Transformator (Trafo)

Transformator atau trafo merupakan sebuah komponen elektromagnet yang berfungsi untuk mengubah taraf suatu tegangan AC ke taraf yang lain. Umumnya, Transformator adalah suatu alat listrik yang dapat memindahkan dan mengubah energi listrik dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain, melalui suatu gandengan magnet dan berdasarkan prinsip induksi-elektromagnet.

Penggunaan Transformator

Transformator digunakan secara luas, baik dalam bidang tenaga listrik maupun elektronika. Penggunaan transformator dalam sistem tenaga listrik memungkinkan terpilihnya tegangan yang sesuai dan ekonomis untuk tiap-tiap keperluan, misalnya kebutuhan akan tegangan tinggi dalam pengiriman daya listrik jarak jauh.

Dalam bidang elektronika, transformatord banyak digunakan antara lain sebagai gandengan impedansi antara sumber dan beban, untuk memisahkan satu rangkain dari rangkaian yang lain, dan untuk menghambat arus searah sambil tetap melakukan atau mengalirkan arus bolak-balik antara rangkaian. Serta pada peralatan-peralatan listrik terutama yang memerlukan perubahan atau penyesuaian besarnya tegangan bolak-balik. Misal radio memerlukan tegangan 12 volt padahal listrik dari PLN 220 volt, maka diperlukan transformator untuk mengubah tegangan listrik bolak-balik 220 volt menjadi tegangan listrik bolak-balik 12 volt. Contoh alat listrik yang memerlukan transformator adalah: TV, komputer, mesin foto kopi, gardu listrik dan banyak lagi yang lainnya.

Prinsip Kerja Transformator

Pada dasarnya Transformator terdiri dari 3 komponen pokok yaitu: kumparan pertama (primer) yang bertindak sebagai input, kumparan kedua (skunder) yang bertindak sebagai output, dan inti besi yang berfungsi untuk memperkuat medan magnet yang dihasilkan.

Prinsip kerja dari sebuah transformator adalah sebagai berikut. Ketika Kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik, perubahan arus listrik pada kumparan primer menimbulkan medan magnet yang berubah. Medan magnet yang berubah diperkuat oleh adanya inti besi dan dihantarkan inti besi ke kumparan sekunder, sehingga pada ujung-ujung kumparan sekunder akan timbul ggl induksi. Efek ini dinamakan induktansi timbal-balik (mutual inductance).

Pada skema transformator di atas, ketika arus listrik dari sumber tegangan yang mengalir pada kumparan primer berbalik arah (berubah polaritasnya) medan magnet yang dihasilkan akan berubah arah sehingga arus listrik yang dihasilkan pada kumparan sekunder akan berubah polaritasnya.

Hubungan antara tegangan primer, jumlah lilitan primer, tegangan sekunder, dan jumlah lilitan sekunder, dapat dinyatakan dalam persamaan:

 

Keterangan :

• Vp = tegangan primer (volt) 
• Vs = tegangan sekunder (volt) 
• Np = jumlah lilitan primer 
• Ns = jumlah lilitan sekunder 

Besarnya tegangan yang dikeluarkan oleh kumparan sekunder adalah :

1. Sebanding dengan banyaknya lilitan sekunder (Vs ~ Ns). 
2. Sebanding dengan besarnya tegangan primer ( VS ~ VP). 
3. Berbanding terbalik dengan banyaknya lilitan primer, 

Sehingga dapat dituliskan:

  

 

Contoh :

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

Jenis-jenis Transformator

Berdasarkan perbandingan antara jumlah lilitan primer dan jumlah lilitan skunder transformator ada dua jenis yaitu:

1. Transformator Step-Up

Transformator Step-Up yaitu transformator yang berfungsi sebagai untuk menaikkan tegangan, transformator ini mempunyai jumlah lilitan kumparan sekunder lebih banyak daripada jumlah lilitan primer (Ns > Np). Transformator ini biasa ditemui pada pembangkit tenaga listrik sebagai penaik tegangan yang dihasilkan generator menjadi tegangan tinggi yang digunakan dalam transmisi jarak jauh. 

2. Transformator Step-Down

Transformator step down yaitu transformator yang berfungsi untuk menurunkan tegangan, transformator ini mempunyai jumlah lilitan kumparan primer lebih banyak daripada jumlah lilitan sekunder (Np > Ns). Transformator jenis ini banyak ditemui terutama pada adaptor AC-DC.

Berikut Jenis Transformator Yang Lain Diantaranya :

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

2. Autotransformator variabel

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

3. 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.

4. 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.

5. 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).

Kerugian dalam transformator

Beberapa kerugian yang diakibatkan oleh pemakaian Transformator diantaranya :

1. Kerugian tembaga. Kerugian I²R 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.

Cukup sekian dulu Sobat Blogger, Semoga bermanfaat.

Referensi:

http://www.elektroindonesia.com/elektro/ener36b.html

http://id.wikipedia.org/wiki/Transformator

http://www.e-dukasi.net/mapok/mp_full.php?id=286

http://www.homepagez.com/pkdst/trafo/transformator_hal_1.html

Induktor

Induktor merupakan sebuah komponen elektronika pasif yang dapat menyimpan energi pada medan magnet yang ditimbulkan oleh arus listrik yang melintasinya. Biasanya sebuah induktor adalah sebuah kawat penghantar yang dibentuk menjadi kumparan, lilitan membantu membuat medan magnet yang kuat di dalam kumparan dikarenakan hukum induksi Faraday. Kemampuan induktor untuk menyimpan energi magnet ditentukan oleh induktansinya, dalam satuan Henry. Induktor merupakan salah satu komponen dasar yang digunakan dalam rangkaian yang arus dan tegangannya berubah-ubah dikarenakan kemampuan induktor untuk memproses arus bolak-balik. Induktor (lilitan) atau disebut juga reaktor bukanlah merupakan komponen yang sangat umum dalam rangkaian elektronika, namun ketika mereka digunakan, dibutuhkan pemahaman.

Induktor banyak ditemui dalam rangkaian osilator, penerima radio, pemancar dan perangkat sejenis yang mengandung rangkaian-rangkaian osilasi. Dalam perangkat amatir, gulungan dapat dibuat oleh lilitan satu atau lebih lapisan kawat tembaga terisolasi ke mantan seperti PVC, kardus, dll. Induktor dibuat dalam berbagai bentuk dan ukuran, tetapi fitur umum untuk semua adalah tubuh terisolasi dengan berubah dari kawat tembaga.

Sebuah induktor ideal memiliki induktansi, tetapi tidak memiliki resistansi atau kapasitansi, dan tidak memboroskan daya. Pada kenyataanya sebuah induktor merupakan gabungan dari induktansi, beberapa resistansi karena resistivitas kawat, dan beberapa kapasitansi. Pada suatu frekuensi, induktor dapat menjadi sirkuit resonansi karena kapasitas parasitnya. Selain memboroskan daya pada resistansi kawat, induktor berinti magnet juga memboroskan daya di dalam inti karena efek histeresis, dan pada arus tinggi mungkin mengalami nonlinearitas karena penjenuhan.

Konstruksi induktor

Sebuah induktor biasanya dikonstruksi sebagai sebuah lilitan dari bahan penghantar, biasanya kawat tembaga, digulung pada inti magnet berupa udara atau bahan feromagnetik. Bahan inti yang mempunyai permeabilitas magnet yang lebih tinggi dari udara meningkatkan medan magnet dan menjaganya tetap dekat pada induktor, sehingga meningkatkan induktansi induktor. Induktor frekuensi rendah dibuat dengan menggunakan baja laminasi untuk menekan arus eddy. Ferit lunak biasanya digunakan sebagai inti pada induktor frekuensi tingi, dikarenakan ferit tidak menyebabkan kerugian daya pada frekuensi tinggi seperti pada inti besi. Ini dikarenakan ferit mempunyai lengkung histeresis yang sempit dan resistivitasnya yang tinggi mencegah arus eddy. 

Induktor dibuat dengan berbagai bentuk. Sebagian besar dikonstruksi dengan menggulung kawat tembaga email disekitar bahan inti dengan kaki-kali kawat terlukts keluar. Beberapa jenis menutup penuh gulungan kawat di dalam material inti, dinamakan induktor terselubungi. Beberapa induktor mempunyai inti yang dapat diubah letaknya, yang memungkinkan pengubahan induktansi. Induktor yang digunakan untuk menahan frekuensi sangat tinggi biasanya dibuat dengan melilitkan tabung atau manik-manik ferit pada kabel transmisi. Induktor kecil dapat dicetak langsung pada papan rangkaian cetak dengan membuat jalur tembaga berbentuk spiral. Beberapa induktor dapat dibentuk pada rangkaian terintegrasi menhan menggunakan inti planar. Tetapi bentuknya yang kecil membatasi induktansi. Dan girator dapat menjadi pilihan alternatif.

Fungsi Induktor

Induktor sering digunakan pada sirkuit analog dan pemroses sinyal. Induktor berpasangan dengan kondensator dan komponen lain membentuk sirkuit tertala. Penggunaan induktor bervariasi dari penggunaan induktor besar pada pencatu daya untuk menghilangkan dengung pencatu daya, hingga induktor kecil yang terpasang pada kabel untuk mencegah interferensi frekuensi radio untuk dprd melalui kabel. Kombinasi induktor-kondensator menjadi rangkaian tala dalam pemancar dan penerima radio. Dua induktor atau lebih yang terkopel secara magnetik membentuk transformator.

Induktor digunakan sebagai penyimpan energi pada beberapa pencatu daya moda sakelar. Induktor dienergikan selama waktu tertentu, dan dikuras pada sisa siklus. Perbandingan transfer energi ini menentukan tegangan keluaran. Reaktansi induktif XL ini digunakan bersama semikonduktor aktif untuk menjaga tegangan dengan akurat. Induktor juga digunakan dalam sistem transmisi listrik, yang digunakan untuk mengikangkan paku-paku tegangan yang berasal dari petir, dan juga membatasi arus pensakelaran dan arus kesalahan. Dalam bidang ini, indukutor sering disebut dengan reaktor. Induktor yang memiliki induktansi sangat tinggi dapat disimulasikan dengan menggunakan girator.

Jenis-jenis lilitan

1. Lilitan ferit sarang madu

Lilitan sarang madu dililit dengan cara bersilangan untuk mengurangi efek kapasitansi terdistribusi. Ini sering digunakan pada rangkaian tala pada penerima radio dalam jangkah gelombang menengah dan gelombang panjang. Karena konstruksinya, induktansi tinggi dapat dicapai dengan bentuk yang kecil.

2. Lilitan inti toroid 

Sebuah lilitan sederhana yang dililit dengan bentuk silinder menciptakan medan magnet eksternal dengan kutub utara-selatan. Sebuah lilitan toroid dapat dibuat dari lilitan silinder dengan menghubungkannya menjadi berbentuk donat, sehingga menyatukan kutub utara dan selatan. Pada lilitan toroid, medan magnet ditahan pada lilitan. Ini menyebabkan lebih sedikit radiasi magnetik dari lilitan, dan kekebalan dari medan magnet eksternal.

Karakteristik Induktor (Lilitan)

Karakteristik dasar dari Induktor (Lilitan) adalah induktansi. Induktansi (L) (yang diukur dalam Henry) adalah efek dari medan magnet yang terbentuk disekitar konduktor pembawa arus yang bersifat menahan perubahan arus. Arus listrik yang melewati konduktor membuat medan magnet sebanding dengan besar arus. Perubahan dalam arus menyebabkan perubahan medan magnet yang mengakibatkan gaya elektromotif lawan melalui GGL induksi yang bersifat menentang perubahan arus. Induktansi diukur berdasarkan jumlah gaya elektromotif yang ditimbulkan untuk setiap perubahan arus terhadap waktu. Sebagai contoh, sebuah induktor dengan induktansi 1 Henry menimbulkan gaya elektromotif sebesar 1 volt saat arus dalam indukutor berubah dengan kecepatan 1 ampere setiap sekon. Jumlah lilitan, ukuran lilitan, dan material inti menentukan induktansi.

Besarnya induktansi (L) diukur dalam Henry (H), akan tetapi lebih banyak dalam millihenry (mH) dan microhenry (µH). 1 Henri merupakan nilai Induktansi yang sangat tinggi. seperti yang terdapat pada persamaan dibawah ini :

1H = 1000mH = 106 µH.

Induktansi Lilitan di tandai dengan simbol XL dan bisa dihitung melalui persamaan seperti di bawah ini :

Dimana f merupakan besarnya frekuensi untuk tegangan dalam Hz dan L adalah besarnya induktasi Lilitan dalam H.

Sebagai contoh, Jika besarnya f = 684 kHz dan L = 0,6 mH, maka besarnya impedansi Lilitan adalah :

Kumparan yang sama akan memiliki impedansi tiga kali lebih tinggi pada frekuensi tiga kali lebih tinggi. Seperti dapat dilihat dari rumus di atas, impedansi kumparan dalam proporsi langsung dengan frekuensi, sehingga kumparan, serta kapasitor, yang digunakan di sirkuit untuk menyaring pada frekuensi tertentu. Perhatikan bahwa impedansi kumparan sama dengan nol untuk DC (f = 0).

Sebuah induktor ideal tidak menimbulkan kerugian terhadap arus yang melewati lilitan. Tetapi, induktor pada umumnya memiliki resistansi lilitan dari kawat yang digunakan untuk lilitan. Karena resistansi lilitan terlihat berderet dengan induktor, ini sering disebut resistansi deret. Resistansi deret induktor mengubah arus listrik menjad bahang, yang menyebabkan pengurangan kualitas induktif. Faktor kualitas atau "Q" dari sebuah induktor adalah perbandingan reaktansi induktif dan resistansi deret pada frekuensi tertentu, dan ini merupakan efisiensi induktor. Semakin tinggi faktor Q dari induktor, induktor tersebut semakin mendekati induktor ideal tanpa kerugian.

Faktor Q dari sebuah induktor dapat diketahui dari rumus berikut, dimana R merupakan resistansi internal dan ωL adalah resistansi kapasitif atau induktif pada resonansi:

Dengan menggunakan inti feromagnetik, induktansi dapat ditingkatkan untuk jumlah tembaga yang sama, sehingga meningkatkan faktor Q. Inti juga memberikan kerugian pada frekuensi tinggi. Bahan inti khusus dipilih untuk hasil terbaik untuk jalur frekuensi tersebut. Pada VHF atau frekuensi yang lebih tinggi, inti udara sebaiknya digunakan. 

Nilai Induktansi

1. Induktor disusun secara seri

Jika dua induktor ditempatkan secara seri, setiap arus yang melewati gabungan induktor ganda harus melewati kedua bagian tersebut. Jadi dengan definisi induktansi, besarnya induktansi dua kali lipat juga. Secara umum, jumlah induktansi total dalam rangkaian seri adalah penjumlahan dari penjumlahan dari nilai induktansi dari tiap tiap-tiap lilitan, seperti halnya resistensi. Besarnya Arus yang mengalir dalam rangkaian adalah tetap, tetapi tegangan yang membentangi setiap induktor bisa berbeda. Penjumlahan dari beda potensial dari beberapa induktor seri sama dengan tegangan jumlah tegangan total. 

Berikut rumus untuk menentukan jumlah induktansi total :

   L_eq = L₁ + L₂ + ...... + L_n

2. Induktor disusun secara Pararel

Sebaliknya jika induktor dirangkai secara Paralel, Besarnya tegangan yang mengalir dalam rangkaian adalah tetap. sedangkan Jumlah arus total yang melewati induktor adalah penjumlahan dari jumlah arus yang melewati tiap tiap induktor.

Berikut rumus untuk menentukan  induktansi ekivalen total (Leq) :

3. Energi yang tersimpan

Besarnya Energi yang tersimpan di induktor ekivalen yang dibutuhkan untuk mengalirkan arus melalui induktor, dan juga medan magnet adalah: 

Dimana L adalah induktansi dan I adalah arus yang melalui induktor.

Berikut beberapa rumus untuk menentukan nilai induktansi untuk beberapa jens kawat dan model lilitannya :

Konstruksi	Rumus	Besaran (SI, kecuali disebutkan khusus)
Lilitan silinder		L = induktansi  μ0 = permeabilitas vakum  K = koefisien Nagaoka  N = jumlah lilitan  r = jari-jari lilitan  l = panjang lilitan
Kawat lurus		L = induktansi  l = panjang kawat  d = diameter kawat
Lilitan silinder pendek berinti udara		L = induktansi (µH)  r = jari-jari lilitan (in)  l = panjang lilitan (in)  N = jumlah lilitan
Lilitan berlapis-lapis berinti udara		L = induktansi (µH)  r = rerata jari-jari lilitan (in)  l = panjang lilitan (in)  N = jumlah lilitan  d = tebal lilitan (in)
Lilitan spiral datar berinti udara		L = induktansi  r = rerata jari-jari spiral  N = jumlah lilitan  d = tebal lilitan
Inti toroid		L = induktansi  μ0 = permeabilitas vakum  μr = permeabilitas relatif bahan inti  N = jumlah lilitan  r = jari-jari gulungan  D = diameter keseluruhan

Sekian dulu, Semoga bermanfaat.

Reff :

1. http://id.wikipedia.org/wiki/Induktor
2. http://www.mikroe.com/old/books/keu/03.htm
3. http://www.lightandmatter.com/html_books/lm/ch25/ch25.html