هسته ترانس چیست؟

هسته ترانس از جمله مهم ترین اجزا در تبدیل ولتاژ و انتقال انرژی الکتریکی بوده، که عملکرد ترانسفورماتورها کاملا به آن وابسته است.

این قطعه معمولاً از مواد فرومغناطیسی مانند آهن، فریت یا آلیاژهای خاص تولید می گردد و نقش اصلی آن متمرکز کردن میدان مغناطیسی بوده، که در انتقال انرژی بین سیم پیچ های اولیه و ثانویه سبب افزایش رادنمان می شود. بدون هسته، ترانسفورماتورها قطعا قادر به کارکرد نیستند و تلفات انرژی به شدت افزایش می یابد.

در این مقاله از مجموعه طاها ترانس، به بررسی ساختار، انواع، جنس ها و کاربردهای این قطعه مهم می پردازیم. لطفا افتخار همراهی خود را نصیب ما نمایید.

بررسی و معرفی هسته ترانس

هسته ترانس در واقع مرکز و قلب یک ترانسفورماتور می باشد، که نقش اصلی را در انتقال کارآمد انرژی الکتریکی بین سیم پیچ های اولیه و ثانویه ایفا می کند. این هسته معمولاً را از مواد فرومغناطیسی مانند آهن یا فریت می سازند، که دارای نفوذپذیری مغناطیسی بالا هستند.

وظیفه اصلی هسته، متمرکز کردن خطوط شار مغناطیسی بوده، که به واسطه جریان متناوب در سیم پیچ اولیه و هدایت آن ها به سمت سیم پیچ ثانویه تولید می شود.

بدون هسته، این خطوط مغناطیسی در فضا پراکنده خواهند شد و تنها بخش کوچکی از آن ها به سیم پیچ ثانویه می رسد، که قطعا تلفات انرژی را بالا برده و راندمان انتقال قدرت به شکل قابل توجهی کم خواهد کرد. با وجود هسته ترانس، این تجهیزات در ابعاد کوچک تر و با بازدهی بالاتر عمل می کنند، زیرا هسته مسیر کم مقاومتی برای شار مغناطیسی به وجود آورده و انتقال انرژی را بهینه می سازد.

هسته های ترانسفورماتور بر اساس کاربردهای مختلف در شکل ها و جنس های متفاوتی طراحی می شوند. برای مثال، در فرکانس های پایین (مانند ترانس های شبکه برق) از هسته های فولادی سیلیکونی ورقه ورقه شده بهره می برند، تا تلفات ناشی از جریان های گردابی کاهش یابد، درحالی که در فرکانس های بالا (مانند ترانس های سوئیچینگ) از فریت های مغناطیسی با تلفات کم استفاده می نمایند.

همچنین، هسته ترانس از نظر ساختاری به انواع مختلفی مانند هسته های حلقوی (توروئیدی)، هسته های E-I و هسته های پودری تقسیم بندی و گروه بندی شده، که هرکدام مزایای خاص خود را دارند. انتخاب نوع هسته تأثیر مستقیمی بر عملکرد ترانسفورماتور خواهد گذاشت و به عواملی مانند توان انتقالی، محدوده فرکانسی و میزان تلفات مجاز بستگی دارد. در نتیجه، هسته ترانس نه تنها به عنوان یک جزء فیزیکی، بلکه به عنوان یک عامل کلیدی در بهینه سازی عملکرد ترانسفورماتورها موثرند.

بررسی انواع هسته ترانس از لحاظ جنس

باید بگوییم، که هسته ترانس با توجه به جنسشان در گروه های مختلفی قرار می گیرند، که آن ها را برایتان تشریح می کنیم؛

１. فلزات جامد

خب، یکی از متریال کاربردی برای ساخته هسته ها، فلزات به حالت جامدند، بیایید تا نمونه های مختلف آن را بیان کنیم؛

• آهن

آهن یکی از پرکاربردترین مواد در ساخت هسته های مغناطیسی است. خب، قیمت مناسب و خواص فرومغناطیسی خوب آن باعث شده، تا در بسیاری از تجهیزات الکترومغناطیسی مانند ترانسفورماتورها، موتورها و آهنرباهای الکتریکی بکار روند. این فلز توانسته، میدان های مغناطیسی قوی را تا حدود ۲ تسلا را بدون اشباع شدن تحمل نماید. خب، باید بگوییم یک مشکل اساسی وجود دارد.

آن هم رسانایی الکتریکی بالا بوده، که در کاربردهای AC منجر به تلفات جریان گردابی می گردد. برای بهبود عملکرد در این هسته ترانس، آهن را به صورت “نرم” (با عملیات حرارتی) درمی آورند تا مقاومت مغناطیسی آن کم شود. با این حال، در فرکانس های متناوب، استفاده از آهن خالص و یک تکه امکان پذیر نیست و نیاز به راهکارهای مهندسی مانند ورقه ورقه کردن یا ترکیب با مواد دیگر دارد.

• آهن ورقه ورقه شده

برای غلبه بر مشکل تلفات جریان گردابی در فرکانس های AC، مهندسان از هسته ترانس به شکل لایه لایه شده استفاده می نمایند. در این روش، آهن به صورت ورقه های نازک برش می خورد و بین هر لایه، یک پوشش عایق (مانند لاک یا اکسید) قرار می گیرد تا مسیر جریان های گردابی قطع شود.

با اضافه کردن درصد کمی سیلیکون به آهن، مقاومت الکتریکی آن بیشتر شده و تلفات به حداقل می رسد. این ساختار هوشمندانه عاملی بوده، تا جریان های گردابی مجبور به عبور از مقطع های بسیار باریک شوند و انرژی کمتری به صورت گرما تلف گردد. به همین دلیل، ترانسفورماتورهای قدرت و موتورهای الکتریکی فرکانس پایین عموماً از این نوع هسته بهره می برند.

• آلیاژهای آهن

برای کاربردهای خاص و پیشرفته، آهن خالص برای هسته ترانس کافی نیست. خب در این شرایط مهندسان به سراغ آلیاژهای مهندسی شده مانند Mu-metal، Permalloy و Supermalloy می روند.

این مواد ترکیبی از آهن، نیکل و گاهی کبالت هستند و ویژگی های منحصر به فردی مانند نفوذپذیری مغناطیسی بسیار بالا و تلفات هیسترزیس کم دارند. به ویژه در تجهیزات حساس مانند ترانسفورماتورهای فرکانس بالا، حسگرهای مغناطیسی و سیستم های ارتباطی، این آلیاژها عملکرد بهتری ارائه می دهند.

２. پودر فلزات

از دیگر متریال جهت ساخت هسته ترانس، پودر فلزات می باشد. تصور کنید هزاران ذره ریز فلزی که هر کدام با لایه ای نازک از عایق پوشیده شده اند، زیر فشار شدید به هم فشرده می شوند تا هسته ای یکپارچه اما ناهمگن به وجود آید. این همان فناوری هوشمندانه هسته های پودری بوده، که مهندسان را قادر می سازد تا با کنترل دقیق تراکم ذرات و نوع عایق بندی، مشخصات مغناطیسی هسته را تنظیم کنند.

این هسته ها معمولاً به شکل حلقه های تروئیدی (حلقوی) عرضه خواهند شد و رنگ بدنه آنها توانسته همچون کدهای رنگی مقاومت ها، نوع ماده تشکیل دهنده را فاش نماید. نکته جالب اینجاست که چسب به کار رفته در این هسته ها مانند یک نقطه ضعف می باشد، چرا که در دمای بالا تجزیه شده و عملکرد هسته را تغییر می دهد. به همین دلیل است که انتخاب چسب مناسب (مثلاً اپوکسی با تحمل ۱۲۵°C) برای کاربردهای مختلف حیاتی است.

هسته ترانس از نوع پودری انواع مختلفی دارند. ساده ترین و ارزان ترین نوع آن از پودر آهن ساخته می شود که برای کارهای معمولی و کم فرکانس (زیر ۱۰۰ کیلوهرتز) مناسب است. این نوع هسته در وسایلی مثل ترانسفورماتورهای ساده و فیلترهای الکترونیکی به کار می رود.

اما برای کارهای دقیق تر و فرکانس های بالاتر، از آلیاژهای ویژه زیر بهره می برند؛

– آهن کربونیل: برای کارهای رادیویی و فرکانس بالا

– MPP: برای مدارات خیلی دقیق تا ۱ مگاهرتز

– High-Flux: برای دستگاه های پرقدرت

– Sendust: برای کاهش نویز در وسایل حساس

– نانوکریستال: برای اینورترهای صنعتی بزرگ

هر کدام از این مواد برای کار خاصی طراحی شده اند. مهندسان با توجه به نیاز دستگاه، بهترین گزینه را جهت ساخت هسته ترانس انتخاب می کنند، تا هم کارایی خوبی داشته باشد و هم قیمت آن اقتصادی و به صرفه باشد.

• فریت

یکی دیگر از متریال پر کاربرد در ساخت هسته ترانس، فریت بوده، ‌که از ترکیب اکسیدهای فلزی مانند آهن، روی و منگنز تولید می گردد و به دلیل خاصیت عایق بودن الکتریکی، کاربرد گسترده ای در صنعت الکترونیک دارد. این مواد به دلیل مقاومت بالا در برابر جریان های گردابی، گزینه ای ایده آل برای استفاده در فرکانس های بالا محسوب می شوند.

هسته های فریتی معمولاً چگالی شار اشباع نسبتاً پایینی در حدود ۰.۳ تسلا دارند، اما همین ویژگی باعث می شود در کاربردهایی مانند ترانسفورماتورهای RF، سلف های فرکانس بالا و منابع تغذیه سوئیچینگ عملکرد مناسبی را از خود بروز بدهند.

این هسته ها در اشکال و اندازه های متنوعی ساخته خواهند شد، که بسته به نیاز مدار می توان مناسب ترین نوع را بر گزید. از مزایای اصلی فریت ها می توان به قیمت مناسب، تنوع در طراحی و در دسترس بودن اشاره نمود.

• هسته هوا

در طی بررسی جنس انواع هسته ترانس باید بگوییم، که در برخی کاربردهای خاص، مهندسان ترجیح می دهند از هیچ ماده مغناطیسی در ساختار سیم پیچ استفاده نکنند که به این ساختار، سیم پیچ با هسته هوا گفته می شود. مهم ترین مزیت این طراحی، حذف کامل تلفات مربوط به هسته و جلوگیری از پدیده اشباع مغناطیسی است.

این ویژگی عاملی بوده، از هسته هوا در مواردی که نیاز به میدان های مغناطیسی قوی یا فرکانس های بسیار بالا وجود دارد، استفاده شود.

البته باید توجه داشت که سیم پیچ های با هسته هوا، اندوکتانس بسیار کمتری نسبت به انواع دارای هسته مغناطیسی تولید می نمایند. از کاربردهای رایج این نوع سیم پیچ ها می توان به آنتن های رادیویی، مدار های تشدید و برخی تجهیزات اندازه گیری دقیق اشاره نمود. سادگی ساخت و هزینه پایین از دیگر مزایای این فناوری به حساب می آید.

اشکال مختلف هسته ترانس

خب، باید بگوییم که هسته ترانس از نظر شکل ظاهری نیز مدل های مختلفی دارد، بعضی ار آن ها به صورت ورقه ای و از جنس آهن نرم تولید می شوند، که دارای اشکال ساده ای مانند حروف E و I هستند. این مدل معمولاً در ترانسفورماتورهای قدیمی و بزرگ مشاهده می شود که برای مصارف عمومی مورد استفاده قرار می گیرد.

نمونه دیگر آن، هسته های فریتی بوده، که در تجهیزات الکترونیکی مدرن به کار می روند. این نمونه ها در اشکال متنوعی مانند حلقه ای، مستطیلی و مدل های مسطح تولید و عرضه می گردند، که متناسب با نوع دستگاه، شکل مناسب انتخاب خواهند شد.

هر شکل از هسته ترانس برای کاربرد خاصی طراحی شده است. به عنوان مثال، هسته های حلقه ای برای فرکانس های بالا مناسب هستند، در حالی که مدل های مسطح در گوشی های همراه و لپ تاپ ها بکار مز روند. این تنوع به مهندسان امکان می دهد تا برای هر دستگاه، بهینه ترین و مقرون به صرفه ترین طراحی را انتخاب نمایند. بنابراین هنگام مشاهده ی شارژر موبایل، به خاطر داشته باشید که شکل آن هسته ی کوچک داخلی، دلیل هوشمندی عملکرد آن است!

انواع هسته ترانس بر اساس اندازه

خب، باید در رابطه به هسته ترانس به این نکته نیز اشاره کنیم، که این محصولات از نظر اندازه نیز تنوع دارند.

هرچه ترانسفورماتور نیاز به انتقال توان بیشتری داشته باشد، برای آن نیازمند هسته بزرگتر و سنگین تری هستیم، این یک اصل اساسی در طراحی ترانسفورماتورهاست. به همین دلیل، هسته ها نه تنها در اشکال مختلف، بلکه در اندازه های متنوعی نیز تولید می شوند تا پاسخگوی نیازهای گوناگون باشند.

به عنوان مثال، هسته های فریتی نوع UU در سایزهای استانداردی مانند U120، U93، U80 و… عرضه می شوند که عدد پس از حرف U معمولاً نشان دهنده یکی از ابعاد اصلی هسته (اغلب عرض آن) برحسب میلی متر است. برای نمونه، هسته U120 به این معناست که پهنای آن 120 میلی متر است.

این استانداردسازی در ابعاد هسته ترانس به مهندسان و طراحان کمک نموده، تا با توجه به میزان توان مورد نیاز و محدودیت های فضایی دستگاه، هسته مناسب را به راحتی برگزینند. جالب است بدانید که این تنوع در اندازه ها، باعث شده تا شاهد کاربرد های متنوع ترانس ها باشیم.

به عنوان مثال از شارژرهای موبایل تا نیروگاه ها همگی از ترانس مورد نیاز خود بهره می برند. خب یعنی این که هر سایزی برای کاربرد خاصی بهینه سازی شده است. همچنین باید بگوییم، که ابعاد هسته مانند یک کد سریع عمل می کند که با نگاه کردن به آن می توان حدس زد این ترانسفورماتور برای چه محدوده ای از توان طراحی شده است.

کلام آخر

هسته ترانس نقش کلیدی در تبدیل ولتاژ و انتقال کارآمد انرژی ایفا می کند. با متمرکز کردن میدان مغناطیسی، بازده ترانسفورماتور را افزایش داده و تلفات انرژی را کاهش می دهد. انتخاب نوع هسته از آهن ورقه ای تا فریت و آلیاژهای پیشرفته به عواملی مانند فرکانس کاری، توان انتقالی و محدودیت های فضایی بستگی دارد.

امروزه با پیشرفت مواد مغناطیسی، هسته های هوشمندتری طراحی می شوند که تحول بزرگی در صنعت برق و الکترونیک ایجاد کرده اند. درک ویژگی های هسته به مهندسان فرصت آن را داده، تا سیستم های انرژی کارآمدتری طراحی کنند. آیا اطلاعات مذکور در این مقاله از طاها ترانس به شما کمک کرد، تا هسته ترانس را بهتر بشناسید؟