Transformator merupakan komponen utama dalam sistem transmisi daya AC serta berbagai rangkaian kontrol dan indikator. Pemahaman tentang prinsip dasar kerja transformator sangat penting, terutama dalam konteks aplikasi modern seperti fasilitas nuklir dan industri besar lainnya.
Dalam mempelajari transformator, berikut adalah beberapa hal dasar yang perlu dipahami:
1.1 – Definisi Konsep Dasar Transformator
Pelajari dan pahami istilah-istilah berikut ini yang berkaitan erat dengan cara kerja transformator:
- Mutual Induction: Induksi elektromagnetik yang terjadi antara dua kumparan yang berbeda.
- Turns Ratio: Perbandingan jumlah lilitan antara kumparan primer dan sekunder.
- Impedance Ratio: Rasio antara impedansi primer dan sekunder yang dipengaruhi oleh turns ratio.
- Efficiency: Efisiensi transformator dalam mentransfer daya dari input ke output.
Mutual Induction (Induksi Saling Menginduksi)
Mutual induction terjadi ketika garis-garis fluks magnet dari medan magnet yang membesar dan menyusut pada satu kumparan memotong kumparan lain yang berada di dekatnya, sehingga menghasilkan tegangan pada kumparan tersebut. Proses terbentuknya gaya gerak listrik (EMF) di sebuah kumparan akibat adanya fluks magnet yang berasal dari kumparan lain inilah yang disebut mutual induction. Besarnya EMF yang dihasilkan sangat bergantung pada posisi relatif antara kedua kumparan tersebut.
Turns Ratio (Perbandingan Lilitan)
Setiap lilitan dalam transformator terdiri dari sejumlah putaran kawat. Perbandingan lilitan atau turns ratio adalah rasio antara jumlah lilitan pada kumparan primer dengan jumlah lilitan pada kumparan sekunder. Rumusnya dapat dituliskan sebagai berikut:
Turns Ratio= \(\frac{N_P}{N_S}\)
Di mana:
- NP = jumlah lilitan pada kumparan primer
- NS​ = jumlah lilitan pada kumparan sekunder
Kumparan yang menerima energi dari sumber arus bolak-balik (AC) disebut sebagai kumparan primer, sedangkan kumparan yang menyalurkan energi ke beban disebut sebagai kumparan sekunder.
Rasio Impedansi (Impedance Ratio)
Rasio impedansi adalah konsep penting dalam transformator yang digunakan untuk memaksimalkan transfer daya dari satu rangkaian ke rangkaian lainnya. Daya maksimum akan ditransfer ketika impedansi input dan output saling cocok (impedance matching).
Salah satu fungsi penting transformator adalah sebagai penyesuai impedansi. Transformator yang dirancang dengan rasio lilitan tertentu dapat mencocokkan impedansi antara sisi primer dan sekunder. Hubungan ini dikenal sebagai rasio impedansi, yang dinyatakan dengan rumus:
\( \left( \frac{N_S}{N_P} \right)^2 = \frac{Z_S}{Z_P} \)di mana:
- NP​ = jumlah lilitan pada sisi primer
- NS​ = jumlah lilitan pada sisi sekunder
- ZP​ = impedansi pada sisi primer
- ZS​ = impedansi pada sisi sekunder
Bentuk Lain Rasio Impedansi
Rasio impedansi juga bisa dinyatakan dengan cara lain, yaitu dengan mengambil akar kuadrat dari kedua sisi persamaan di atas:
\( \frac{N_P}{N_S} = \sqrt{\frac{Z_P}{Z_S}} \)Bentuk ini lebih sering digunakan karena langsung menghubungkan rasio lilitan transformator dengan akar dari rasio impedansi — yang biasanya diketahui atau ditentukan dalam desain transformator.
Efisiensi Transformator
Efisiensi sebuah transformator adalah perbandingan antara daya keluaran (output) dengan daya masukan (input). Ini menunjukkan seberapa besar daya yang masuk ke transformator benar-benar bisa dimanfaatkan pada sisi keluaran (sekunder).
Secara matematis, efisiensi dirumuskan sebagai berikut: Efisiensi=$$
\text{Efisiensi} = \frac{P_s}{P_p} \times 100\%
$$
di mana:
- Ps​ = daya pada sisi sekunder (output)
- Pp​= daya pada sisi primer (input)
Prinsip Kerja Transformator
Transformator bekerja berdasarkan prinsip bahwa energi listrik dapat ditransfer dari satu kumparan ke kumparan lain melalui induksi magnetik. Proses ini terjadi karena adanya perubahan fluks magnetik, yang dihasilkan oleh sumber arus bolak-balik (AC).
Kumparan pada transformator yang terhubung langsung ke sumber AC disebut sebagai kumparan primer, sedangkan kumparan yang menyalurkan energi ke beban disebut sebagai kumparan sekunder.
Bagaimana Transformator Bekerja
Dalam ilustrasi (misalnya Gambar 1), kumparan primer dan sekunder biasanya digambarkan berada di sisi yang berbeda dari inti magnet untuk mempermudah pemahaman konsep kerjanya. Namun pada kenyataannya, sebagian lilitan primer dan sekunder dililitkan di dua sisi inti magnet (core) dengan isolasi yang cukup di antaranya. Tujuannya adalah agar lilitan-lilitan ini tidak saling berinteraksi langsung dan tetap terisolasi dari inti.
Jika transformator dibuat seperti pada ilustrasi, efisiensinya akan jauh lebih rendah karena terjadi kebocoran magnetik. Kebocoran magnetik adalah kondisi ketika fluks magnet tidak seluruhnya mengalir melalui kedua kumparan (primer dan sekunder), melainkan hanya melewati salah satunya. Semakin besar jarak antara kumparan primer dan sekunder, maka jalur fluks magnet semakin panjang, dan kebocoran magnet pun semakin besar.