Transformator. trafo

Transformator, atau kerap disebut dengan ‘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 secara luas, 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:

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

Gambar 2-Bagian utama trafo (sumber : www.wikipedia.org)

Trafo dapat digunakan untuk menaikkan dan menurunkan level tegangan AC, yang mana hal ini berguna untuk membantu sistem transmisi tenaga listrik. Mengapa harus ada perubahan level tegangan? Setelah listrik terbangkitkan melalui generator pada pembangkit listrik, level tegangannya akan dinaikkan menggunakan 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 level tegangan. Setelah daya listrik ditransmisikan, maka level tegangannya dapat diturunkan kembali sesuai dengan kebutuhan konsumen menggunakan 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.

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 apabila 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:

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 apabila 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 5-(a) timbulnya fluks magnetik pada sisi primer, (b) terbangkitnya tegangan induksi pada sisi sekunder akibat fluks bersama (sumber : www.learnengineering.org)

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 ZL, maka akan mengalir I2 pada kumparan sekunder trafo, dimana besarnya I2dapat dirumuskan sebagai berikut:

I2 = V2 / ZL

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 I2.

Gambar 6-Ilustrasi trafo berbeban (sumber : sapoean.wordpress.com)

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.