Prinsip Kerja dan Fungsi Transformator

Transformator adalah alat yang digunakan untuk menaikkan atau menurunkan tegangan AC. Piranti ini memindahkan energi listrik dari suatu rangkaian arus listrik bolak-balik ke rangkaian lain diikuti dengan perubahan tegangan, arus, fase, atau impedansi.

Gambar 5. Transformator pada tiang listrik. [2]

Transformator terdiri atas dua kumparan kawat yang membungkus inti besi, yaitu kumparan primer dan sekunder. Transformator dirancang sedemikian rupa sehingga hampir seluruh fluks magnet yang dihasilkan arus pada kumparan primer dapat masuk ke kumparan sekunder.

Ada dua macam transformator, yaitu transformator stepup dan transformator step-down. Transformator step-up digunakan untuk memperbesar tegangan arus bolak-balik. Pada transformator ini jumlah lilitan sekunder (Ns) lebih banyak daripada jumlah lilitan primer (Np). Transformator step-down digunakan untuk menurunkan tegangan listrik arus bolak-balik, dengan jumlah lilitan primer (Np) lebih banyak daripada jumlah lilitan sekunder (Ns).

Gambar 6. Transformator (a) step-up (b) step-down.

Apabila tegangan bolak-balik diberikan pada kumparan primer, perubahan medan magnetik yang dihasilkan akan menginduksi tegangan bolak-balik berfrekuensi sama pada kumparan sekunder. Tetapi, tegangan yang timbul berbeda, sesuai dengan jumlah lilitan pada tiap kumparan. Berdasarkan Hukum Faraday, bahwa tegangan atau ggl terinduksi pada kumparan sekunder adalah:

Dengan Ns menyatakan banyaknya lilitan pada kumparan sekunder, sedangkan (ΔΦ_B / Δt) adalah laju perubahan fluks magnetik. Tegangan masukan pada kumparan primer juga memenuhi hubungan persamaan dengan laju perubahan fluks magnetik, yaitu:

Dengan menganggap tidak ada kerugian daya di dalam inti, maka dari kedua persamaan tersebut akan diperoleh:

V_S/V_P = I_S/I_P ............................................................. (5)

Persamaan (5) adalah persamaan umum transformator, yang menunjukkan bahwa tegangan sekunder berhubungan dengan tegangan primer.

Hukum Kekekalan Energi menyatakan bahwa daya keluaran tidak bisa lebih besar dari daya masukan. Daya masukan pada dasarnya sama dengan daya keluaran. Daya

P = V.I, sehingga diperoleh:

Vp.Ip = Vs.Is ............................................................. (6)

atau

I_S/I_P = N_P/N_S .............................................................. (7)

Jadi, pada transformator berlaku hubungan:

N_S/N_P = V_S/V_P = I_S/I_P ..................................................... (8)

Transformator ideal (efisiensi η = 100%) adalah transformator yang dapat memindahkan energi listrik dari kumparan primer ke kumparan sekunder dengan tidak ada energi yang hilang. Namun, pada kenyataannya, terdapat hubungan magnetik yang tidak lengkap antarkumparan, dan terjadi kerugian pemanasan di dalam kumparan itu sendiri, sehingga menyebabkan daya output lebih kecil dari daya input. Perbandingan antara daya output dan input dinyatakan dalam konsep efisiensi, yang dirumuskan:

Transformator berperan penting dalam transmisi listrik. Listrik yang dihasilkan generator di dalam pembangkit mencapai rumah-rumah melalui suatu jaringan kabel atau “jaringan listrik”. Hambatan menyebabkan sebagian daya hilang menjadi panas. Untuk menghindari hal tersebut, listrik didistribusikan pada tegangan tinggi dan arus yang rendah untuk memperkecil hilangnya daya. Pusat pembangkit mengirim listrik ke gardu-gardu induk, di mana transformator step-up menaikkan tegangan untuk distribusi. Sementara itu, pada gardugardu step-down, tegangan dikurangi oleh transformator untuk memasok tegangan yang sesuai baik untuk industri maupun perumahan.

Gambar 7. Jaringan listrik. [3]

Contoh Soal 1 :

Sebuah generator armaturnya berbentuk bujur sangkar dengan sisi 8 cm dan terdiri atas 100 lilitan. Jika armaturnya berada dalam medan magnet 0,50 T, berapakah frekuensi putarnya supaya menimbulkan tegangan maksimum 20 volt?

Penyelesaian:

Diketahui: 

A = 8 cm × 8 cm = 64 cm² = 64 × 10^-4 m²

B = 0,50 T

N = 100 lilitan

ε _m = 20 volt

Ditanya: f = ... ?

Pembahasan :

ε _m = N.B.A.ω = N.B.A.2π.f

Contoh Soal 2 :

Sebuah transformator dapat digunakan untuk menghubungkan radio transistor 9 volt AC, dari tegangan sumber 120 volt. Kumparan sekunder transistor terdiri atas 30 lilitan. Jika kuat arus yang diperlukan oleh radio transistor 400 mA, hitunglah:

a. jumlah lilitan primer,

b. kuat arus primer,

c. daya yang dihasilkan transformator!

Penyelesaian:

Diketahui: 

V_p = 120 V 

N_s = 30

V_s = 9 V 

I_s = 400 mA = 0,4 A

Ditanya: 

a. N_p = ... ?

b. I_p = ... ?

c. P = ... ?

Pembahasan :