz gücü alamayız. Bunun için sarımları resimde altta ortada gösterilen progressive winding gibi sarmak bu kapasitansı minimuma indirmemize yardımcı olacaktır. 1. ve 2. sarımlar yan yana sarılırken, 3. olan 1 ve 2 nin şekilde gördüğünüz gibi üzerine, ikisinin birleştiği yere sarılmaktadır. 4. ü ise 2 nin yanına sarılmaktadır ve bu böyle devam etmektedir.

Cross regulation ve trafodan daha iyi primer sekonder eşleşmesi, coupling alabilmemiz için birden fazla kullanılacak telinde dikkatli bi şekilde sarılması lazım. Yani primer peak voltajı 40V dan aşağı ise, birden çok teli bir araya getirip, nüveye sarmadan önce kendi aralarında döndürerek primer yada sekonder sarımı için kullanabiliriz. Buna twisted pair winding, döndürülmüş çift sarım denir. Bu teknik coupling olayını maksimuma çıkartacaktır. Diğer sarım ise filar winding dir, bu sarım, iki yada daha fazla telin aynı anda yan yana bitişik şekilde nüveye sarılmasıdır. Fakat bu sarımlar nüveye sarmadan önce kendi aralarında bi önceki sarım gibi döndürülmezler. İki tel yan yana bitişik sarılıyorsa, bifilar, üç tel ise trifilar vs diye adlandırılır.

Yukardaki resimde twisted pair winding görmektesiniz. İki tel sarılmadan önce kendi aralarında döndürülmüş ve daha sonra toroid üzerine sarılmıştır.

Burada ise bifilar winding tekniği kullanılmıştır. İki telin bir arada kalmasını sağlamak için bantla yada başka bir yalıtkan ile telleri bir arada tutmalısınız. Aksi takdirde teller birbirinden uzaklaşabileceği için bifilar winding tekniğinin bir anlamı kalmayacaktır.

Tellerin nüvelere olabildiğince sıkı sarılmaları gerektiğini de unutmamak lazım.

Eğer tabi primer peak voltajı 40V dan fazla ise o zaman primer ve sekonder bölünerek mylar tape yani mylar bandı ile en az 4mm yada 8mm izolasyon sağlanarak sarılmalıdır. Bantın kalınlığını bilirseniz, ona göre 4mm yada 8mm mesafe bırakmanız kolay olur. Burada mylar bantı yerine pressbant yada elektrik izolasyon bantı kullanılsa aynı görevi görür fakat mylar banttan daha fazla sarmamız gerekebilir. Kitap mylar bantı referens kullandığı için ölçüleri o banta göre yapmış.

Örnek Dizayn 1

Örnek olarak, kafamızda daha iyi canlandırabilmek için, çok çıkışlı ve primer de auxiliary winding, ek sarımı olan flyback converter ele alalım.

Primer = 134 tur, Sekonder = 24, 12, 5 ve -12V çıkışlı, sırasıyla 7, 4, 3, 7 tur sarımları olsun. Aux sarımının da 12V, 7 tur olduğunu varsayalım.

Yukardaki resimde görebileceğiniz üzere, interleaving sarım tekniği kullanmıştır çünkü prime peak voltajı şebek voltajıdır ve 40V dan yukardadır. Kitabın yazarı primeri ikiye bölerek, iki sarım haline getirmiş, sekonderi ortaya almıştır. Tam tersi de yapılabilir yani, primer ortaya alınabilir. Fakat hangi teknik daha iyi olur onu deneyip görmek lazım. Bu arada auxiliary winding ise primerde olduğu için direk primere bant kullanılmadan yanına veye üstüne sarılmıştır. Ayrıca primerdeki 134 turun 67, 67 olarak ayrıldığına dikkat edin.

-12V un nasıl sarıldığına resimde görebilirsiniz, -12V da, sarımın noktalı olan yeri çıkışın referans noktasına bağlanmıştır. Nokta olmayan yeri boşta kalıp buradan -12V çıkış alınmıştır.

Yukardaki resimde ise trafonun şemadaki resmi gösterilmiştir. Fakat burada aux winding yanlış yere çizilmiştir. Buradaki aux winding primer kısmında olması gerekmektedir. Zaten şemanın üstündeki resimlerde primer ile aynı yerde nüveye en yakın yere sarıldığına dikkat edin. Başka bi dikkat edilecek konu ise, sekonder çıkışları birbirinden izole değildir. Onun için her sekonder çıkış arası bant ile izolasyon sağlanmamıştır. Sekonderin her çıkışında, her belirlediğiniz tur kadar sardığınızda, trafonun karkas pinine doğru teli dışarı çıkarmalısınız. Bu ayrı sarımları birden çok seri bobin gibi düşünebilirsiniz ve her bobinin uçlarından tel ile karkasın pinine bağladığınızı düşünebilirsiniz.

Örnek Dizayn 2

Burada ise, primer toplamda 76 tur, sekonder ise 5 + 5 tur çıkışlı olarak verilmiştir. Aux ise yine primer kısmında ve 2 turdur. Primer ilk dizaynda olduğu gibi ikiye bölünmüş ve 38, 38 olarak ayrılmıştır.

Sarımın her iki tarafından 2mm boşluk bırakılmıştır. Sekonderde ise folyo sarım kullanışmıştır. Folyo sarımda bildiğim kadarı ile interwinding kapasitans olayı çok az oluyor, tabi başka avantajları da olabilir.

Yukardaki resimden de anlaşılacağı üzere 38 tur ile 2 tur sarımları arasındaki tek izolasyon tellerin kendi izolasyonudur. İzolasyon primer ile sekonder arasında sağlanmıştır. iki 5 turluk sarımlar yine birbirine seri bi şekildedir. Bu çıkışlar arasındada bi tellerin kendi izolasyonu haricinde bi izolasyon yoktur. 5 turluk sarımlar center-tapped, ortak uçlu sarımlardır. Ortak uçlu sarımlar birbirine seri olan sarımlardır.

Örnek Dizayn 3

Resimdeki gibi bir sarıma ihtiyacımız olduğunu, primerdeki sarımlar ve sekonderdeki sarımların tamamen izole olması gerektiği varsayalım.

Bu teknikte ise primer bölünmüştür, sekonderler ortada ve herbiri ile bantla izole olmuştur, Na, aux sarımı ise en yukarda kalmıştır. Auxiliary sarımı ise bi önceki dizaynlarda, primerin içinde olduğunu hatırlayalım. Dediğim gibi kitaptan kitaba, kaynaktan kaynağa bilgiler vs değişebiliyor. Bu durumda bize deneyip en iyisini bulmak kalıyor.