Prinsip kerja Transformator

Transformator, atau ‘trafo’, merupakan 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 yang berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik. Trafo digunakan, baik dalam bidang tenaga listrik maupun elektronika. Penggunaan trafo dalam sistem tenaga memungkinkan pemilihan tegangan yang sesuai secara ekonomis dan teknis untuk kebutuhan beban atau permintaan konsumen, misalnya kebutuhan akan tegangan tinggi dalam proses transmisi daya listrik jarak jauh. Dalam bidang elektronika, trafo digunakan antara lain sebagai gandengan impedansi antara sumber dan beban, untuk memisahkan satu rangkaian dengan rangkaian yang lain serta menghambat arus searah dengan tetap mengalirkan arus bolak-balik antar rangkaian. Trafo memiliki frekuensi kerja yang berbeda-beda sesuai penggunaannya yang bergantung kebutuhan beban/konsumen.

Secara umum, trafo terdiri atas beberapa bagian, yaitu: bagian utama trafo, bagian supporting, dan juga peralatan proteksi. Penjelasan mengenai beberapa bagian trafo dapat dilihat pada gambar berikut ini:

Gambar 1-Konstruksi Trafo beserta bagian-bagiannya

Sedangkan bagian utama trafo terdiri dari inti besi, kumparan primer dan kumparan sekunder:

                              Gambar 2-Bagian utama trafo

Trafo dapat digunakan untuk menaikkan dan menurunkan tegangan AC, hal ini berguna untuk membantu sistem transmisi tenaga listrik. Mengapa harus ada perubahan tegangan? Setelah listrik terbangkitkan melalui generator pada pembangkit listrik, tegangannya akan dinaikkan menggunakan jenis  trafo step-up. Ketika proses transmisi daya listrik, dengan tegangan yang lebih tinggi maka akan didapatkan arus yang lebih rendah sehingga dapat menekan kerugian daya yang terjadi selama proses transmisi. Oleh karena itu, trafo banyak digunakan untuk mendapatkan efisiensi yang lebih tinggi dalam proses transmisi daya listrik dari satu tempat ke tempat lain melalui proses menaik-turunkan tegangan. Setelah daya listrik ditransmisikan, maka level tegangannya dapat diturunkan kembali sesuai dengan kebutuhan konsumen menggunakan jenis trafo step-down.

              Gambar 3-Proses transformasi level tegangan pada trafo

Pada trafo, terdapat dua hukum utama yang bekerja, yaitu: hukum induksi Faraday dan hukum Lorentz. Hukum Faraday menyatakan bahwa gaya listrik yang melalui garis lengkung tertutup berbanding lurus dengan perubahan arus induksi persatuan waktu pada garis lengkung tersebut, sehingga apabila ada suatu arus yang melalui sebuah kumparan maka akan timbul medan magnet pada kumparan tersebut. Sedangkan hukum Lorentz menjelaskan bahwa arus bolak-balik (AC) yang beredar mengelilingi inti besi mengakibatkan inti besi tersebut berubah menjadi magnet, apabila magnet tersebut dikelilingi oleh suatu lilitan maka lilitan tersebut akan memiliki perbedaan tegangan pada kedua ujung lilitannya.

Bagaimana Prinsip Kerja Trafo?

Prinsip kerja dari trafo melibatkan bagian-bagian utama pada trafo, yaitu: kumparan primer, kumparan sekunder dan inti trafo. Kumparan tersebut mengelilingi inti besi dalam bentuk lilitan. Apabila kumparan pada sisi primer trafo dihubungkan dengan suatu sumber tegangan bolak-balik sinusoidal (V_p), maka akan mengalir arus bolak-balik yang juga sinusoidal (I_p) pada kumparan tersebut. Arus bolak-balik ini akan menimbulkan fluks magnetik (Ф) yang sefasa dan juga sinusoidal di sekeliling kumparan. Akibat adanya inti trafo yang menghubungkan kumparan pada sisi primer dan kumparan pada sisi sekunder, maka fluks magnetik akan mengalir bersama pada inti trafo dari kumparan primer menuju kumparan sekunder sehingga akan membangkitkan tegangan induksi pada sisi sekunder trafo:

Dimana :
Vs = tegangan induksi pada sisi sekunder
Ns = jumlah belitan pada sisi sekunder
dФ/dt = perubahan fluks terhadap waktu

Dari persamaan tersebut diketahui bahwa tegangan induksi yang terbangkitkan pada kumparan trafo berbanding lurus dengan jumlah lilitan kumparan pada inti trafo. Selain itu, tegangan induksi juga dapat terbangkitkan jika ada perubahan fluks terhadap waktu, jika fluks yang mengalir adalah konstan maka tegangan induksi tidak dapat terbangkitkan.

Setiap trafo juga memiliki suatu besaran yang dinamakan perbandingan transformasi (a), untuk menunjukkan perbandingan lilitan atau perubahan level tegangan dan arus pada sisi primer dan sekunder yang ditransformasikan pada trafo tersebut. Berikut perumusannya:

Gambar 4-Ilustrasi prinsip kerja trafo (sumber : www.electrical4u.com)

Gambar 5-(a) timbulnya fluks magnetik pada sisi primer, (b) terbangkitnya tegangan induksi pada sisi sekunder akibat fluks bersama

Pembahasan di atas merupakan penjelasan trafo dalam keadaan tanpa beban, bagaimana jika trafo dihubungkan pada beban di sisi sekundernya ?
Apabila kumparan sekunder dihubungkan dengan beban Z_L, maka akan mengalir I₂ pada kumparan sekunder trafo, dimana besarnya I₂dapat dirumuskan sebagai berikut:

I₂ = V₂ / Z_L

Arus beban I₂ ini akan menimbulkan gaya gerak magnet (ggm) atau fluks yang cenderung berlawanan dengan fluks bersama (Ф) yang telah ada akibat arus pemagnetan pada sisi primer. Agar fluks bersama tersebut nilainya tidak berubah akibat pengaruh ggm yang berlawanan, maka pada kumparan primer harus mengalir arus I₂ dan menimbulkan fluks Ф₂’ yang menentang fluks akibat arus beban I_2.

Gambar 6-Ilustrasi trafo berbeban

Dapatkah trafo bekerja untuk suplai tegangan DC ?

Berdasarkan prinsip kerja trafo yang telah dibahas pada poin sebelumnya, dapat diketahui bahwa trafo dapat bekerja atau tegangan induksi dapat terbangkitkan pada kumparan sisi sekunder apabila terdapat perubahan fluks terhadap waktu yang mengalir pada inti trafo. Fluks bolak-balik yang berubah terhadap waktu ini dapat dihasilkan melalui suplai tegangan bolak-balik. Namun yang menjadi pertanyaan adalah, dapatkan trafo bekerja apabila pada kumparan primer diberi tegangan DC? Secara prinsip kerja dan dengan asumsi bahwa suplai tegangan DC yang diberikan merupakan tegangan DC murni dan konstan maka trafo tidak dapat bekerja, hanya menimbulkan tegangan induksi sesaat ketika kumparan baru disambungkan dengan suplai tegangan. Namun bagaimana bila suplai tegangan DC tersebut direkayasa sedemikian rupa sehingga dapat membangkitkan fluks bolak-balik yang berubah terhadap waktu? Simak pada pembahasan selanjutnya!

Trafo pada peralatan sehari-hari

Seperti kita ketahui bersama, penggunaan trafo berukuran besar dan bertegangan tinggi banyak dijumpai sepanjang jalan perkotaan maupun pada pusat perumahan yang mana trafo tersebut digunakan untuk mengonversi tegangan tinggi menjadi tegangan distribusi yang lebih rendah untuk kemudian disalurkan menuju konsumen. Namun tahukah anda bahwa di dalam rumah anda juga terdapat beberapa penerapan trafo pada peralatan rumah tangga. Peralatan berukuran besar seperti mesin cuci, kipas angin dan televisi mungkin masih menggunakan tegangan suplai domestik sebesar 220V, namun untuk peralatan berukuran kecil seperti laptop, iPod, ataupun telepon genggam biasanya menggunakan suplai tegangan rendah, sekitar 5-20 Volt untuk kebutuhan pengisian baterai. Untuk itu, pada peralatan elektronik tersebut memiliki trafo kecil untuk menurunkan level tegangan dari suplai tegangan domestik agar sesuai dengan kebutuhan suplai tegangan peralatan.

Terima kasih semoga artikel ini dapat bermanfaat.
Baca juga artikel selengkapnya tentang jenis jenis transformator

Kamu bisa dapatkan artikel terbaru melalui email: