Jenis Transformator dan Efisiensi Transformator – Pada topik ini kalian akan belajar tentang transformator. Mungkin kalian sering mendengar istilah trafo? Nah orang-orang di Indonesia sering menyebut transformator sebagai trafo. Lalu apa gunanya? Silahkan pelajari topik ini dengan seksama.
Transformator adalah komponen elektronika yang berfungsi untuk menaikkan/ menurunkan tegangan AC. Prinsip kerjanya adalah sebagai berikut.
1. Kumparan primer dihubungkan pada sumber tegangan yang akan diubah besarnya. Tegangan primer merupakan tegangan bolak-balik, sehingga besar dan arahnya selalu berubah-ubah.
2. Dalam inti besi timbul medan magnet yang besar dan arahnya berubah-ubah pula. Perubahan medan magnet ini menginduksi tegangan bolak-balik pada kumparan sekunder, sehingga besarnya tegangan pada kumparan sekunder berbeda dengan besarnya tegangan mula-mula (pada kumparan primer).
Hubungan antara tegangan, jumlah lilitan, dan arus yang mengalir dituliskan dalam persamaan berikut.
Transformator dibedakan menjadi dua jenis, yaitu transformator penaik tegangan (step-up), dan transformator penurun tegangan (step-down). Berikut ini merupakan penjelasan untuk masing-masing jenis transformator.
Transformator Step-up
Transformator step up disebut juga trafo penaik tegangan. Ciri-ciri trafo penaik tegangan adalah sebagai berikut.
1. Jumlah lilitan kumparan primer selalu lebih kecil dari lilitan kumparan sekunder (Np < Ns)
2. Tegangan primer selalu lebih kecil dari tegangan sekunder (Vp < Vs)
3. Kuat arus primer selalu lebih besar dari kuat arus sekunder (Ip > Is)
Trafo step-up biasa digunakan untuk transmisi daya listrik jarak jauh. Tegangan yang dihasilkan dari generator pembangkit listrik dinaikkan hingga ribuan volt lalu didistribusikan pada menara-menara listrik (tower).
Transformator Step-down
Trafo penurun tegangan memiliki ciri-ciri sebagai berikut.
1. Jumlah lilitan kumparan primer selalu lebih besar dari lilitan kumparan sekunder (Np > Ns)
2. Tegangan primer selalu lebih besar dari tegangan sekunder (Vp > Vs)
3. Kuat arus primer selalu lebih kecil dari kuat arus sekunder (Ip < Is)
Trafo step down biasa digunakan pada listrik PLN yang akan dipasok ke rumah penduduk. Listrik dari tower yang tegangannya ribuan volt diturunkan menjadi 220 V dengan trafo step down. Tegangan 220 V ini, kemudian digunakan untuk menyalakan peralatan elektronik. Namun demikian, kebutuhan tegangan masing-masing peralatan elektronik berbeda-beda. Misalnya laptop, kualifikasinya membutuhkan tegangan 19 V, maka laptop membutuhkan adaptor yang memanfaatkan prinsip trafo step down. Tegangan PLN 220 V diturunkan menjadi 19 V oleh adaptor laptop sehingga dapat dijadikan tegangan masukan yang sesuai dengan kebutuhan laptop.
Berikut ini merupakan peralatan rumah tangga yang memanfaatkan prinsip trafo di dalamnya.
Catu daya (power supply)
Catu daya adalah alat yang dapat menghasilkan tegangan AC rendah. Catu daya menggunakan trafo step down untuk menurunkan tegangan listrik PLN 220 V menjadi beberapa tegangan AC yang besarnya antara 2 sampai 12 V.
Adaptor
Adaptor terdiri dari trafo step down dan rangkaian dioda sebagai penyearah arus. Adaptor adalah bentuk lain catu daya yang ditambah dengan penyearah arus. Fungsi penyearah arus adalah untuk mengubah arus AC menjadi DC.
Transmisi Listrik Jarak Jauh
Pengiriman listrik dari pembangkit listrik menuju rumah-rumah penduduk melibatkan jarak yang sangat jauh. Agar energi listrik dapat disalurkan kepada konsumen yang sangat jauh, maka tegangan dari pembangkit listrik harus dinaikkan hingga ribuan volt. Tegangan yang tinggi dengan nilai arus yang kecil dapat memberikan keuntungan, energi yang hilang selama perjalanan dapat dikurangi, dan kawat yang dibutuhkan menjadi lebih kecil jika tegangannya tinggi. Listrik tegangan tinggi disalurkan melalui kabel-kabel ke rumah-rumah penduduk. Sebelum masuk ke rumah penduduk, tegangan diturunkan menjadi 220 V menggunakan trafo step down. Distribusi listrik pada konsumen membutuhkan dua jenis trafo sekaligus, yaitu trafo step up (penaik tegangan) dan step down (penurun tegangan).
Efisiensi Transformator
Pada topik sebelumnya kalian telah belajar tentang transformator, yaitu komponen yang dapat menaik/ menurunkan tegangan AC. Pada topik ini kalian akan belajar lebih rinci tentang efisiensi transformator. Efisiensi ini erat kaitannya dengan jumlah energi awal dan energi yang hilang ketika transfomator bekerja.
Transformator memiliki dua buah kumparan yaitu kumparan primer dan sekunder. Kumparan primer berfungsi sebagai terminal input transformator, sedangkan kumparan sekunder berfungsi sebagai terminal output transformator. Pada topik sebelumnya, kalian telah mengenal bahwa transformator memiliki efisiensi ideal sebesar 100%, artinya daya yang diberikan pada kumparan primer akan dikeluarkan dalam jumlah yang sama oleh kumparan sekunder. Pada kenyataannya, tidak demikian. Selalu terjadi loss daya (kehilangan daya), yaitu daya yang dikeluarkan transformator (pada kumparan sekunder) selalu lebih kecil dibandingkan daya yang masuk transformator (pada kumparan primer). Hal ini terjadi karena selama transformator bekerja, ada energi listrik yang diubah menjadi kalor (panas).
Kalian tentu ingat hukum kekekalan energi, bahwa energi bersifat kekal. Jumlah energi awal suatu proses sama dengan jumlah energi akhir proses. Hukum kekekalan energi tersebut juga berlaku pada transformator dan dinyatakan dengan persamaan berikut.
Dari persamaan tersebut terlihat bahwa energi keluaran menjadi lebih kecil dari energi masukan. Energi listrik (W) dihitung dengan persamaan berikut.
Keterangan:
W = energi listrik (J);
V = tegangan (V);
I = arus (A); dan
t = waktu (s).
Daya adalah energi persatuan waktu, atau ditulis dalam persamaan berikut.
Keterangan:
P = daya (watt atau W);
W = energy listrik (J);
t =waktu (s);
V =tegangan (V); dan
I =arus (A).
Efisiensi dinyatakan sebagai perbandingan energi yang keluar dan masuk transformator. Secara matematis dirumuskan sebagai berikut.
Keterangan:
η = efisiensi;
Wp = energi masukan pada kumparan primer (Joule); dan
Ws = energi keluaran pada kumparan sekunder (Joule).
Efisiensi juga dapat dinyatakan sebagai berikut.
Keterangan:
η = efisiensi;
Wp = energi masukan pada kumparan primer (J);
Ws = energi keluaran pada kumparan sekunder (J);
Vp = tegangan pada kumparan primer (V);
Vs = tegangan pada kumparan sekunder (V);
Ip = arus pada kumparan primer (A);
Is = arus pada kumparan sekunder (A); dan
t =waktu (s).
Berikut ini merupakan langkah-langkah yang harus diperhatikan agar transformator memiliki efisiensi yang nilainya mendekati 100%.
1. Diberi bahan pendingin.
2. Inti besi pada transformator dibuat berbentuk pelat atau lempengan untuk mengurangi panas. Bentuk pelat atau lempengan memudahkan panas cepat terserap, karena luas penampangnya yang besar.
3. Dialiri udara dingin, misalnya dengan air conditioning (AC) atau kipas angin. Udara dingin dari kipas atau AC membuang panas dari transformator sehingga suhu transformator tetap dingin.
Contoh Soal
Sebuah trasnformator memiliki efisiensi 80%. Jika tegangan masukannya 20 V, dan arusnya tetap, berapa tegangan keluarannya?
Penyelesaian
Diketahui:
η =80%
Ip = Is
Vp = 20 V
Ditanyakan: Vs ?
Jawab:
Jadi, besar tegangan keluaran transformator adalah 16 V.