Fungsi dan Klasifikasi Inti Transformator

1. Fungsi Inti Transformator

Trafo praktis selalu beroperasi pada kondisi arus bolak-balik (AC). Rugi-rugi daya tidak hanya terjadi pada resistansi belitan tetapi juga pada inti akibat magnetisasi AC. Hilangnya daya dalam inti biasanya disebut sebagai 'kerugian besi' (atau kehilangan inti), yang disebabkan oleh dua faktor utama: 'kerugian histeresis' dan 'kerugian arus eddy.' Kerugian histeresis adalah energi yang hilang selama proses magnetisasi akibat fenomena histeresis. Besarnya kerugian ini sebanding dengan luas area yang dicakup oleh loop histeresis material. Karena baja silikon memiliki loop histeresis yang sempit, menggunakannya sebagai bahan inti secara signifikan mengurangi kehilangan histeresis dan secara signifikan meminimalkan pembentukan panas.

Karena baja silikon memiliki keunggulan tersebut, mengapa inti tidak dibuat dari balok baja silikon padat, melainkan diolah menjadi lembaran tipis? Hal ini karena inti yang dilaminasi mengurangi jenis kehilangan besi lainnya—kehilangan arus eddy. Selama operasi, arus bolak-balik pada belitan menghasilkan fluks magnet bolak-balik. Fluks magnet yang berubah ini menginduksi arus di dalam inti. Arus induksi ini bersirkulasi dalam bidang yang tegak lurus terhadap arah fluks magnet dan oleh karena itu disebut arus eddy. Hilangnya arus eddy juga menyebabkan inti memanas. Untuk meminimalkan kerugian ini, inti transformator dibuat dengan menumpuk lembaran baja silikon yang diisolasi satu sama lain. Hal ini memaksa arus eddy mengalir melalui loop sempit dengan luas penampang lebih kecil, sehingga meningkatkan hambatan listrik pada jalur arus eddy. Selain itu, silikon dalam baja meningkatkan resistivitas listrik material, yang selanjutnya membantu mengurangi arus eddy. Untuk inti transformator, umumnya dipilih lembaran baja silikon canai dingin setebal 0,35 mm. Mereka dipotong menjadi potongan persegi panjang sesuai dengan dimensi inti yang diperlukan dan kemudian ditumpuk untuk membentuk bentuk bingkai 'angka delapan' atau persegi panjang. Secara teori, semakin tipis lembaran baja silikon dan semakin sempit stripnya, semakin baik efeknya dalam mengurangi arus eddy. Hal ini tidak hanya mengurangi hilangnya arus eddy dan menurunkan kenaikan suhu tetapi juga menghemat material. Namun, dalam manufaktur sebenarnya, faktor-faktor yang menguntungkan ini bukanlah satu-satunya pertimbangan. Membuat lembaran terlalu tipis dan sempit akan meningkatkan jam kerja secara signifikan dan mengurangi luas penampang efektif inti. Oleh karena itu, ketika membuat inti baja silikon, kita harus mempertimbangkan pro dan kontra berdasarkan keadaan tertentu untuk memilih dimensi yang optimal.

Transformer diproduksi berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik. Dua belitan dililitkan pada bagian inti yang tertutup: belitan primer dan belitan sekunder. Ketika tegangan AC diterapkan pada belitan primer, arus bolak-balik mengalir melaluinya, membentuk gaya gerak magnet (MMF). Di bawah pengaruh MMF ini, fluks magnet utama bolak-balik dihasilkan di dalam inti. Fluks magnet utama ini melewati dan menghubungkan belitan primer dan sekunder. Karena induksi elektromagnetik, gaya gerak listrik (EMF) dihasilkan di kedua belitan. Alasan mengapa tegangan dapat dinaikkan atau diturunkan dijelaskan oleh Hukum Lenz: fluks magnet yang dihasilkan oleh arus induksi selalu melawan perubahan fluks magnet asli. Ketika fluks magnet asli meningkat, fluks magnet yang dihasilkan oleh arus induksi menentangnya. Dengan kata lain, fluks magnet induksi pada belitan sekunder berlawanan dengan fluks magnet utama yang dihasilkan oleh belitan primer, sehingga menghasilkan tegangan bolak-balik tingkat rendah pada belitan sekunder. Jadi, inti berfungsi sebagai rangkaian magnet transformator, sedangkan belitan merupakan rangkaian listriknya.

2. Klasifikasi Konfigurasi Inti Transformator

Inti Tipe Cangkang dan Tipe Inti

Bagian inti yang melingkari belitan disebut “kaki inti”, sedangkan bagian yang tidak mempunyai belitan tetapi hanya berfungsi sebagai jalur magnet disebut “kuk”. Inti disebut sebagai “tipe cangkang” jika inti mengelilingi belitan, dan “tipe inti” jika belitan mengelilingi anggota inti. Konfigurasi tipe cangkang dan tipe inti masing-masing memiliki karakteristik berbeda, namun proses manufaktur yang ditentukannya sangat berbeda. Setelah struktur tertentu dipilih, sulit untuk beralih ke struktur lain. Di Tiongkok, sebagian besar inti transformator menggunakan desain tipe inti bertumpuk.

Lembaran baja silikon digunakan untuk transformator frekuensi rendah dan tersedia dalam berbagai jenis. Berdasarkan proses pembuatannya dibedakan menjadi:
A: Annealed (lembaran hitam)
N: Non-annealed (lembaran putih)

Berdasarkan bentuknya, dapat diklasifikasikan menjadi: tipe EI, tipe UI, tipe C, dan tipe Kotak (Mulut).

Lembaran baja silikon tipe persegi biasanya digunakan pada transformator daya tinggi. Mereka menawarkan kinerja insulasi yang sangat baik, kemudahan pembuangan panas, dan jalur magnet yang pendek. Mereka terutama digunakan untuk trafo dengan peringkat daya di atas 500–1000 W dan trafo berdaya tinggi. Satu set lembaran baja silikon yang terdiri dari dua lembar tipe C disebut inti tipe CD. Untuk trafo daya yang dibuat dengan lembaran tipe CD, dengan luas penampang yang sama, semakin tinggi jendela maka semakin besar kapasitas daya trafo. Karena kumparan dapat dipasang secara terpisah pada kedua sisi inti, jumlah lilitan kumparan dapat didistribusikan ke dua kumparan, sehingga menghasilkan rata-rata panjang kumparan yang lebih pendek per kumparan dan mengurangi kehilangan tembaga. Selanjutnya, jika dua kumparan simetris dililitkan pada kumparan yang terpisah, simetri sempurna dapat dicapai.

Satu set lembaran baja silikon yang terdiri dari empat lembar tipe C disebut inti tipe ED. Transformer yang dibuat dengan inti tipe ED memiliki profil datar dan lebar. Dengan rating daya yang sama, trafo tipe ED lebih pendek dan lebar dibandingkan trafo tipe CD. Karena kumparan dipasang di tengah lembaran baja silikon dengan jalur magnet eksternal, kumparan tersebut menunjukkan fluks bocor yang rendah dan interferensi minimal terhadap komponen di sekitarnya. Namun, semua kumparan dililitkan pada satu gelendong yang tebal, menghasilkan rata-rata panjang putaran yang lebih panjang dan kehilangan tembaga yang lebih tinggi.

Inti tipe C menawarkan kinerja unggul, sehingga menghasilkan transformator yang ringkas, ringan, dan sangat efisien. Dari perspektif perakitan, inti tipe C hanya memerlukan sedikit komponen dan memiliki fleksibilitas tinggi, sehingga menghasilkan efisiensi produksi yang tinggi. Namun, proses pemesinan lembaran baja silikon tipe C rumit dan memerlukan peralatan khusus, sehingga biayanya saat ini relatif tinggi.

Lembaran baja silikon tipe-E, juga dikenal sebagai lembaran tipe cangkang atau angka delapan, memiliki keuntungan utama karena menggunakan kumparan tunggal untuk gulungan primer dan sekunder, sehingga menghasilkan faktor ruang jendela yang tinggi (Faktor Jarak Km: rasio luas penampang bersih kawat tembaga terhadap luas jendela). Lembaran baja silikon membentuk cangkang pelindung di sekeliling belitan, mencegah kerusakan mekanis. Mereka juga menyediakan area pembuangan panas yang besar dan meminimalkan dispersi medan magnet. Namun, mereka menunjukkan induktansi kebocoran yang lebih tinggi antara belitan primer dan sekunder dan kerentanan yang lebih besar terhadap interferensi magnetik eksternal. Selain itu, karena perimeter rata-rata belitan yang lebih panjang, transformator tipe-E memerlukan lebih banyak kawat tembaga untuk jumlah belitan dan luas penampang inti yang sama.

Ketebalan umum untuk lembaran baja silikon adalah 0,35 mm dan 0,5 mm. Ada dua metode perakitan lembaran baja silikon: interleaving dan butt-stacking. Metode interleaving mengganti ujung lembaran yang terbuka pada sisi yang berlawanan. Metode ini lebih membosankan tetapi menghasilkan celah udara yang lebih kecil dan keengganan magnet yang lebih rendah, sehingga bermanfaat untuk meningkatkan fluks magnet; oleh karena itu, ini banyak digunakan pada transformator daya. Metode butt-stacking umumnya digunakan pada aplikasi dengan arus searah (DC). Untuk mencegah kejenuhan akibat arus DC, harus ada celah udara di antara lembaran baja silikon. Dalam metode ini, E-sheet dan I-sheet ditempatkan pada sisi yang berlawanan, dan celah udara di antara keduanya dapat diatur menggunakan paper shim.

3. Jenis Inti Kumparan

Ini dibagi menjadi tiga jenis:
A. INTI TOROIDAL: Dibuat dengan menumpuk laminasi tipe-O atau dengan menggulung lembaran baja silikon. Menggulung kawat pada inti jenis ini sangat sulit.
B. ROD CORE : Inti besi yang berbentuk batang.
C. DRUM CORE : Inti besi yang berbentuk drum.

4. Klasifikasi Bahan Inti Transformator

1. Kategori Frekuensi Tinggi:
Inti Ferit Inti ferit digunakan dalam transformator frekuensi tinggi. Mereka adalah magnet keramik dengan struktur kristal spinel, terdiri dari oksida besi dan senyawa logam divalen lainnya, seperti kFe₂O₄ (di mana k mewakili logam lain). Logam yang umum digunakan saat ini antara lain mangan (Mn), seng (Zn), nikel (Ni), magnesium (Mg), dan tembaga (Cu). Kombinasi umum meliputi seri Mangan-Seng (MnZn), seri Nikel-Seng (NiZn), dan seri Magnesium-Seng (MgZn). Bahan-bahan ini memiliki karakteristik permeabilitas dan impedansi yang tinggi, dengan rentang frekuensi operasi dari 1 kHz hingga lebih dari 200 kHz.
Rentang frekuensi inti ferit: 18 kHz hingga lebih dari 1 MHz.

2. Kategori Frekuensi Rendah: Lembaran Baja Silikon dan Paduan Amorf
Rentang frekuensi inti baja silikon: 5 Hz hingga 1 kHz.
Transformer yang menggunakan baja silikon biasanya beroperasi pada 50 Hz. Namun, dalam hal efisiensi, frekuensi yang sedikit lebih tinggi dapat memberikan hasil yang lebih baik, bergantung pada nilai Gauss lembaran baja silikon. Meskipun frekuensi audio bisa mencapai di atas 20 kHz, hal ini tidak praktis. Disarankan untuk beroperasi pada 50–60 Hz, meskipun dapat berfungsi secara normal dalam rentang frekuensi 50–200 Hz.
Rentang frekuensi inti amorf: 2 kHz hingga 13 kHz.