Di Indonesia, setiap rumah, baik di kota maupun di desa, umumnya dialiri arus listrik AC 220V yang berasal dari Perusahaan Listrik Negara (PLN).
Arus listrik 220V ini merupakan jenis arus listrik bolak-balik. Tegangan listrik yang dihasilkan oleh PLN biasanya mencapai puluhan hingga ratusan kilovolt dan kemudian diturunkan menjadi 220V yang digunakan oleh konsumen.
Untuk menurunkan tegangan listrik tersebut, diperlukan alat khusus yang disebut Transformator atau Trafo.
Apa itu transformator? Mari kita pelajari materi transformator secara detail di bawah ini, yang akan dijelaskan secara lengkap oleh Teknoindie.com.
Pengertian Transformator
Transformator adalah perangkat listrik pasif yang berfungsi untuk mentransfer energi listrik dari satu rangkaian listrik ke rangkaian listrik lainnya, bahkan untuk beberapa rangkaian listrik sekaligus, melalui induksi elektromagnetik.
Dalam konteks kelistrikan, transformator sering disebut sebagai trafo untuk mempermudah penyebutan.
Arus yang mengalir dalam setiap lilitan kumparan pada transformator menghasilkan fluks magnetik yang juga bervariasi di dalam inti transformator, yang kemudian menginduksi tegangan listrik yang bervariasi pada lilitan kumparan lain yang terhubung pada inti yang sama.
Energi listrik dapat ditransfer antara lilitan kumparan yang terpisah tanpa adanya koneksi logam (konduktif) antara kedua rangkaian. Hukum induksi Faraday, yang ditemukan pada tahun 1831, menjelaskan efek tegangan yang diinduksi dalam setiap lilitan karena perubahan fluks magnetik yang melalui lilitan tersebut.
Fungsi Transformator
Transformator memiliki peran penting dalam distribusi listrik karena mampu mengubah tegangan listrik dari satu tingkat ke tingkat lainnya. Selain fungsi utamanya sebagai pengubah tegangan, transformator juga memiliki beragam fungsi tambahan yang penting dalam sistem kelistrikan, antara lain:
- Mengubah Tegangan: Transformator digunakan untuk mengubah tegangan AC dari satu tingkat ke tingkat lain. Penggunaan tegangan yang lebih tinggi memungkinkan pengiriman listrik melalui jarak yang lebih jauh dengan kerugian daya yang lebih rendah.
- Isolasi Galvanik: Selain sebagai pengubah tegangan, transformator juga berfungsi sebagai isolasi galvanik antara sumber daya dan muatan. Ini membantu melindungi peralatan dari gangguan listrik seperti lonjakan dan gelombang transien.
- Pembangkit Tegangan Tinggi: Dalam pembangkit listrik, transformator digunakan untuk meningkatkan tegangan listrik yang dihasilkan oleh generator. Hal ini memungkinkan listrik dapat dihantar ke jarak yang lebih jauh dengan kerugian daya yang lebih rendah.
- Stabilisasi Tegangan: Transformator juga digunakan dalam regulator tegangan untuk menjaga tegangan listrik tetap stabil dalam sistem distribusi, yang penting untuk mencegah kerusakan pada peralatan listrik sensitif.
- Pengurangan Arus: Dalam aplikasi industri, transformator digunakan untuk mengurangi arus yang masuk ke peralatan yang membutuhkan arus tinggi, seperti mesin atau peralatan besar lainnya. Hal ini membantu mengurangi tekanan pada sistem dan melindungi peralatan dari kerusakan.
- Pengubahan Frekuensi: Transformator juga dapat digunakan untuk mengubah frekuensi AC dari satu tingkat ke tingkat lain. Ini berguna dalam aplikasi di mana peralatan memerlukan frekuensi yang berbeda untuk beroperasi dengan efisien.
- Penggunaan dalam Pengelasan: Dalam industri pengelasan, transformator digunakan untuk menyediakan arus listrik yang besar untuk proses pengelasan. Transformator jenis ini biasanya dilengkapi dengan fitur khusus untuk menghasilkan arus yang stabil dan dapat diandalkan untuk keperluan pengelasan.
Bagian-Bagian Transformator
Sebelum memahami cara kerja transformator, penting bagi kita untuk mengenal komponen atau bagian-bagian dari transformator terlebih dahulu.
Dengan memahami bagian-bagian ini, kita dapat lebih mudah memahami cara kerja setiap komponen dalam transformator.
Komponen utama dari transformator terdiri dari tiga bagian penting, yaitu:
- Kumparan primer (Np)
- Kumparan sekunder (Ns)
- Inti besi (inti magnetik)
Ketiga bagian ini sangatlah penting untuk kerja transformator, dan semua transformator memiliki ketiga bagian dasar ini.
Pertanyaan selanjutnya adalah, apa itu kumparan primer, kumparan sekunder, dan inti besi? Untuk menjawabnya, mari kita simak penjelasannya di bawah ini.
1. Kumparan Primer
Kumparan primer transformator adalah kumparan atau lilitan trafo yang terhubung ke sumber daya masukan.
Pada transformator step-down, kumparan primer memiliki jumlah lilitan yang lebih banyak daripada kumparan sekunder trafo, tetapi memiliki ketebalan yang lebih kecil dari kumparan sekunder.
Sementara pada transformator step-up, kumparan primer memiliki jumlah lilitan yang lebih sedikit daripada kumparan sekunder, tetapi memiliki ketebalan yang lebih besar dari kumparan sekunder.
2. Kumparan Sekunder
Kumparan sekunder trafo adalah kumparan yang akan terhubung ke beban. Pada transformator step-down, kumparan sekunder memiliki jumlah lilitan yang lebih sedikit daripada kumparan primer, tetapi memiliki ketebalan yang lebih besar.
Sebaliknya, pada transformator step-up, kumparan sekunder memiliki jumlah lilitan yang lebih banyak daripada kumparan primer, tetapi memiliki ketebalan yang lebih kecil.
3. Inti Besi
Inti besi transformator adalah tempat di mana kumparan primer dan sekunder trafo terlilit. Inti transformator berfungsi untuk menghantarkan fluks magnetik dari kumparan primer ke kumparan sekunder.
Sifat inti transformator adalah memiliki reluctansi rendah dan resistansi tinggi. Umumnya, semua inti transformator dibuat dengan laminasi untuk mengurangi rugi arus eddy.
Prinsip Kerja Transformator
Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, transformator terdiri dari dua kumparan atau lilitan kawat yang terisolasi, yaitu kumparan primer dan kumparan sekunder.
Biasanya, kedua kumparan ini dililitkan pada inti besi yang disebut sebagai inti trafo. Prinsip kerja transformator ini adalah saat arus bolak-balik (AC) dialirkan melalui kumparan primer, medan magnet atau fluks magnetik akan terbentuk di sekitarnya.
Intensitas medan magnet, atau yang disebut sebagai densitas fluks magnet, dipengaruhi oleh besarnya arus listrik yang mengalir. Semakin besar arus listriknya, maka semakin besar pula medan magnet yang dihasilkan.
Fluktuasi medan magnet ini akan menginduksi Gaya Gerak Listrik (GGL) di dalam kumparan sekunder. Akibatnya, daya akan ditransfer dari kumparan primer ke kumparan sekunder, mengubah tingkat tegangan listrik dari rendah ke tinggi atau sebaliknya.
Inti besi dalam transformator umumnya terbuat dari lembaran besi tipis yang diisolasi satu sama lain. Inti besi ini berfungsi untuk memudahkan aliran fluks magnet yang dihasilkan oleh arus listrik dalam kumparan dan juga mengurangi kehilangan energi yang dihasilkan dalam bentuk panas.
Rumus Transformator
Sekarang, Anda telah memahami apa itu transformator dan bagaimana cara kerjanya, bukan?
Selanjutnya, bagaimana dengan rumus matematika yang digunakan untuk menghitung transformator?
Secara umum, persamaan matematis atau rumus untuk menghitung transformator dituliskan sebagai berikut.
Keterangan:
Vp = tegangan pada lilitan primer (V)
Vs = tegangan pada lilitan sekunder (V)
Np = jumlah lilitan primer
Ns = jumlah lilitan sekunder
Dengan rumus transformator di atas, kita dapat menghitung tegangan masukan dan keluaran. Selain itu, rumus transformator ini juga dapat digunakan untuk menentukan jumlah lilitan yang dibutuhkan pada kumparan primer dan sekunder trafo.
Karakteristik Transformator
Semua transformator memiliki beberapa fitur umum, apa pun jenisnya, seperti:
- Frekuensi daya input dan output yang sama.
- Menggunakan hukum induksi elektromagnetik.
- Kumparan primer dan sekunder tidak memiliki sambungan listrik (kecuali untuk transformator otomatis). Perpindahan daya terjadi melalui fluks magnet.
- Tidak ada bagian yang bergerak diperlukan untuk mentransfer energi, sehingga tidak ada gesekan atau kerugian seperti perangkat listrik lainnya.
Sebagian besar transformator sangat efisien, menghasilkan antara 94% hingga 96% energi pada beban penuh. Transformator dengan kapasitas sangat tinggi dapat mencapai efisiensi hingga 98%, terutama jika beroperasi pada tegangan dan frekuensi yang konstan.
Aplikasi Transformator
Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, transformator atau trafo memiliki peran yang sangat penting dalam mengubah tegangan listrik AC dari satu level ke level yang lain, baik untuk menaikkan (step-up) maupun menurunkan (step-down) tegangan. Berikut adalah beberapa kegunaan transformator dalam kehidupan sehari-hari yang bisa diperinci lebih lanjut:
- Sumber Daya Listrik Rumah Tangga: Transformator digunakan dalam hampir semua peralatan listrik di rumah tangga. Contohnya, transformator digunakan dalam charger ponsel untuk menurunkan tegangan listrik dari stopkontak menjadi tegangan yang aman untuk pengisian baterai ponsel.
- Industri: Transformator digunakan dalam industri untuk menyediakan tegangan yang dibutuhkan oleh mesin dan peralatan listrik. Di industri, transformator juga digunakan dalam sistem kontrol dan pemantauan untuk mengatur dan mengontrol aliran listrik.
- Sistem Tenaga Listrik: Transformator sangat penting dalam pembangkit listrik untuk menaikkan tegangan listrik dari generator ke tegangan yang lebih tinggi agar listrik dapat ditransmisikan melalui jaringan transmisi dengan kerugian daya yang minimal.
- Transportasi: Dalam sistem transportasi listrik seperti kereta api dan mobil listrik, transformator digunakan untuk menurunkan atau menaikkan tegangan listrik pada baterai, sehingga dapat digunakan untuk menggerakkan kendaraan dengan efisien.
- Komunikasi: Pada perangkat komunikasi seperti pemancar radio dan televisi, transformator digunakan untuk mengubah tegangan listrik yang diperlukan dalam sistem penguatan sinyal, sehingga sinyal dapat disiarkan dengan jelas dan kuat.
Contoh peralatan yang menggunakan transformator antara lain: charger ponsel, televisi, monitor, lampu LED, set top box, speaker, kulkas, microwave, dan sebagainya.
Dalam dunia industri, contoh peralatan yang menggunakan transformator antara lain: motor listrik, peralatan mesin, sistem kontrol dan pemantauan, serta sistem listrik pada gedung dan bangunan komersial.
Klasifikasi Transformator
Transformator digunakan dalam berbagai bidang seperti pembangkit listrik, distribusi energi, transmisi, dan konsumsi energi listrik.
Ada beragam jenis transformator yang diklasifikasikan berdasarkan faktor-faktor berikut:
- Rentang Tegangan Operasi
- Media Inti
- Konfigurasi Gulungan
- Lokasi Pemasangan
1. Berdasarkan Level Tegangan
Trafo listrik umumnya digunakan tergantung pada tegangannya, dan diklasifikasikan sebagai:
- Trafo Step-Up
- Trafo Step-Down
2. Berdasarkan Media Inti yang Digunakan
Dalam transformator, terdapat berbagai jenis inti yang digunakan, antara lain:
- Transformator Inti Udara
- Transformator Inti Besi
3. Berdasarkan Susunan Gulungan
Jenis transformator listrik berdasarkan susunan gulungan dapat diklasifikasikan sebagai:
- Autotransformer atau Transformator Otomatis
4. Berdasarkan Lokasi Pemasangan
Jenis transformator listrik berdasarkan lokasi instalasinya dapat diklasifikasikan sebagai:
- Transformator Daya
- Transformator Distribusi
- Transformator Pengukuran
- Transformator Proteksi
Penjelasan mengenai masing-masing jenis transformator listrik ini akan kita bahas di bawah ini.
Jenis-Jenis Transformator
Jenis-jenis transformator ini memiliki fungsi dan kegunaannya masing-masing. Berikut ini adalah penjelasan lengkap mengenai berbagai macam transformator:
1. Transformator Step Up
Transformator step up berfungsi untuk meningkatkan level tegangan AC dari taraf rendah ke taraf yang lebih tinggi. Pada transformator step up, tegangan output yang lebih tinggi diperoleh dari lilitan kumparan sekunder. Hal ini dapat dicapai dengan cara meningkatkan jumlah lilitan pada kumparan sekunder sehingga jumlah lilitan kumparan sekunder lebih banyak daripada kumparan primer.
Transformator step up digunakan untuk menghubungkan trafo generator ke dalam grid tegangan listrik.
2. Transformator Step Down
Transformator step down berfungsi untuk menurunkan tegangan listrik dari level tinggi ke level rendah. Pada trafo step down, jumlah lilitan pada kumparan primer lebih banyak daripada jumlah lilitan pada kumparan sekunder.
Trafo ini sering digunakan untuk menurunkan tegangan dari sumber listrik utama (seperti PLN) yang memiliki tegangan tinggi menjadi tegangan yang lebih rendah yang sesuai untuk digunakan oleh peralatan elektronik rumah tangga.
3. Transformator Satu Fasa
Transformator satu fasa adalah jenis transformator daya yang menggunakan arus bolak-balik satu fasa. Trafo ini bergantung pada siklus tegangan yang beroperasi dalam satu periode waktu.
Transformator satu fasa dapat mentransfer daya AC dari satu rangkaian ke rangkaian lainnya pada variasi frekuensi dan level tegangan yang konstan.
Trafo ini memiliki dua jenis kumparan: kumparan primer yang menerima suplai AC, dan kumparan sekunder yang terhubung ke beban. Transformator satu fasa sering digunakan dalam inverter domestik dan sebagai sumber listrik di daerah non-perkotaan.
4. Transformator Tiga Fasa
Transformator tiga fasa digunakan untuk mengubah tegangan dalam sistem listrik dengan arus listrik tiga fasa.
Trafo ini tersedia dalam beberapa konfigurasi seperti start-start, delta-delta, start-delta, dan delta-start.
Trafo tiga fasa digunakan dalam pembangkit listrik dan distribusi daya listrik sesuai dengan kebutuhan.
Jenis transformator ini terdiri dari tiga set kumparan primer dan sekunder, yang masing-masing kumparan dibungkus di sekitar inti besi.
Karena memiliki tiga set kumparan, kumparan primer dan sekunder pada transformator tiga fasa dapat digabungkan untuk membentuk satu unit lengkap dalam konfigurasi start atau delta.
5. Transformator Daya
Transformator daya digunakan untuk mentransfer daya dari satu rangkaian listrik ke rangkaian lain tanpa mengubah frekuensinya.
Trafo daya umumnya memiliki ukuran besar dan tidak memiliki bagian yang berputar atau bergerak. Prinsip kerjanya didasarkan pada induksi elektromagnetik dan membutuhkan pasokan listrik AC. Transformator ini memiliki rating sekitar 400kV, 200kV, 110kV, 66kV, 33kV.
Trafo daya mengubah tegangan untuk arus dalam rangkaian tanpa mempengaruhi daya total. Ini berarti dapat mengubah tegangan listrik tinggi dengan arus rendah menjadi tegangan listrik rendah dengan arus tinggi.
Trafo daya sering digunakan dalam sistem transmisi untuk mengalirkan daya listrik dengan beban berat. Mereka umumnya terlihat dalam jaringan listrik dan digunakan untuk transmisi daya yang jauh.
6. Transformator Distribusi
rafo distribusi bertugas menyediakan tegangan akhir dalam sistem distribusi tenaga listrik. Trafo ini, seperti trafo step-down, mengubah tegangan dari level jaringan tinggi menjadi tegangan yang sesuai untuk digunakan oleh pelanggan.
Trafo distribusi memiliki rating yang lebih rendah, seperti 11 kV, 6,6 kV, 3,3 kV, 440 V, dan 230 V. Ukurannya dapat bervariasi dari kecil hingga besar, dengan rating kurang dari 200 MVA. Biasanya, trafo distribusi ditempatkan di drop layanan, di mana kabel mengalir dari tiang listrik ke rumah pelanggan.
7. Transformator Pengukuran atau Instrumen
Trafo instrumen adalah perangkat dengan tingkat akurasi tinggi yang digunakan untuk mengubah level tegangan atau arus.
Trafo ini digunakan untuk mengukur berbagai besaran listrik seperti arus, tegangan, daya, frekuensi, dan faktor daya. Selain itu, trafo instrumen dilengkapi dengan relay untuk melindungi sistem tenaga listrik.
8. Transformator Arus
Trafo arus umumnya dipakai untuk menurunkan atau meningkatkan arus bolak-balik (AC). Trafo ini menghasilkan arus pada kumparan sekundernya yang proporsional dengan arus pada kumparan primer. Selain itu, transformator arus juga berfungsi untuk mengukur dan melindungi sistem listrik.
Ketika arus mencapai tingkat yang tinggi dan diterapkan secara langsung ke peralatan pengukur, trafo arus membantu menurunkan arus yang tinggi dalam rangkaian menjadi nilai yang sesuai.
Trafo arus digunakan sebagai unit pendeteksi arus dalam sistem tenaga dan dipasang di stasiun distribusi, gardu listrik, serta lingkungan produksi industri.
9. Transformator Isolasi
Transformator isolasi digunakan untuk mengalirkan daya listrik dari arus bolak-balik sambil menyediakan isolasi untuk perangkat bertenaga, demi keamanan.
Trafo isolasi mampu memberikan isolasi galvanik, yang berarti tidak ada jalur konduktif antara sumber dan beban.
Trafo isolasi dapat berfungsi sebagai transformator step-up atau step-down dan memiliki rasio putaran 1:1, artinya tegangan primer dan sekunder sama.
Isolasi pada trafo digunakan untuk melindungi terhadap sengatan listrik dan untuk mengurangi noise listrik pada peralatan sensitif. Trafo isolasi sering digunakan dalam komputer, alat instrumen, atau perangkat elektronik daya.
10. Transformator Potensial
Transformator potensial atau tegangan biasanya digunakan untuk menurunkan tingkat tegangan. Trafo ini tidak dirancang untuk memberikan daya langsung ke beban, melainkan digunakan dengan perangkat seperti voltmeter, wattmeter, pengukur frekuensi, atau pemutus sirkuit.
Kumparan primer trafo terhubung ke rangkaian dengan tegangan tinggi, sedangkan kumparan sekunder terhubung ke peralatan atau rangkaian lainnya.
11. Transformator Inti Udara
Pada transformator inti udara, kedua kumparan primer dan sekunder diletakkan pada kisi non-magnetik. Trafo ini menghubungkan fluks magnetik antara kedua kumparan melalui udara.
Induktansi timbal balik dalam transformator inti udara rendah, sehingga memiliki resistansi rendah terhadap fluks yang dihasilkan, terutama dalam medium udara.
Transformator inti udara sering digunakan dalam perangkat elektronik yang lebih kecil, terutama dalam aplikasi seperti antena.
Karena tidak menggunakan inti feromagnetik, transformator inti udara ideal untuk perangkat portabel. Biasanya digunakan dalam sistem transmisi radio.
12. Transformator Inti Besi
Pada transformator inti besi, kumparan primer dan sekunder dipasang pada pelat-pelat besi lunak yang menyediakan jalur ideal untuk fluks magnetik.
Dibandingkan dengan transformator inti udara, trafo inti besi memiliki keengganan yang lebih rendah terhadap fluks magnetik karena sifat konduktif dan magnetisasi besi.
Karena besi memiliki permeabilitas magnetik yang tinggi, transformator inti besi digunakan untuk mengarahkan dan membatasi aliran medan magnet dalam perangkat seperti motor listrik, generator, induktor, dan sebagainya.
Ada berbagai jenis pelat inti yang tersedia di pasaran, bergantung pada ukuran dan bentuk inti. Trafo inti besi merupakan jenis transformator yang umum digunakan, meskipun berat dan ukurannya bisa lebih besar.
13. Transformator Inti Ferit
Transformator ini menggunakan inti magnet yang terbuat dari ferit, di mana kumparan transformator daya dan komponen lainnya dipasang.
Inti ferit memiliki permeabilitas magnetik tinggi, membuatnya ideal untuk aplikasi frekuensi tinggi seperti power supply switching.
Hal ini karena inti ferit memiliki kerugian daya yang rendah pada frekuensi tinggi, sehingga mereka umumnya digunakan dalam transformator inti RF.
Transformator inti ferit tersedia dalam berbagai ukuran dan bentuk, disesuaikan dengan kebutuhan aplikasi yang spesifik.
14. Transformator Inti Toroidal
Trafo inti toroidal menggunakan inti magnet yang berbentuk hampir seperti cincin atau donat yang disebut toroidal.
Transformator ini adalah komponen elektronik pasif yang terdiri dari inti magnet berbentuk cincin melingkar dari bahan feromagnetik di mana kawat dililitkan.
Dikarenakan desainnya, trafo ini memiliki kebocoran induktansi yang sangat rendah dan memberikan induktansi yang sangat tinggi.
Transformator inti toroidal banyak digunakan dalam berbagai aplikasi rangkaian elektronik seperti power supply, inverter, dan amplifier.
15. Transformator Otomatis
Transformator autotransformer menggunakan kumparan umum untuk belitan primer dan sekunder. Kumparan ini memiliki tiga titik tap di mana sambungan listrik dibuat.
Keuntungan dari autotransformer termasuk ukurannya yang lebih kecil, lebih ringan, dan lebih ekonomis dibandingkan dengan transformator konvensional.
Namun, autotransformer juga memiliki kelemahan, yaitu tidak memberikan isolasi listrik antara sirkuit primer dan sekunder.
Meskipun demikian, autotransformer menawarkan respons kebocoran yang lebih rendah, kerugian daya yang lebih rendah, arus eksitasi yang lebih rendah, dan meningkatkan rating VA untuk ukuran dan massa tertentu.
16. transformator Grounding
Transformator grounding adalah jenis transformator dalam sistem yang terhubung delta yang berfungsi untuk menyediakan jalur ground atau netral dalam sistem tenaga listrik tiga fasa. Fungsinya adalah untuk mengurangi transien tegangan saat terjadi gangguan ground.
Trafo grounding merupakan bagian dari sistem pembumian jaringan yang memungkinkan sistem tiga fasa untuk menyeimbangkan beban fasa-ke-netral dengan menyediakan jalur balik untuk arus ke netral. Trafo ini umumnya menggunakan desain kumparan tunggal dengan belitan zigzag.
Kesimpulan
Dari penjelasan di atas, dapat disimpulkan bahwa transformator adalah komponen elektronik yang berfungsi untuk menurunkan atau menaikkan tegangan listrik bolak-balik (AC).
Demikianlah penjelasan tentang transformator mulai dari pengertian, gambar, fungsi, bagian, prinsip kerja, rumus, dan berbagai macam jenis transformator.
Semoga penjelasan di atas dapat membantu Anda memahami apa itu transformator dan dapat menerapkan transformator sesuai dengan fungsinya.