Teory Transformator

Transformator merupakan suatu peralatan listrik yang digunakan untuk mengubah besaran tegangan arus listrik bolak-balik (AC), seperti menaikkan atau menurunkan tegangan listrik (voltase). Transformator bekerja berdasarkan prinsip fluks listrik dan magnet dimana antara sisi sumber (primer) dan beban (sekunder) tidak terdapat hubungan secara fisik tetapi secara elektromagnetik (induksi-elektromagnet).

Transformator terdiri atas sebuah inti, yang terbuat dari besi berlapis dan dua buah kumparan (lilitan kawat), yaitu kumparan primer dan kumparan sekunder.

Prinsip kerja transformator adalah berdasarkan hukum Ampere dan hukum Faraday, yaitu : arus listrik dapat menimbulkan medan magnet dan sebaliknya medan magnet dapat menimbulkan arus listrik. Jika pada salah satu kumparan pada transformator diberi arus bolak-balik (AC) maka jumlah garis gaya magnet akan berubah-ubah. Akibatnya pada sisi primer terjadi induksi. Sisi sekunder menerima garis gaya magnet dari sisi primer yang jumlahnya berubah-ubah pula. Maka di sisi sekunder juga timbul induksi, akibatnya antara dua ujung kumparan (lilitan) terdapat beda tegangan

Dalam transformator terdapat perhitungan untuk menentukan jumlah lilitan primer dan sekunder agar dapat dihasilkan keluaran dengan tegangan rendah dan arus besar. Rumus yang digunakan adalah :

Keterangan :

Np = Jumlah lilitan primer

Ns = Jumlah lilitan sekunder

Vp = Tegangan Input (primer)

Vs = Tegangan Output (sekunder)

Ip = Arus primer (Input)

Is = Arus Output (sekunder)

Jenis-jenis transformator

1. Step-Up

DC.Transformator step-up adalah transformator yang memiliki lilitan sekunder lebih banyak daripada lilitan primer, sehingga berfungsi sebagai penaik tegangan. Transformator ini biasa ditemui pada pembangkit tenaga listrik sebagai penaik tegangan yang dihasilkan generator menjadi tegangan tinggi yang digunakan dalam transmisi jarak jauh.

 
Simbol transformator step-up

2. Step-Down

Transformator step-down memiliki lilitan sekunder lebih sedikit daripada lilitan primer, sehingga berfungsi sebagai penurun tegangan. Transformator jenis ini sangat mudah ditemui, terutama dalam adaptor AC-DC.

Simbol transformator step-down

3. Autotransformator

Transformator jenis ini hanya terdiri dari satu lilitan yang berlanjut secara listrik, dengan sadapan tengah. Dalam transformator ini, sebagian lilitan primer juga merupakan lilitan sekunder. Fasa arus dalam lilitan sekunder selalu berlawanan dengan arus primer, sehingga untuk tarif daya yang sama lilitan sekunder bisa dibuat dengan kawat yang lebih tipis dibandingkan transformator biasa. Keuntungan dari autotransformator adalah ukuran fisiknya yang kecil dan kerugian yang lebih rendah daripada jenis dua lilitan. Tetapi transformator jenis ini tidak dapat memberikan isolasi secara listrik antara lilitan primer dengan lilitan sekunder.

 
Simbol autotransformator

Selain itu, autotransformator tidak dapat digunakan sebagai penaik tegangan lebih dari beberapa kali lipat (biasanya tidak lebih dari 1,5 kali).

4. Autotransformator variabel

Autotransformator variabel sebenarnya adalah autotransformator biasa yang sadapan tengahnya bisa diubah-ubah, memberikan perbandingan lilitan primer-sekunder yang berubah-ubah

Simbol autotransformator variabel

5. Transformator isolasi

Transformator isolasi memiliki lilitan sekunder yang berjumlah sama dengan lilitan primer, sehingga tegangan sekunder sama dengan tegangan primer. Tetapi pada beberapa desain, gulungan sekunder dibuat sedikit lebih banyak untuk mengkompensasi kerugian. Transformator seperti ini berfungsi sebagai isolasi antara dua kalang. Untuk penerapan audio, transformator jenis ini telah banyak digantikan oleh kopling kapasitor.

6. Transformator pulsa

Transformator pulsa adalah transformator yang didesain khusus untuk memberikan keluaran gelombang pulsa. Transformator jenis ini menggunakan material inti yang cepat jenuh sehingga setelah arus primer mencapai titik tertentu, fluks magnet berhenti berubah. Karena GGL induksi pada lilitan sekunder hanya terbentuk jika terjadi perubahan fluks magnet, transformator hanya memberikan keluaran saat inti tidak jenuh, yaitu saat arus pada lilitan primer berbalik arah.

7. Transformator tiga fasa

Transformator tiga fasa sebenarnya adalah tiga transformator yang dihubungkan secara khusus satu sama lain. Lilitan primer biasanya dihubungkan secara bintang (Y) dan lilitan sekunder dihubungkan secara delta (Δ).

8. Trafo penyesuai frekuensi

9. Trafo penyaring frekuensi

10. Trafo penyesuai impedansi

Kerugian dalam transformator

1. Kerugian tembaga. Kerugian I²­­.R dalam lilitan tembaga yang disebabkan oleh resistansi tembaga dan arus listrik yang mengalirinya.
2. Kerugian kopling. Kerugian yang terjadi karena kopling primer-sekunder tidak sempurna, sehingga tidak semua fluks magnet yang diinduksikan primer memotong lilitan sekunder. Kerugian ini dapat dikurangi dengan menggulung lilitan secara berlapis-lapis antara primer dan sekunder.
3. Kerugian kapasitas liar. Kerugian yang disebabkan oleh kapasitas liar yang terdapat pada lilitan-lilitan transformator. Kerugian ini sangat mempengaruhi efisiensi transformator untuk frekuensi tinggi. Kerugian ini dapat dikurangi dengan menggulung lilitan primer dan sekunder secara semi-acak (bank winding).
4. Kerugian histeresis. Kerugian yang terjadi ketika arus primer AC berbalik arah. Disebabkan karena inti transformator tidak dapat mengubah arah fluks magnetnya dengan seketika. Kerugian ini dapat dikurangi dengan menggunakan material inti reluktansi rendah.
5. Kerugian efek kulit. Sebagaimana konduktor lain yang dialiri arus bolak-balik, arus cenderung untuk mengalir pada permukaan konduktor. Hal ini memperbesar kerugian kapasitas dan juga menambah resistansi relatif lilitan. Kerugian ini dapat dikurang dengan menggunakan kawat Litz, yaitu kawat yang terdiri dari beberapa kawat kecil yang saling terisolasi. Untuk frekuensi radio digunakan kawat geronggong atau lembaran tipis tembaga sebagai ganti kawat biasa.
6. Kerugian arus eddy (arus olak). Kerugian yang disebabkan oleh GGL masukan yang menimbulkan arus dalam inti magnet yang melawan perubahan fluks magnet yang membangkitkan GGL. Karena adanya fluks magnet yang berubah-ubah, terjadi olakan fluks magnet pada material inti. Kerugian ini berkurang kalau digunakan inti berlapis-lapisan.

Pemeriksaan Transformator

Untuk mengetahui sebuah trafo masih bagus atau sudah rusak adalah dengan menggunakan AVO meter. Caranya posisikan AVO meter pada posisi Ohm meter, lalu cek lilitan primernya harus terhubung. Demikian juga lilitan sekundernya juga harus terhubung. Sedangkan antara lilitan primer dan skunder tidak boleh terhubung, jika terhubung maka trafo tersebut konslet (kecuali untuk jenis trafo tertentu yang memang didesain khusus untuk pemakaian tertentu). Begitu juga antara inti trafo dan lilitan primer/skunder tidak boleh terhubung, jika terhubung maka trafo tersebut akan mengalami kebocoran arus jika digunakan. Secara fisik trafo yang bagus adalah trafo yang memiliki inti trafo yang rata dan rapat serta jika digunakan tidak bergetar, sehingga efisiensi dayanya bagus. Dalam penggunaannya perhatikan baik2 tegangan kerja trafo, tiap tep-nya biasanya ditulis tegangan kerjanya misalnya pada primernya 0V – 110V – 220V, untuk tegangan 220 volt gunakan tep 0V dan 220V, sedangkan untuk tegangan 110 volt gunakan 0V dan 110V, jangan sampai salah atau trafo kita bakal hangus! Dan pada skundernya misalnya 0V – 3V – 6V – 12V dsb, gunakan 0V dan tegangan yang diperlukan. Ada juga jenis trafo yang menggunakan CT (Center Tep) yang artinya adalah titik tengah. Contoh misalnya 12V – CT – 12V, artinya jika kita gunakan tep CT dan 12V maka besarnya tegangan adalah 12 volt, tapi jika kita gunakan 12V dan 12V besarnya tegangan adalah 24 volt.

Komponen-Komponen Transformator / Trafo

1. Inti Besi

Inti besi berfungsi untuk mempermudah jalan fluksi, magnetik yang ditimbulkan oleh arus listrik yang melalui kumparan. Dibuat dari lempengan-lempengan besi tipis yang berisolasi, untuk mengurangi panas (sebagai rugi-rugi besi) yang ditimbulkan oleh arus pusar atau arus eddy (eddy current).

2. Kumparan Transformator

Kumparan transformator adalah beberapa lilitan kawat berisolasi yang membentuk suatu kumparan atau gulungan. Kumparan tersebut terdiri dari kumparan primer dan kumparan sekunder yang diisolasi baik terhadap inti besi maupun terhadap antar kumparan dengan isolasi padat seperti karton, pertinak dan lain-lain. Kumparan tersebut sebagai alat transformasi tegangan dan arus.

Transformator Ideal

Pada transformator ideal, tidak ada energi yang diubah menjadi bentuk energi lain di dalam transformator sehingga daya listrik pada kumparan skunder sama dengan daya listrik pada kumparan primer. Atau dapat dikatakan efisiensi pada transformator ideal adalah 100 persen. untuk transformator ideal berlaku persamaan sebagai berikut :

Efisiensi Transformator

Efisiensi transformator didefinisikan sebagai perbandingan antara daya listrik keluaran dengan daya listrik yang masuk pada transformator. Pada transformator ideal efisiensinya 100 %, tetapi pada kenyataannya efisiensi tranformator selalu kurang dari 100 %.hal ini karena sebagian energi terbuang menjadi panas atau energi bunyi.

Efisiensi transformator dapat dihitung dengan :

Transmisi Listrik Jarak Jauh

Pusat pembangkit listrik biasanya terletak jauh dari pemukiman atau pelanggan. Sehingga listrik yang dihasilkan pusat pembangkit listrik perlu ditransmisikan dengan jarak yang cukup jauh. Transmisi energi listrik jarak jauh dilakukan dengan menggunakan tegangan tinggi, dengan alasan sebagai berikut:

• Bila tegangan dibuat tinggi maka arus listriknya menjadi kecil.

• Dengan arus listrik yang kecil maka energi yang hilang pada kawat transmisi (energi disipasi) juga kecil.

• Juga dengan arus kecil cukup digunakan kawat berpenampang relatif lebih kecil, sehingga lebih ekonomis.

Energi listrik atau daya listrik yang hilang pada kawat transmisi jarak jauh dapat dihitung dengan persamaan energi dan daya listrik sebagai berikut:

W = energi listrik (joule)
I = kuat arus listrik (ampere)
R = hambatan (ohm)
t = waktu
P = daya listrik (watt)

Transmisi energi listrik jarak jauh menggunakan tegangan tinggi akan mengurangi kerugian kehilangan energi listrik selama transmisi oleh disipasi.

Contoh Soal :

Contoh cara menghitung jumlah lilitan sekunder :

Untuk menyalakan lampu 10 volt dengan tegangan listrik dari PLN 220 volt digunakan transformator step down. Jika jumlah lilitan primer transformator 1.100 lilitan, berapakah jumlah lilitan pada kumparan sekundernya ?

Penyelesaian :

Diketahui : Vp = 220 V

Vs = 10 V

Np = 1100 lilitan

Ditanyakan : Ns = ………… ?

Jawab :

Jadi, banyaknya lilitan sekunder adalah 50 lilitan.

Contoh cara menghitung arus listrik sekunder dan arus listrik primer :

Sebuah transformator step down mempunyai jumlah lilitan primer 1000 dan lilitan sekunder 200, digunakan untuk menyalakan lampu 12 V, 48 W.

Tentukan :

a. arus listrik sekunder

b. arus listrik primer

Penyelesaian :

Diketahui: Np = 1000 lilitan
Ns = 200 Lilitan
Vp = 12 V
Ps = 48 W

Ditanyakan :

a. Is = ……….. ?
b. Ip = ……….. ?

Jawab :

P = I . V

Jadi, kuat arus sekunder adalah 4 A

Jadi, kuat arus sekunder adalah 0,8 A

Contoh cara menghitung daya transformator :

Sebuah transformator mempunyai efisiensi 80%. Jika lilitan primer dihubungkan dengan tegangan 200 V dan mengalir kuat arus listrik 5 A,
Tentukan:
a. daya primer,
b. daya sekunder

Penyelesaian :

Diketahui :

Ditanyakan :

a. Pp = ……….. ?

b. Ps = ……….. ?

Jawab :

Jadi, daya primer transformator 1000 watt.

Jadi, daya sekunder transformator 800 watt.

Daya listrik 2 MW ditransmisikan sampai jarak tertentu melalui kabel berhambatan 0,01 ohm. Hitung daya listrik yang hilang oleh transmisi tersebut, jika:

1. menggunakan tegangan 200 Volt,
2. menggunakan tegangan 400 kiloVolt ?

Penyelesaian:

Diketahui:

P = 2 MW = 2.106 watt
R = 0,01 ohm

Ditanyakan:

a. P(hilang) pada tegangan 200 Volt = ……….?

b. P(hilang) pada tegangan V= 4.105 volt = ……….?

Jadi, energi yang hilang di perjalanan setiap detiknya 106 watt. Nilai ini sangat besar karena setengah dayanya akan hilang.

Jadi, energi yang hilang di perjalanan setiap detiknya hanya 0,25 watt

Contoh Soal

1. Sebuah trafo memiliki perbandingan lilitan 10 : 2 dihubungkan ke sumber listrik 100V untuk menyalakan sebuah lampu 25 W. Hitunglah tegangan listrik yang diserap oleh lampu dan kuat arus yang masuk kedalam trafo

Jawab :

Diket: Np:Ns = 10 : 2

Vp = 100 V

Ps = 25 W

Dit. Vs = …

Ip = …

Jawab:

Np : Ns = Vp : Vs 10 : 2 = 100 : Vs Vs = 20 V

Pp = Ps Vp . Ip = Ps 100 . Ip = 25 Ip = 0,25 A

2. Sebuah trafo memiliki perbandingan lilitan kumparan 10:1 dihubung-kan ke listrik 100 V untuk menyalakan sebuah lampu 7,5 W. Jika efisiensi trafo 75 %, berapakah arus listrik pada kumparan primer?

Diket: Np : Ns = 10:1

Vp = 100 V

Ps = 7,5W

η = 75%

Dit Ip = …

Jawab:

η = (Ps/Pp)X100 % 75 % = 7,5/Pp X 100% 0,75 = 7,5/Pp Pp = 7,7/0,75 = 10 W

Pp = Vp . Ip 10 = 100 . Ip Ip = 0,1 A

PERENCANAAN PENGGULUNGAN TRANSFORMATOR

Bahan–bahan yang diperlukan untuk menggulung suatu transformator antara lain :

a. Kern
Kern atau teras besi lunak yang terbentuk dari kumparan besi lunak yang mengandung silicon yang berbentuk seperti :

huruf E dan I

b. Koker
Koker atau rumah atau tempat mengulung kumparan primer dan sekunder

c. Kawat email
Kawat email yang terbuat dari tembaga yang dilapiskan bahan isolasi yang tahan panas.

Penentuan Gulungan atau volt

Pada system penggulungan trafo, biasa terjadi penyimpangan kerugian. Seperti kerugian kawat email dan kerugian panas tidak diperhitungkan. Kerugian seperti ini sekitar 20% sampai 30% dari tembaga gulunganPrimer.

Apabila kita ingin merencanakan gulungan sekunder 100 watt, maka tenaga primer harus lebih 20% sampai 25% dari tenaga sekunder. Yang harus selalu diingat bahwa setiap kali tegangan gulungan sekunder diberi beban tegangannya akan turun.

Keterangan :
I2 = arus yang mengalir ke beban
E1 = tegangan gulungan primer dari PLN
E2 = tegangan gulungan sekunder

Di negara kita tegangan listrik berfrekuensi sekitar 50 sampai 60 circle/second. Oleh sebab itu untuk menghitung gulungan pervolt kita dapat memakai rumus :

Circle per second x 1 gulungan
Keliling besi kern untuk koker

Untuk menghindarkan panasnya transformator tenaga kita dapat memakai standar 56 circle/second sebagai dasar perhitungan. Jadi rumus perhitungan jumlah gulungan per volt :

56 x 1 gulungan
Keliling besi kern untuk koker
GULUNG PER VOLT

Yang dimaksud dengan gulungan per volt yaitu sejumlah gulungan kawat yang disesuaikan untuk tegangan sebesar 1 Volt. Untuk menetapkan besar jumlah gulung per volt dipakai ketentuan :

Rumus :

gpv = f / O

Dimana
Gpv = jumlah gulung per volt
f = frekuensi listrik (50 Hz)
O = luas irisan teras diukur dengan cm2. (hasil kali dari lebar dan tinggi tempat gulungan

Contoh 1 :

Sebuah tempat gulung kawat transformator mempunyai ukuran lebar 2,5 cm dan tinggi 2 cm. Besar jumlah gulungan per volt ?

Jawab :

gpv = f / O

f = 50 Hz

O = 2,5 x 2 = 5 Cm2

gpv = 50 / 5
= 10 gulung / volt

(setiap 10 lilitan kawat berlaku untuk tegangan sebesar 1 volt)

Contoh 2 :

Dibutuhkan sebuah transformator dengan tegangan 220 V untuk gulung primer dan tegangan 6 V digulungan sekundernya, lebar tempat gulungan kawat 2,5 cm dan tinggi 2 cm. Berapa jumlah gulungan atau banyaknya lilitan untuk kawatprimer dan sekunder.

Jawab :

O = 2,5 x 2 = 5 cm2
gpv = 50 / 5 = 10

Jadi untuk gulung primer dibutuhkan sejumlah 220 x 10 = 2200 lilitan. Untuk gulungan sekunder dibutuhkan 6 x 10 = 60 lilitan. Mengingat selalu adanya tenaga hilang di tansformator jumlah lilitan digulungan sekunder ditambahkan 10% = 60 +6 = 66 lilitan.

Dengan jumlah lilitan tersebut diatas, maka bila gulung primer dihubungkan kepada tegangan listrik jala–jala sebesar 220 V, gulungan sekundernya menghasilkan tegangan sebesar 6 volt.

GARIS TENGAH KAWAT

Garis tengah atau tebal kawat tembaga menentukan kemampuan kawat dilalui arus listrik. Bila listrik yang mengalir di dalam kawat melebihi kemapuan dari kawat, maka akan mengakibatkan kawat menjadi panas dan jika arus yang melaluinya jauh lebih besar dari kemampuan kawat, kawat akan terbakar dan putus.

Contoh 3

Suatu alat memakai tenaga listrik 400 Watt dipasang pada tegangan 20 V. Berapa garis tengah kawat yang dibutuhkan untuk menghubungkan alat tersebut ke sumber aliran?

W = 400 Watt
E = 200 Volt
I = W/E I = 400/200 I = 2 Ampere

Agar mampu dilewati arus sebesar 2 A dipakai kawat dengan ukuran garis tengah 1 mm. Transformator jala-jala umumnya mempunyai gulungan yang bercabang guna menyesuaikan tegangan.

Contoh perencanaan mengulung trafo

Perencanakan sebuah transformator jala-jala dengan data-data sebagai berikut :

Teras besi yang dipergunakan mempunyai lebar 2,5 cm dan tinggi 2 cm. Dikehendaki gulungan primer untuk dipasang pada tegangan 110 V atau 220 V dan gulungan sekunder yang menghasilkan tegangan 6 V dan 9 V, yang menghasilkan arus 500 mA.
Tentukan berapa jumlah gulung primer dan gulung sekunder beserta cabang-cabangnya. Berapa ukuran tebal kawat yang dibutuhkan.

Pemecahannya:

0 = 2,5 x 2 = 5 Cm²
gpv = 50/5 = 10

Jumlah gulungan primer untuk 110 V : 110 X 10 = 1100 lilitan
Jumlah gulung primer untuk 220 V : 220 X 10 = 2200 lilitan.
Jumlah gulungan sekunder untuk 6 V : 6 X 10 = 60 lilitan + 10% = 66 lilitan.
Jumlah gulungan sekunder untuk 9 V : 9 X 10 = 90 lilitan + 10% = 99 lilitan.

Cara menggulung kawatnya untuk tegangan 110 V dan 220 V tidak digulung sendiri-sendiri, tetapi cukup mencabang sebagai berikut:

Digulung dulu sebanyak 1100 lilitan untuk 110 V, kemudian ujung dari akhir gulungan disalurkan keluar sebagai cabang untuk kemudian digulung lagi sebanyak 1100 lilitan lagi untuk tegangan 2200 V.
Demikian halnya pada gulungan sekunder: kawat digulung dulu sebesar 66 lilitan untuk tegangan 6 V kemudian di cabang, untuk kemudian ditambah gulungan lagi sebesar 33 lilitan buat tegangan 9 V.

Selanjutnya untuk menentukan tebal atau diameter kawat digulung primer dan digulung sekunder dilakukan sebagai berikut:

Tebal kawat sekunder :
Karena gulung sekunder telah ditentukan mempunyai besar arus 500 mA, diperlukan kawat yang mempunyai diameter 0,5 mm (dilihat di daftar tebal kawat)

Tebal kawat primer :

Untuk menentukan tebal kawat untuk kawat gulungan primer harus diketahui besar arus primer .

Besar arus primer: II = WL/EI

Dimana :

II = besar arus primer.
WL = tenaga digulung primer.
EI = tegangan primer.

Karena besar tegangan primer juga belum diketahui, maka dapat ditentukan dengan memakai rumus :

W1 = 1,25 x W2 (rendemen dianggap 80%)

W1 = besar tegang digulung primer

W2 = besar tegangan digulung sekunder.

Besar tegangan sekunder W2 = E2 X 12.

W2 = tegangan sekunder.

E2 = tegangan sekunder.

Besar arus dan tegangan sekunder telah diketahui yaitu: 9 V, 0,5 A. (500mA)

Besar tegangan sekunder : W2 = 0 X 0,5 = 4,5 Watt

Besar tegangan primer : W1 = 1,25 X W2

= 1,25 X 4,5

= 5,625 Watt dibutuhkan 5,6 Watt

Besar arus primer : I1 = W1/E1

I1 = 5,6/220

= 0,025 A = 25 mA.

Menurut daftar tebal kawat primer untuk untuk 25 mA berukuran: 0,15 mm. Dari keterangan di atas transformator yang direncanakan mempunyai ukuran-ukuran seperti dibawah ini:

Jumlah gulung primer untuk 110 V : 1100 lilitan, diberi cabang kemudian digulung lagi sebanyak 1100 lilitan, untuk 220 V.

Gulung sekunder untuk 6 V : 66 lilitan, diberi cabang dan ditambah 33 lilitan untuk 9 V. Tebal kawat 0,15 mm. Tebal kawat sekunder 0,5 mm.

Cara menggulung kawat trafo dilakukan dengan melilitkan kawat secara merata syaf demi syaf. Antara syaf satu dengan yang lainnya diberi isolasi kertas tipis. Pembuatan cabang dari lilitan dilakukan dengan membengkokkan kawat diluar lilitan, untuk kemudian dilanjutkan manggulung lagi kawat sampai selesai.

Guna melakukan itu semua, pada lobang tempat gulungan dimasukkan sepotong kayu ukuran yang sesuai yang pada kedua belah ujung intinya dimasukkan as dari logam yang berhubungan dengan alat pemutar.

Apakah bagian primer atau sekunder yang digulung terlebih dulu tidak menjadi soal karena keduanya akan memberikan hasil yang sama.