TRANSFORMATOR

Transformator atau transformer atau trafo adalah komponen elektromagnet yang dapat mengubah taraf suatu tegangan AC ke taraf yang lain.

Transformator step-down

Adaptor AC-DC merupakan piranti yang menggunakan transformator step-down

Prinsip kerja

Secara sederhana cara kerja transformator adalah seperti perputaran tegangan arus bolak balik (AC). Lebih detailnya tentang cara kerja ini adalah ketika lilitan primer dihubungkan dengan tegangan arus bolak balik maka menimbulkan perubahan arus listrik pada lilitan primer yang mempengaruhi medan magnet. Medan magnet yang telah berubah ini semakin diperkuat dengan adanya inti besi dan inti besi tersebut menghantarkannya ke lilitan sekunder. Hal ini akan mengakibatkan timbulnya ggl induksi pada masing-masing ujung lilitan sekunder.

Hubungan Primer-Sekunder

Rumus untuk fluks magnet yang ditimbulkan lilitan primer adalah 

dan rumus untuk GGL induksi yang terjadi di lilitan sekunder adalah 

Karena kedua kumparan dihubungkan dengan fluks yang sama, maka

dimana dengan menyusun ulang persamaan akan didapat

sedemikian hingga

Dengan kata lain, hubungan antara tegangan primer dengan tegangan sekunder ditentukan oleh perbandingan jumlah lilitan primer dengan lilitan sekunder.

Efisiensi transformator dapat diketahui dengan rumus

Karena adanya kerugian pada transformator. Maka efisiensi transformator tidak dapat mencapai 100%. Untuk transformator daya frekuensi rendah, efisiensi bisa mencapai 98%.

Rumus yang digunakan untuk menghitung lilitan sekunder adalah besar tegangan listrik yang dibutuhkan alat elektronik anda dibagi besarnya tegangan listrik di rumah anda dikali dengan jumlah banyaknya lilitan primer yang terdapat pada transformator. Contoh, tegangan listrik yang dibutuhkan untuk charger hp 10 volt pada tegangan listrik rumah sebesar 220 volt dan jika kumparan primer yang terdapat pada transformatornya adalah 1.100 lilitan, jadi rumus menghitungnya 10 volt per 220 volt dikali 1100 maka hasilnya adalah 50. Angka 50 tersebut adalah jumlah dari lilitan skundernya. 

Dimana:

N = jumlah lilitan kumparan 

φ = fluk magnet

Vp = tegangan primer

Ip = arus primer

Vs = tegangan sekunder

Is = arus sekunder

E = GGL induksi

P = daya

Kerugian dalam transformator

Perhitungan diatas hanya berlaku apabila kopling primer-sekunder sempurna dan tidak ada kerugian, tetapi dalam praktek terjadi beberapa kerugian yaitu:

1. kerugian tembaga. Kerugian  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 memengaruhi 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-lapis.

Jenis-jenis transformator

• Step-Up
  
  
  

  

  lambang transformator step-up

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. Arus tegangan yang masuk dari lilitan primer tersebut akan berputar mengikuti lilitan dan kemudian akan keluar dengan daya arus yang lebih besar dari bagian lilitan sekunder. 

• Step-Down

  

  skema transformator step-down

Transformator step-down memiliki lilitan sekunder lebih sedikit daripada lilitan primer, sehingga berfungsi sebagai penurun tegangan. Dengan perbedaan jumlah lilitan tersebut, arus tegangan listrik yang masuk ke lilitan bagian primer akan diputar dan di keluarkan dari lilitan bagian sekunder dengan hasil daya arus yang lebih kecil. Transformator jenis ini sangat mudah ditemui, terutama dalam adaptor AC-DC dan banyak digunakan di peralatan listrik rumahan seperti radio, computer, televisi dan peralatan listrik lainnya, yang merubah besarnya arus listrik rumah sehingga dapat digunakan di peralatan tersebut.

• Autotransformator 

  

  skema autotransformator variabel

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

• 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.

• 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.

• Transformator tiga fase

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

GENERATOR AC

Generator merupakan sebuah alat yang mampu menghasilkan arus listrik. salah satu jenis generator adalah generator arus bolak balik yang akan dibahas saat ini. Generator arus bolak-balik berfungsi mengubah tenaga mekanis menjadi tenaga listrik arus bolak-balik. Generator Arus Bolak-balik sering disebut juga sebagai alternator atau generator AC (alternating current) atau juga generator singkron. Alat ini sering dimanfaatkan di industri untuk mengerakkan beberapa mesin yang menggunakan arus listrik sebagai sumber penggerak. Generator AC berupa generator singkron, magnet permanent diletakkan dibagian tengah yang berfungsi sebagai rotor. Sedangkan statornya berbentuk kumparan besi lunak. Ketika rotor berputar dihasilkan tegangan induksi di bagian statornya. 

Konstruksi Generator AC,

Ketika rotor berputar, terjadi perubahan medan magnet pada gigi yang kemudian mengimbas ke gulungan stator. Kelebihan utama dari generator AC adalah relatif tahan terhadap korosi dan debu, sedangkan kelemahannya adalah tidak memberikan informasi arah gerak.

Berdasarkan sistem pembangkitannya generator AC dapat dibagi menjadi 2 yaitu :

1. Generator AC satu fasa
2. Generator AC dua fasa

Generator AC satu fasa

Pada motor satu fasa memiliki dua belitan stator, yaitu belitan fasa utama (belitan U1-U2) dan belitanfasa bantu (belitan Z1-Z2) untukmenghasilkan medan putar dan padarotor sangkar terjadi induksi dan interaksi torsi yang menghasilkan putaran, lihat gambar dibawah

Generator AC 3 fasa

Generator yang dimana dalam sistem melilitnya terdiri dari tiga kumpulan kumparan yang mana kumparan tersebut masing-masing dinamakan lilitan fasa. Jadi pada statornya terdapat 3 yang masing-masing terpisah sebesar 120 derajat listrik dalam ruang sekitar keliling celah udara. Masing-masing lilitan akan menghasilkan gelombang Fluksi sinus satu dengan lainnya berbeda 120 derajat listrik.

Motor DC dan Genarator

Banyaknya penggunaan alat-alat elektronik dalam dunia militer sangatlah banyak, mulai dari rangkaian yang sederhana sampai rangkaian yang rumit seperti rangkaian pada peluru kendali. Terdapat dua jenis motor generator yang umum digunakan  yaitu model generator AC dan model generator DC, pada kesempatan ini saya akan menjelaskan tentang prinsip dari generator DC dan mekanisme pembangkitannya. Dasar untuk memahami generator DC dan mekanisme pembangkitannya adalah  bangkitan sederhana dari gaya perpindahan elektron  atau Eletron Mobile Force (EMF),  energi mekanik  pada kawat atau konductor yang bergerak memutus garis-garis gaya medan magnet akan menghasilkan EMF pada konduktor, menggerakan kawat pada satu arah akan menghasil EMF menuju arah tertentu, dan menggerakkan kawat kearah yang berlawanan akan menghasilkan EMF mengalami perubahan arah, dan menggerakkan kawat kearah harizontal tidak akan menimbulkan EMF karena tidak ada garis gaya medan magnet yang terputus.

Untuk mengilustrasikan aliran arus yang terjadi kita dapat menggunakan cara konvensional yang simpel, dengan arus yang bergerak menjauhi kita dapat dilambangkan dengan x (cross) dan arus yang bergerak mendekati kita dapat dilambangkan dengan  titik. Pembangkitan EMF juga dapat dilakukan dengan memutar armatur pada medan magnet statis diantara dua magnet dengan kutub magnet yang berlawanan, hal ini akan mengkasilkan dua arah EMF yang yang berlawanan secara bergantian, karena sisi armatur akan memutus medan magnet dari bawah dan atas secara bergantian.

EMF yang dihasilkan tersebut dipengaruhi oleh 3 faktor yaitu: 

1. kuat medan magnet atau yang ekuivalen dengan jumlah garis gaya medan magnet yang terbentuk (B).
2. Panjang konduktut yang memutus medan magnet (l)
3. Kecepatan gerak dari konduktor (v)

Sehingga EMF dapat dirumuskam sebagai berikut:

e = B x l x v

Dapat disimpulkan, menambah kuat medan magnet atau menambah panjang dari konduktor atau mempercepat gerak konduktor memotong medan magnet akan dapat meningkatkan EMF yang terbentuk. Perumusan ini hanya berlaku jika kawat konduktor bergerak dalam garis lurus, atau dengan kata lain pemutusan garis dengan magnet dengan jumlah yang sama pada setiap gerakannya. Tetapi pada mesin yang sebenarnya konduktor tidak bergerak dalam garis lurus melainkan bergerak secara rotasi.

Ketika konduktor bergerak secara melingkar, jumlah garis medan magnet yang terputus adalah bervariasi tergantung pada posisi dari konduktor. Pada saat kondutor berada diatas atau di bawah dari medan magnet, maka tidak ada garis gaya magnet yang terpotong sehingga tidak ada EMF yang timbul. Tetapi pada saat konduktor berputar jumlah garis gaya medan magnet yang terpotong akan bertambah dan EMF maksimum yang ditimbulkan adalah pada jumlah pemotongan gaya medan magnet maksimum yaitu pada sudut 90o dan 270o . Artinya ketika konduktor berputar 360o secara mekanik akan menghasilkan EMF dengan sudut 360o secara elektrik. 

Sehingga besar EMF yang terbentuk bergantung pada posisi sudut dari konduktor, dan dapat dirumuskankan menjadi:

e = B.l.v.sin θ

sehingga arus yang di hasilkan secara internal oleh semua generator adalah dalam bentuk gelombang sinus atau arus bolak-balik (AC), dan untuk mendapatkan keluaran arus searah (DC) kita perlu menambahkan komutator, sehingga EMF yang digunakan hanya satu arah saja.

Generator DC

Gelombang DC yang terbentuk masih sangat kasar karena hanya menggunakan satu armatur saja. Dan untuk memperlahus gelombang yang dihasilkan oleh genarator, bisa dilakukan dengan menambah jumlah armatur atau dengan menambah jumlah magnet sehingga medan magnet yang akan terpotong akan semakin banyak.

Penambahan armatur dan penambahn magnet untuk memperhalus gelombang

Permasalahan yang selalu muncul pada setiap generator adalah berpindahnya garis netral (EMF=0), hal ini terjadi karena ketika armatur berputar memotong medan magnet, ia akan bergesekan dengan medan magnet dan akan menimbulkan medan magnet baru yang dapat merusak medan magnet yang sebenarnya. Ada dua cara untuk mengatasi masalah ini yaitu dengan mengatur ulang posisi sumbu putar armatur atau dengan menambah magnet baru diantara kedua magnet yang ada sebelunya, sehing medan magnet baru akan memperbaiki medan magnet yang awal.

Generator DC bisa dibuat dengan menggunakan medan elektro magnetik atau dengan menggunakan magnet permanen, magnet permanen biasanya digunakan untuk alat-alat yang kecil misalnya generator pada telephone, untuk keperluan yang lebih besar bisa menggunakan generator dengan elektro magnet.

DC generator dapat disimbolkan dengan lambang induktor, generator dengan menggunakan medan elektro magnet dapat diklasifikasikan berdasar posisi induktor menjadi:

1. Bangkitan secara terpisah, ketika induktor berada diluar sistem generator.
2. Bangkitan secara mandiri, ketika induktor berhubungan langsung dengan generator.

Dan dapat pula diklasifikasikan berdasarkan jenis rangkaian:

1. Rangkaian seri (series wound), pengaturan tegangannya sangat buruk.
2. Rangkaian paralel (shunt wound), pengaturan tegangan sangat baik tetapi pengaturan arusnya sangat buruk.
3. Rangkaian gabungan seri dan paralel (compound wound), mengkombinasikan antara rangkaian seri dan paralel, sehingga arus dan voltasenya menjadi stabil terhadap perubahan beban.

Generator DC adalah pemanfaatan perubahan energi mekanik menjadi energi listrik, jika kita menggunakan out put dari generator sebagi in put dan dialirkan listrik, maka generator tersebut akan beralih fungsi menjadi motor DC. Fenomena ini dapat di ilustrasikan sebagai berikut, apabila konduktor yang berada dalam medan magnet dialiri arus listrik, maka akan terjadi polaritas pada konduktor, kutub utara magnet akan menarik kutub selatan kawat dan menolak kutub utaranya. Hal ini akan menciptakan pergerakan yang arahnya tergantung pada arah medan magnet, dengan merubah polaritas dari baterai maka kawat akan bergerak kearah yang berlawanan. Konduktor bergerak kerah medan magnet yang lemah, ketika medan dibawah konduktor lebih kuat dari pada medan diatas konduktor, maka konduktor akan bergerak keatas, tetapi ketika polaritas baterai dirubah maka kondisi yang terjadi akan berlawanan. Hal ini yang menjadi dasar armatur dapat bergerak, tetapi ketika armatur yang digunakan hanya satu maka posisi armatur akan berada sejajar dengan garis netral medan magnet, maka diperlukan armatur tambahan untuk membuat komutator berputar secara kontinyu.

Ketika suatu konduktor bergerak dengan energi mekanik dalam medan magnet maka akan ada EMF yang muncul, inilah yang dimaksud dengan EMF generator. Selanjutnya EMF akan mengalir pada konduktor yang disebut dengan CEMF (Conductor Electro Mobile Force), peningkatan CEMF akan meningkatkan kecepatan rotasi motor. Pengaruh CEMF terhadap kinerja dari motor DC pada praktiknya adalah sebagi merikut:

1. Motor yang dirangkai secara seri akan memiliki kecepatan (gaya) putar awal (starting) yang baik, kecepatan rotasi akan terus meningkat hingga dapat menyebabkan kerusakan pada motor. Hal ini dapat diatasi dengan menambahkan beban pada motor yang berfungsi sebagai kontrol putar.
2. Motor yang dirangkai secara paralel meliki kecepatan awal yang kurang baik akan tetapi putaran motor akan tetap stabil, penambahan beban yang di berikan tidak akan mempengaruhi kecepatan putar motor tetapi akan berpengaruh pada arus in put yang dibutuhkan.
3. Motor yang dirangkai secara ganda (gabungan seri dan paralel), akan memiliki kecepatan awal yang baik dan stabilitas putaran yang baik. Dengan syarat untuk start awal menggunakan rangkaian seri, dan selanjutnya menggunakan rangkaian paralel.