Arus bolak-balik (AC) di sebagian besar peralatan di rumah Anda hanya dapat berasal dari saluran listrik yang mengirimkan arus searah (DC) melalui penggunaan transformator. Melalui semua jenis arus yang berbeda yang mungkin mengalir melalui suatu rangkaian, ada baiknya memiliki kekuatan untuk mengendalikan fenomena listrik ini. Untuk semua kegunaannya dalam mengubah tegangan rangkaian, transformator sangat bergantung pada rasio putarannya.
Menghitung Rasio Putaran Transformator
Rasio lilitan transformatoradalah pembagian jumlah lilitan pada lilitan primer dengan jumlah lilitan pada lilitan sekunder dengan persamaan
T_R=\frac{N_P}{N_S}
Rasio ini juga harus sama dengan tegangan belitan primer dibagi dengan tegangan belitan sekunder, seperti yang diberikan olehVp/Vs. Gulungan primer mengacu pada induktor bertenaga, elemen rangkaian yang menginduksi medan magnet sebagai respons terhadap aliran muatan, transformator, dan yang sekunder adalah yang tidak berdaya induktor.
Rasio ini berlaku dengan asumsi bahwa sudut fase dari belitan primer sama dengan sudut fase dari sekunder dengan
persamaanΦP = ΦS.Sudut fase primer dan sekunder ini menggambarkan bagaimana arus, yang bergantian antara maju dan arah terbalik pada belitan primer dan sekunder transformator, sinkron dengan satu lain.Untuk sumber tegangan AC, seperti yang digunakan dengan transformator, bentuk gelombang yang masuk adalah sinusoidal, bentuk yang dihasilkan gelombang sinus. Rasio putaran transformator memberi tahu Anda berapa banyak perubahan tegangan melalui transformator saat arus mengalir dari gulungan primer ke gulungan sekunder.
Juga, harap perhatikan bahwa kata "rasio" dalam rumus ini mengacu pada apecahan,bukan rasio sebenarnya. Pecahan 1/4 berbeda dengan perbandingan 1:4. Sementara 1/4 adalah satu bagian dari keseluruhan yang dibagi menjadi empat bagian yang sama, rasio 1:4 menyatakan bahwa, untuk satu dari sesuatu, ada empat dari sesuatu yang lain. "Rasio" dalam rasio belitan transformator adalah pecahan, bukan rasio, dalam rumus rasio transformator.
Rasio belitan transformator mengungkapkan bahwa perbedaan fraksional yang diambil tegangan berdasarkan jumlah kumparan yang dililitkan di sekitar bagian primer dan sekunder transformator. Sebuah transformator dengan lima lilitan primer dan 10 lilitan sekunder akan memotong sumber tegangan menjadi dua seperti yang diberikan oleh 5/10 atau 1/2.
Apakah tegangan naik atau turun sebagai akibat dari kumparan ini menentukan apakah itu transformator step-up atau transformator step-down dengan rumus rasio transformator. Trafo yang tidak menaikkan atau menurunkan tegangan adalah "trafo impedansi" yang dapat mengukur impedansi, oposisi sirkuit terhadap arus, atau hanya menunjukkan pemutusan antara listrik yang berbeda sirkuit.
Konstruksi Transformator
Komponen inti transformator adalah dua kumparan, primer dan sekunder, yang membungkus inti besi. Inti feromagnetik, atau inti yang terbuat dari magnet permanen, dari sebuah transformator juga menggunakan irisan tipis yang diisolasi secara elektrik sehingga bahwa permukaan ini dapat mengurangi hambatan untuk arus yang mengalir dari kumparan primer ke kumparan sekunder transformator.
Konstruksi transformator umumnya akan dirancang untuk kehilangan energi sesedikit mungkin. Karena tidak semua fluks magnet dari kumparan primer mengalir ke kumparan sekunder, akan ada beberapa kerugian dalam praktiknya. Transformer juga akan kehilangan energi karenaarus pusaran, arus listrik lokal yang disebabkan oleh perubahan medan magnet di sirkuit listrik.
Transformer mendapatkan nama mereka karena mereka menggunakan pengaturan inti magnetisasi ini dengan belitan pada dua bagian terpisah untuk mengubah energi listrik menjadi energi magnet melalui magnetisasi inti dari arus melalui primer gulungan.
Kemudian, inti magnet menginduksi arus pada gulungan sekunder, yang mengubah energi magnetik kembali menjadi energi listrik. Ini berarti bahwa transformator selalu beroperasi pada sumber tegangan AC yang masuk, yang beralih antara arah arus maju dan mundur secara berkala.
Jenis Efek Transformer
Selain rumus tegangan atau jumlah kumparan, Anda dapat mempelajari transformator untuk mempelajari lebih lanjut tentang sifat berbagai jenis types tegangan, induksi elektromagnetik, medan magnet, fluks magnet dan sifat-sifat lain yang dihasilkan dari konstruksi a transformator.
Berbeda dengan sumber tegangan yang mengirimkan arus dalam satu arah, ansumber tegangan ACdikirim melalui kumparan primer akan menciptakan medan magnet sendiri. Fenomena ini dikenal sebagai induktansi timbal balik.
Kuat medan magnet akan meningkat sampai nilai maksimumnya, yaitu sama dengan selisih fluks magnet dibagi dengan periode waktu,d/dt. Perlu diingat, dalam hal ini,Φdigunakan untuk menunjukkan fluks magnet, bukan sudut fasa. Garis-garis medan magnet ini ditarik keluar dari elektromagnet. Insinyur yang membangun transformator juga memperhitungkan hubungan fluks, yang merupakan produk dari fluks magnetΦdan jumlah kumparan pada kawattidakdisebabkan oleh medan magnet yang berpindah dari satu kumparan ke kumparan lainnya.
Persamaan umum untuk fluks magnet adalah
\Phi = BA\cos{\theta}
untuk luas permukaan yang dilalui medanSEBUAHdalam m2, Medan gayaBdi Teslas danθsebagai sudut antara vektor tegak lurus terhadap luas dan medan magnet. Untuk kasus sederhana lilitan kumparan di sekitar magnet, fluks diberikan oleh
\Phi = NBA
untuk jumlah kumparantidak, Medan gayaBdan di atas area tertentuSEBUAHpermukaan yang sejajar dengan magnet. Namun, untuk transformator, hubungan fluks menyebabkan fluks magnet pada belitan primer sama dengan fluks pada belitan sekunder.
BerdasarkanHukum Faraday,Anda dapat menghitung tegangan yang diinduksi pada belitan primer atau sekunder transformator dengan menghitungN x dΦ/dt. Ini juga menjelaskan mengapa rasio lilitan transformator dari satu bagian transformator ke bagian lainnya sama dengan jumlah gulungan satu ke yang lain.
Jika Anda membandingkanN x dΦ/dtdari satu bagian ke bagian lain,d/dtakan membatalkan karena kedua bagian memiliki fluks magnet yang sama. Terakhir, Anda dapat menghitung belitan ampere transformator sebagai hasil kali arus dikalikan jumlah kumparan sebagai metode untuk mengukur gaya magnetisasi kumparan
Transformer dalam Praktek
Jaringan distribusi listrik mengirimkan listrik dari pembangkit listrik ke gedung dan rumah. Saluran listrik ini dimulai di pembangkit listrik di mana generator listrik menghasilkan energi listrik dari beberapa sumber. Ini bisa berupa bendungan pembangkit listrik tenaga air yang memanfaatkan tenaga air atau turbin gas yang menggunakan pembakaran untuk menghasilkan energi mekanik dari gas alam dan mengubahnya menjadi listrik. Listrik ini, sayangnya, diproduksi sebagaitegangan DCyang perlu diubah menjadi tegangan AC untuk sebagian besar peralatan rumah tangga.
Transformator membuat listrik ini dapat digunakan dengan menciptakan pasokan listrik DC satu fasa untuk rumah tangga dan bangunan dari tegangan AC berosilasi yang masuk. Trafo di sepanjang jaringan distribusi listrik juga memastikan voltase dalam jumlah yang sesuai untuk elektronik rumah dan sistem kelistrikan. Jaringan distribusi juga menggunakan "bus" yang memisahkan distribusi ke berbagai arah di samping pemutus sirkuit untuk menjaga agar distribusi terpisah tetap berbeda satu sama lain.
Insinyur sering memperhitungkan efisiensi transformator menggunakan persamaan sederhana untuk efisiensi sebagai:
\eta = \frac{P_O}{P_I}
fatau daya keluaranPHAIdan daya masukanPsaya. Berdasarkan konstruksi desain transformator, sistem ini tidak kehilangan energi karena gesekan atau hambatan udara karena transformator tidak melibatkan bagian yang bergerak.
Arus magnetisasi, jumlah arus yang diperlukan untuk memagnetisasi inti transformator, umumnya sangat kecil dibandingkan dengan arus yang diinduksi oleh bagian utama transformator. Faktor-faktor ini berarti bahwa transformator biasanya sangat efisien dengan efisiensi 95 persen dan lebih tinggi untuk sebagian besar desain modern.
Jika Anda menerapkan sumber tegangan AC ke belitan utama transformator, fluks magnet yang diinduksi inti magnet akan terus menginduksi tegangan AC pada belitan sekunder dalam fase yang sama dengan sumbernya tegangan. Fluks magnet di inti, bagaimanapun, tetap 90° di belakang sudut fasa dari tegangan sumber. Ini berarti arus belitan primer, arus magnetisasi, juga tertinggal di belakang sumber tegangan AC.
Persamaan Trafo dalam Induktansi Reksa
Selain medan, fluks dan tegangan, trafo menggambarkan fenomena elektromagnetik saling induktansi yang memberikan lebih banyak daya ke gulungan primer transformator ketika dihubungkan ke listrik Pasokan.
Ini terjadi sebagai reaksi belitan primer terhadap peningkatan beban, sesuatu yang mengkonsumsi daya, pada belitan sekunder. Jika Anda menambahkan beban ke gulungan sekunder melalui metode seperti meningkatkan resistansi kabelnya, gulungan primer akan merespon dengan menarik lebih banyak arus dari sumber listrik untuk mengkompensasi ini mengurangi.Induktansi timbal balikadalah beban yang Anda kenakan pada sekunder yang dapat Anda gunakan untuk menghitung peningkatan arus melalui gulungan primer.
Jika Anda menulis persamaan tegangan terpisah untuk belitan primer dan sekunder, Anda dapat menggambarkan fenomena induktansi timbal balik ini. Untuk gulungan primer,
V_P=I_PR_1+L_1\frac{\Delta I_P}{\Delta t}-M\frac{\Delta I_S}{\Delta t}
untuk arus melalui belitan primer primarysayaP, resistansi beban belitan primerR1, induktansi timbal baliksaya, induktansi belitan primerLsaya, gulungan sekundersayaSdan perubahan waktut. Tanda negatif di depan induktansi timbal baliksayamenunjukkan bahwa arus sumber segera mengalami penurunan tegangan karena beban pada belitan sekunder, tetapi, sebagai tanggapan, belitan primer menaikkan tegangannya.
Persamaan ini mengikuti aturan penulisan persamaan yang menjelaskan bagaimana arus dan tegangan berbeda di antara elemen rangkaian. Untuk loop listrik tertutup, Anda dapat menulis jumlah tegangan di setiap komponen sama dengan nol untuk menunjukkan bagaimana tegangan turun di setiap elemen dalam rangkaian.
Untuk belitan primer, Anda menulis persamaan ini untuk memperhitungkan tegangan pada belitan primer itu sendiri (sayaPR1), tegangan akibat arus induksi medan magnetL1SayaP/Δtdan tegangan karena efek induktansi timbal balik dari belitan sekunderM IS/Δt.
Demikian pula, Anda dapat menulis persamaan yang menggambarkan penurunan tegangan pada belitan sekunder sebagai:
M\frac{\Delta I_P}{\Delta t}=I_SR_2+L_2\frac{\Delta I_S}{\Delta t}
Persamaan ini termasuk arus belitan sekundersayaS, induktansi belitan sekunderL2dan resistansi beban belitan sekunderR2. Resistansi dan induktansi masing-masing diberi label dengan subskrip 1 atau 2, bukan P atau S, karena resistor dan induktor sering diberi nomor, tidak dilambangkan dengan huruf. Akhirnya, Anda dapat menghitung induktansi timbal balik dari induktor secara langsung sebagai
M=\sqrt{L_1L_2}
