Bagaimana Transformers Bekerja

Coba Instrumen Kami Untuk Menghilangkan Masalah





Menurut definisi yang diberikan dalam Wikipedia trafo listrik adalah peralatan stasioner yang bertukar daya listrik di beberapa gulungan yang erat, melalui induksi magnet.

Arus yang terus berubah dalam satu belitan transformator menghasilkan fluks magnet yang bervariasi, yang, akibatnya, menginduksi gaya gerak listrik yang bervariasi pada kumparan kedua yang dibangun di atas inti yang sama.



Prinsip Kerja Dasar

Transformator pada dasarnya bekerja dengan mentransfer daya listrik di antara sepasang kumparan melalui induksi timbal balik, tanpa bergantung pada bentuk kontak langsung antara dua lilitan.

Proses transfer listrik melalui induksi pertama kali dibuktikan oleh hukum induksi Faraday, pada tahun 1831. Menurut hukum ini tegangan induksi pada dua kumparan dibuat karena fluks magnet yang bervariasi di sekitar kumparan.



Fungsi fundamental dari sebuah transformator adalah untuk menaikkan atau menurunkan tegangan / arus bolak-balik, pada proporsi yang berbeda sesuai kebutuhan aplikasi. Proporsi ditentukan oleh jumlah putaran dan rasio putaran belitan.

Menganalisis Transformator yang Ideal

Kita dapat membayangkan transformator yang ideal menjadi desain hipotetis yang mungkin hampir tanpa bentuk kerugian apa pun. Selain itu, desain ideal ini mungkin memiliki lilitan primer dan sekunder yang digabungkan dengan sempurna satu sama lain.

Artinya ikatan magnet antara dua belitan adalah melalui inti yang permeabilitas magnetnya tidak terbatas, dan dengan induktansi belitan pada keseluruhan gaya gerak magnet nol.

Kita tahu bahwa dalam sebuah transformator, arus bolak-balik yang diterapkan pada belitan primer mencoba untuk memaksakan fluks magnet yang berbeda-beda di dalam inti transformator, yang juga mencakup belitan sekunder yang mengelilinginya.

Karena fluks yang berubah-ubah ini, gaya gerak listrik (EMF) diinduksi pada belitan sekunder melalui induksi elektromagnetik. Hal ini menghasilkan pembentukan fluks pada belitan sekunder dengan besaran yang berlawanan tetapi sama dengan fluks belitan primer, menurut Hukum Lenz'z .

Karena inti membawa permeabilitas magnet tak terbatas, seluruh (100%) fluks magnet dapat ditransfer melintasi dua belitan.

Ini menyiratkan bahwa, ketika primer dikenai sumber AC, dan beban dihubungkan ke terminal belitan sekunder, arus mengalir melalui belitan masing-masing ke arah seperti yang ditunjukkan pada diagram berikut. Dalam kondisi ini gaya gerak magnet inti dinetralkan menjadi nol.

Gambar milik: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Transformer3d_col3.svg

Dalam desain transformator yang ideal ini, karena transfer fluks melintasi belitan primer dan sekunder adalah 100%, menurut hukum Faraday tegangan induksi pada masing-masing belitan akan sebanding dengan jumlah belitan belitan, seperti yang ditampilkan berikut ini angka:

Perhitungan rasio giliran transformator sesuai Faraday

Video Tes Memverifikasi Hubungan Linear antara Rasio Putaran Primer / Sekunder.

PUTARAN DAN RASIO TEGANGAN

Mari kita coba memahami perhitungan rasio giliran secara detail:

Besarnya tegangan bersih yang diinduksi dari belitan primer ke sekunder hanya ditentukan oleh rasio jumlah belitan yang dililitkan pada bagian primer dan sekunder.

Namun, aturan ini hanya berlaku jika trafo mendekati trafo ideal.

Trafo yang ideal adalah trafo yang memiliki kerugian yang dapat diabaikan dalam bentuk efek kulit atau arus eddy.

Mari kita ambil Contoh gambar 1 di bawah ini (untuk trafo yang ideal).

Misalkan lilitan primer terdiri dari sekitar 10 lilitan, sedangkan lilitan sekunder hanya dengan satu lilitan. Karena induksi elektromagnetik, garis fluks yang dihasilkan melintasi gulungan primer sebagai respons terhadap input AC, secara bergantian mengembang dan runtuh, memotong 10 putaran gulungan primer. Hal ini menghasilkan jumlah tegangan yang proporsional yang telah diinduksi melintasi belitan sekunder tergantung pada rasio putaran.

Belitan yang disuplai dengan masukan AC menjadi belitan primer, sedangkan belitan pelengkap yang menghasilkan keluaran melalui induksi magnet dari primer menjadi belitan sekunder.

Gambar 1)

Karena putaran sekunder hanya memiliki satu putaran, putaran tersebut mengalami fluks magnet proporsional pada putaran tunggal relatif terhadap 10 putaran putaran utama.

Oleh karena itu, karena tegangan yang diterapkan melintasi primer adalah 12 V, maka masing-masing belitannya akan dikenakan EMF pencacah 12/10 = 1,2 V, dan ini persis besarnya tegangan yang akan mempengaruhi arus tunggal yang ada di seberang. bagian sekunder. Ini karena ia memiliki belitan tunggal yang hanya mampu mengekstraksi jumlah induksi setara yang sama yang mungkin tersedia di seluruh putaran tunggal di atas primer.

Dengan demikian, sekunder dengan satu putaran akan dapat mengekstraksi 1.2V dari primer.

Penjelasan di atas menunjukkan bahwa jumlah lilitan primer transformator sesuai secara linier dengan tegangan suplai yang melewatinya dan tegangan hanya dibagi dengan jumlah lilitan.

Jadi dalam kasus di atas karena tegangan 12V, dan jumlah belokan adalah 10, penghitung bersih EMF yang diinduksi pada setiap belokan akan menjadi 12/10 = 1.2V

Contoh # 2

Sekarang mari kita visualisasikan gambar 2 di bawah ini, ini menunjukkan jenis konfigurasi yang mirip seperti pada gambar1. harapkan sekunder yang sekarang memiliki 1 putaran tambahan, yaitu 2 jumlah putaran.

Tak perlu dikatakan, bahwa sekarang sekunder akan melalui dua kali lebih banyak garis fluks dibandingkan dengan kondisi gambar 1 yang hanya memiliki satu putaran.

Jadi di sini belitan sekunder akan terbaca sekitar 12/10 x 2 = 2.4V karena kedua belokan akan dipengaruhi oleh besarnya EMF counter yang mungkin setara di dua belitan di sisi primer trafo.

Oleh karena itu dari pembahasan di atas secara umum dapat disimpulkan bahwa dalam suatu transformator hubungan antara tegangan dan jumlah lilitan yang melintasi primer dan sekunder cukup linier dan proporsional.

Nomor Giliran Transformer

Jadi, rumus turunan untuk menghitung jumlah lilitan untuk setiap transformator dapat dinyatakan sebagai:

Es / Ep = Ns / Np

dimana,

  • Es = Tegangan Sekunder ,
  • Ep = Tegangan Primer,
  • Ns = Jumlah putaran sekunder,
  • Np = Jumlah putaran Primer.

Rasio Putaran Sekunder Primer

Menarik untuk dicatat bahwa rumus di atas menunjukkan hubungan langsung antara rasio tegangan sekunder ke primer dan jumlah lilitan sekunder ke primer, yang diindikasikan proporsional dan sama.

Oleh karena itu persamaan di atas dapat juga dinyatakan sebagai:

Ep x Ns = Es x Np

Selanjutnya, kita dapat memperoleh rumus di atas untuk menyelesaikan Es dan Ep seperti yang ditunjukkan di bawah ini:

Es = (Ep x Ns) / Np

demikian pula,

Ep = (Es x Np) / Ns

Persamaan di atas menunjukkan bahwa jika ada 3 besaran, besaran keempat dapat dengan mudah ditentukan dengan menyelesaikan rumus.

Memecahkan Masalah Belitan Transformator Praktis

Contoh kasus # 1: Sebuah transformator memiliki 200 jumlah lilitan di bagian primer, 50 jumlah lilitan di bagian sekunder, dan 120 volt yang terhubung melintasi primer (Ep). Berapakah tegangan yang melintasi sekunder (E)?

Diberikan:

  • Np = 200 putaran
  • Ns = 50 putaran
  • Ep = 120 volt
  • Apakah =? volt

Menjawab:

Es = EpNs / Np

Mengganti:

Es = (120V x 50 putaran) / 200 putaran

Es = 30 volt

Kasus di poin # 2 : Misalkan kita memiliki 400 jumlah lilitan kawat dalam kumparan inti besi.

Dengan asumsi kumparan diperlukan untuk digunakan sebagai lilitan primer transformator, Hitung jumlah lilitan yang perlu dililitkan pada kumparan untuk memperoleh lilitan sekunder transformator untuk memastikan tegangan sekunder satu volt dengan situasi di mana primer tegangan 5 volt?

Diberikan:

  • Np = 400 putaran
  • Ep = 5 volt
  • Es = 1 volt
  • Ns =? bergantian

Menjawab:

EpNs = EsNp

Transposisi untuk Ns:

Ns = EsNp / Ep

Mengganti:

Ns = (1V x 400 putaran) / 5 volt

Ns = 80 putaran

Ingatlah: Rasio tegangan (5: 1) setara dengan rasio belitan (400: 80). Kadang-kadang, sebagai pengganti nilai-nilai tertentu, Anda menemukan diri Anda ditugaskan dengan rasio belokan atau tegangan.

Dalam kasus seperti ini, Anda dapat mengasumsikan sembarang angka untuk salah satu voltase (atau belitan) dan menghitung nilai alternatif lain dari rasio.

Sebagai ilustrasi, misalkan rasio belitan ditetapkan sebagai 6: 1, Anda dapat membayangkan jumlah belokan untuk bagian primer dan menghitung jumlah putaran sekunder yang setara, menggunakan proporsi serupa seperti 60:10, 36: 6, 30: 5, dll.

Trafo pada semua contoh di atas membawa jumlah lilitan yang lebih sedikit pada seksi sekunder dibandingkan dengan seksi primer. Oleh karena itu, Anda dapat menemukan jumlah tegangan yang lebih kecil di seluruh trafo sekunder daripada di sisi primer.

Apa itu Step-up dan Step-Down Transformers

Transformator yang memiliki nilai tegangan sisi sekunder lebih rendah dari nilai tegangan samping primer disebut sebagai a Trafo LANGKAH-KE BAWAH .

Atau, sebagai alternatif jika masukan AC diterapkan pada belitan yang memiliki jumlah lilitan lebih tinggi maka transformator bertindak seperti transformator step-down.

Rasio dari transformator step-down empat-ke-satu dituliskan sebagai 4: 1. Trafo yang memiliki jumlah lilitan yang lebih sedikit pada sisi primer dibandingkan dengan sisi sekunder akan menghasilkan tegangan yang lebih tinggi pada sisi sekunder dibandingkan dengan tegangan yang terhubung pada sisi primer.

Trafo yang memiliki sisi sekunder yang diberi nilai di atas tegangan di sisi primer disebut sebagai trafo STEP-UP. Atau, sebagai alternatif, jika input AC diterapkan ke belitan yang memiliki jumlah lilitan lebih rendah, maka transformator bertindak seperti transformator step-up.

Perbandingan transformator step-up satu banding empat harus dituliskan sebagai 1: 4. Seperti yang dapat Anda lihat pada dua rasio bahwa besarnya belitan sisi primer secara konsisten disebutkan di awal.

Bisakah kita Menggunakan Trafo Step-down sebagai trafo Step-up dan sebaliknya?

Iya tentu saja! Semua transformer bekerja dengan prinsip dasar yang sama seperti yang dijelaskan di atas. Menggunakan trafo step-up sebagai trafo step-down berarti menukar tegangan input melintasi belitan primer / sekundernya.

Misalnya, jika Anda memiliki trafo step-up catu daya biasa yang memberi Anda output 12-0-12V dari input AC 220V, Anda dapat menggunakan trafo yang sama sebagai trafo step up untuk menghasilkan output 220V dari AC 12V. memasukkan.

Contoh klasiknya adalah sirkuit inverter , di mana trafo tidak ada yang istimewa di dalamnya. Mereka semua bekerja menggunakan trafo step-down biasa yang dihubungkan dengan cara yang berlawanan.

Dampak Beban

Kapan pun beban atau perangkat listrik dihubungkan melintasi belitan sekunder transformator, arus atau ampli mengalir melintasi sisi sekunder belitan bersama dengan beban.

Fluks magnet yang dihasilkan oleh arus pada belitan sekunder berinteraksi dengan garis fluks magnetis yang dihasilkan oleh ampli di sisi primer. Konflik antara dua garis fluks ini dihasilkan sebagai hasil induktansi bersama antara belitan primer dan sekunder.

Mutual Flux

Fluks absolut pada bahan inti transformator lazim terjadi pada belitan primer dan sekunder. Ini juga merupakan cara di mana daya listrik dapat berpindah dari belitan primer ke belitan sekunder.

Karena fluks ini menyatukan kedua belitan tersebut, fenomena ini umumnya dikenal sebagai FLUX MUTUAL. Juga, induktansi yang menghasilkan fluks ini lazim untuk kedua belitan dan disebut induktansi timbal balik.

Gambar (2) di bawah ini menunjukkan fluks yang dibuat oleh arus pada belitan primer dan sekunder transformator setiap kali arus suplai dinyalakan pada belitan primer.

Gambar 2)

Setiap kali resistansi beban dihubungkan ke belitan sekunder, tegangan yang distimulasi ke belitan sekunder memicu arus untuk bersirkulasi di belitan sekunder.

Arus ini menghasilkan cincin fluks di sekitar belitan sekunder (ditunjukkan sebagai garis putus-putus) yang mungkin menjadi alternatif medan fluks di sekitar belitan primer (hukum Lenz).

Akibatnya, fluks di sekitar belitan sekunder membatalkan sebagian besar fluks di sekitar belitan primer.

Dengan jumlah fluks yang lebih kecil yang mengelilingi belitan primer, ggl balik dipotong dan lebih banyak amp disedot dari supply. Arus tambahan dalam belitan primer melepaskan garis fluks tambahan, cukup banyak yang menetapkan kembali jumlah awal garis fluks absolut.

BERALIH DAN RASIO SAAT INI

Jumlah garis fluks yang dihasilkan dalam inti trafo sebanding dengan gaya magnetisasi

(DI AMPERE-TURNS) dari gulungan primer dan sekunder.

Ampere-turn (I x N) adalah indikasi gaya motif magneto. Dapat dipahami sebagai gaya magnetomotive yang dihasilkan oleh satu ampere arus yang berjalan dalam sebuah kumparan 1 putaran.

Fluks yang tersedia di inti transformator mengelilingi gulungan primer dan sekunder.

Mengingat fluks identik untuk setiap belitan, belitan ampere di setiap belitan primer dan sekunder harus selalu sama.

Untuk alasan itu:

IpNp = IsNs

Dimana:

IpNp = ampere / belitan pada belitan primer
IsNs - ampere / belitan pada belitan sekunder

Dengan membagi kedua sisi ekspresi dengan
Aku p , kita mendapatkan:
Np / Ns = Is / Ip

sejak: Es / Ep = Ns / Np

Kemudian: Ep / Es = Np / Ns

Juga: Ep / Es = Is / Ip

dimana

  • Ep = tegangan yang diterapkan melintasi primer dalam volt
  • Es = tegangan di sekunder dalam volt
  • Ip = arus di primer di Amp
  • Is = arus di sekunder di Amps

Perhatikan bahwa persamaan menunjukkan rasio ampere menjadi kebalikan dari belitan atau rasio putaran serta rasio tegangan.

Ini berarti, transformator yang memiliki jumlah lilitan yang lebih sedikit di sisi sekunder dibandingkan dengan transformator primer dapat menurunkan tegangan, tetapi akan meningkatkan arus. Contohnya:

Sebuah trafo misalkan memiliki rasio tegangan 6: 1.

Usahakan mencari arus atau amp di sisi sekunder jika arus atau amp di sisi primer adalah 200 miliampere.

Seharusnya

Ep = 6V (sebagai contoh)
Adalah = 1V
Ip = 200mA atau 0.2Amps
Apakah =?

Menjawab:

Ep / Es = Is / Ip

Transposisi untuk Is:

Is = EpIp / Es

Mengganti:

Adalah = (6V x 0,2A) / 1V
Adalah = 1.2A

Skenario di atas membahas bahwa meskipun fakta bahwa tegangan pada belitan sekunder adalah seperenam dari tegangan pada belitan primer, ampli pada belitan sekunder adalah 6 kali amp pada belitan primer.

Persamaan di atas bisa dilihat dari perspektif alternatif.

Rasio belitan menandakan jumlah di mana transformator meningkatkan atau menaikkan atau mengurangi tegangan yang terhubung ke sisi primer.

Sebagai ilustrasi, misalkan jika lilitan sekunder transformator memiliki jumlah lilitan dua kali lipat dari lilitan primer, tegangan yang distimulasi ke sisi sekunder mungkin akan dua kali lipat tegangan yang melintasi belitan primer.

Jika belitan sekunder membawa setengah jumlah lilitan sisi primer, tegangan pada sisi sekunder akan menjadi setengah dari tegangan yang melintasi belitan primer.

Karena itu, rasio belitan bersama dengan rasio amp dari transformator terdiri dari asosiasi terbalik.

Akibatnya, transformator step-up 1: 2 dapat memiliki satu-setengah amp di sisi sekunder dibandingkan dengan sisi primer. Trafo step-down 2: 1 dapat memiliki ampli dua kali lipat pada belitan sekunder dalam hubungannya dengan sisi primer.

Ilustrasi: Trafo dengan rasio belitan 1:12 memiliki arus 3 ampere di sisi sekundernya. Cari tahu besarnya amp dalam gulungan primer?

Diberikan:

Np = 1 putaran (misalnya)
Ns = 12 putaran
Adalah = 3Amp
Lp =?

Menjawab:

Np / Ns = Is / Ip

Mengganti:

Ip = (12 putaran x 3 Amp) / 1 putaran

Ip = 36A

Menghitung Induktansi Reksa

Induksi timbal balik adalah proses di mana satu belitan melewati induksi EMF karena laju perubahan arus dari belitan yang berdekatan yang mengarah ke kopling induktif antara belitan.

Dengan kata lain Induktansi Reksa adalah rasio ggl yang diinduksi melintasi satu belitan dengan laju perubahan arus pada belitan lainnya, seperti yang dinyatakan dalam rumus berikut:

M = ggl / di (t) / dt

Pentahapan di Transformers:

Biasanya, ketika kita memeriksa transformator, kebanyakan dari kita percaya bahwa tegangan dan arus belitan primer dan sekunder berada dalam fasa satu sama lain. Namun, ini mungkin tidak selalu benar. Dalam transformator, hubungan antara tegangan, sudut fasa arus melintasi primer dan sekunder bergantung pada bagaimana belitan ini diputar di sekitar inti. Itu tergantung pada apakah keduanya berlawanan arah jarum jam, atau searah jarum jam atau mungkin salah satu belitan diputar searah jarum jam sedangkan yang lainnya belitan berlawanan arah jarum jam.

Mari kita lihat diagram berikut untuk memahami bagaimana orientasi belitan memengaruhi sudut fase:

Pada contoh di atas, arah belitan terlihat identik, yaitu belitan primer dan sekunder diputar searah jarum jam. Karena orientasi yang identik ini, sudut fasa arus dan tegangan keluaran identik dengan sudut fasa arus dan tegangan masukan.

Pada contoh kedua di atas, arah belitan transformator dapat dilihat lilitan dengan arah berlawanan. Seperti yang dapat dilihat, primer tampaknya searah jarum jam sedangkan sekunder dililitkan berlawanan arah jarum jam. Karena orientasi belitan berlawanan ini, sudut fasa antara dua belitan terpisah 180 derajat, dan keluaran sekunder yang diinduksi menunjukkan respons arus dan tegangan keluar fasa.

Notasi Titik dan Konvensi Titik

Untuk menghindari kebingungan, notasi Dot atau konvensi Dot digunakan untuk merepresentasikan orientasi belitan transformator. Hal ini memungkinkan pengguna untuk memahami spesifikasi sudut fase masukan dan keluaran, apakah belitan primer dan sekunder berada dalam fase atau di luar fase.

Konvensi titik diimplementasikan dengan tanda titik di sepanjang titik awal belitan, yang menunjukkan apakah belitan berada dalam fase atau di luar fase satu sama lain.

Skema transformator berikut membawa denotasi konvensi titik, dan ini menandakan bahwa transformator primer dan sekunder berada dalam fasa satu sama lain.

Konvensi titik menunjukkan belitan primer dan sekunder transformator berada dalam fase

Notasi titik yang digunakan dalam ilustrasi di bawah ini menunjukkan DOT yang ditempatkan pada titik berlawanan dari belitan primer dan sekunder. Hal ini menunjukkan bahwa orientasi belitan kedua sisi tidak sama dan oleh karena itu sudut fasa pada kedua belitan akan keluar 180 derajat dari fasa ketika input AC diterapkan pada salah satu belitan.

Kerugian dalam Transformator Nyata

Perhitungan dan rumus yang dipertimbangkan dalam paragraf di atas didasarkan pada transformator yang ideal. Namun di dunia nyata, dan untuk trafo nyata, skenarionya mungkin jauh berbeda.

Anda akan menemukan bahwa dalam desain yang ideal, faktor linier fundamental berikut dari transformator nyata akan diabaikan:

(a) Banyak jenis rugi-rugi Inti, bersama-sama disebut rugi-rugi arus magnetisasi, yang mungkin termasuk jenis rugi-rugi berikut:

  • Kerugian histeresis: ini disebabkan karena pengaruh fluks magnetis nonlinier pada inti transformator.
  • Kerugian arus Eddy: Kerugian ini dihasilkan karena fenomena yang disebut pemanasan joule di inti transformator. Ini sebanding dengan kuadrat tegangan yang diterapkan ke primer transformator.

(b) Berbeda dengan transformator ideal, resistansi belitan pada transformator nyata tidak akan pernah memiliki resistansi nol. Artinya belitan pada akhirnya akan memiliki beberapa resistansi dan induktansi yang terkait dengannya.

  • Kerugian joule: Seperti dijelaskan di atas, Resistansi yang dihasilkan melintasi terminal belitan menimbulkan kerugian Joule.
  • Fluks kebocoran: Kita tahu bahwa transformator sangat bergantung pada induksi magnet pada belitannya. Namun, karena belitan dibangun di atas inti tunggal yang sama, fluks magnet menunjukkan kecenderungan bocor melintasi belitan melalui inti. Hal ini menimbulkan impedansi yang disebut impedans reaktif primer / sekunder, yang berkontribusi pada rugi-rugi transformator.

(c) Karena transformator juga merupakan sejenis induktor, transformator juga dipengaruhi oleh fenomena seperti kapasitansi parasit dan resonansi diri, karena distribusi medan listrik. Kapasitansi parasit ini biasanya dapat dalam 3 bentuk berbeda seperti yang diberikan di bawah ini:

  • Kapasitansi yang dihasilkan antara belokan satu di atas yang lain di dalam satu lapisan
  • Kapasitansi dihasilkan di dua atau lebih lapisan yang berdampingan
  • Kapasitansi dibuat antara inti transformator dan lapisan belitan yang terletak berdekatan dengan inti

Kesimpulan

Dari pembahasan di atas, kita dapat memahami bahwa dalam aplikasi praktis menghitung trafo, terutama trafo inti besi mungkin tidak sesederhana trafo ideal.

Untuk mendapatkan hasil yang paling akurat untuk data belitan, kita mungkin harus mempertimbangkan banyak faktor seperti: kerapatan fluks, luas inti, ukuran inti, lebar lidah, luas jendela, jenis bahan inti, dll.

Anda dapat mempelajari lebih lanjut tentang semua perhitungan ini di bawah posting ini:




Sepasang: Sirkuit Indikator Level Bahan Bakar Ultrasonik Berikutnya: Rangkaian Pembanding menggunakan IC 741, IC 311, IC 339