Memahami Regulasi Tegangan pada Transformator Daya

Dalam simulasi SPICE sebelumnya kita mengamati bahwa tegangan keluaran transformator dapat bervariasi dengan perubahan resistansi beban, bahkan ketika tegangan input tetap konstan.

Beberapa faktor mempengaruhi variansi ini, termasuk induktansi lilinan primer dan sekunder, resistansi lilinan, dan tingkat kopling magnetik di antara lilinan.

Untuk transformator daya, tujuannya adalah menyajikan beban dengan tegangan yang hampir konstan. Oleh karena itu, tegangan sekunder harus fluktuasi sedikit mungkin di seluruh rentang arus beban yang luas.

Rumus Regulasi Tegangan

Regulasi tegangan mengukur seberapa efektif sebuah transformator mempertahankan tegangan sekunder yang stabil atas arus beban yang bervariasi. Rumusnya adalah sebagai berikut:

Apa Itu “Beban Penuh”?

“Beban penuh” merujuk pada titik di mana transformator beroperasi pada arus sekunder maksimum yang diizinkan. Titik operasi ini sebagian besar ditentukan oleh ukuran kawat lilinan (kapasitas arus) dan metode pendinginan yang digunakan.

Menggunakan simulasi transformator SPICE pertama kita sebagai contoh, mari kita bandingkan tegangan keluaran dengan beban 1 kΩ versus beban 200 Ω (dengan beban 200 Ω mewakili beban penuh). Ingat bahwa tegangan primer adalah konstan 10,00 V AC:

 freq v(3,5) i(vi1) 6.000E+01 9.962E+00 9.962E-03 Output with 1kΩ load freq v(3,5) i(vi1) 6.000E+01 9.348E+00 4.674E-02 Output with 200Ω load 

Perhatikan bahwa tegangan keluaran menurun saat beban menjadi lebih berat (yaitu, saat arus meningkat). Untuk mengilustrasikan kondisi hampir tanpa beban, kita dapat mengganti beban sekunder dengan resistansi yang sangat tinggi:

 transformer v1 1 0 ac 10 sin rbogus1 1 2 1e-12 rbogus2 5 0 9e12 l1 2 0 100 l2 3 5 100 k l1 l2 0.999 vi1 3 4 ac 0 rload 4 5 9e12 .ac lin 1 60 60 .print ac v(2,0) i(v1) .print ac v(3,5) i(vi1) .end 

 freq v(2) i(v1) 6.000E+01 1.000E+01 2.653E-04 freq v(3,5) i(vi1) 6.000E+01 9.990E+00 1.110E-12 Output with (almost) no load 

Tegangan sekunder berkisar dari sekitar 9,990 V pada beban nol hingga 9,348 V pada beban penuh. Menerapkan nilai-nilai ini pada rumus regulasi memberikan:

Dalam contoh ini, regulasi melebihi 3 %, yang dianggap buruk untuk transformator daya. Transformator daya yang baik harus menunjukkan persentase regulasi kurang dari 3 % saat menggerakkan beban resistif murni. Beban induktif biasanya memerburuk regulasi, sehingga analisis ini mewakili skenario terbaik.

Aplikasi yang Menguntungkan dari Regulasi Buruk

Beberapa perangkat sengaja menggunakan transformator dengan regulasi buruk. Sebagai contoh, lampu boros membutuhkan tegangan awal yang tinggi untuk menyala, setelahnya lampu menarik tegangan yang lebih rendah. Transformator step-up yang secara alami menurunkan tegangan di bawah beban ideal di sini.

Las busur AC serupa menggunakan transformator step-down yang menyediakan tegangan tinggi untuk menyala busur tetapi bergantung pada tegangan lebih rendah setelah busur terbentuk. Desainer sering menyesuaikan arus busur dengan memindahkan inti besi ke dalam atau keluar dari transformator, yang mengurangi kopling magnetik, menurunkan tegangan tanpa beban, dan menurunkan regulasi—efek yang diinginkan.

Transformator Ferroresonan

Transformator ferroresonan adalah kelas khusus transformator daya yang beroperasi dengan inti dalam keadaan saturasi magnetik yang berkelanjutan. Dalam regime ini, variasi tegangan primer menghasilkan perubahan minimal dalam kepadatan fluks inti, menghasilkan tegangan sekunder yang hampir konstan meskipun fluktuasi pasokan.

Rangkaian Resonansi dalam Transformator Ferroresonan

Saturasi inti dapat mengdistorsi gelombang keluaran, tetapi transformator ferroresonan mengatasi ini dengan menggabungkan lilinan sekunder tambahan dengan satu atau lebih kapasitor untuk membentuk tangki resonansi yang diatur pada frekuensi pasokan. Tangki ini menyaring harmonik yang dihasilkan oleh saturasi inti dan beban nonlinier, sambil juga menyimpan energi untuk mempertahankan tegangan keluaran selama gangguan input singkat.

Transformator ferroresonan menyediakan regulasi tegangan keluaran.

Manfaat utama termasuk tegangan keluaran yang kuat di tengah variasi input, penyaringan harmonik, dan kemampuan untuk menahan gangguan listrik singkat. Beberapa desain bahkan dapat beroperasi paralel dengan sumber AC tidak sinkron, memungkinkan pergantian sumber daya yang lancar.

Kelemahan yang Diketahui dari Transformator Ferroresonan

Transformator ini mengonsumsi daya yang besar karena kerugian histeresis pada inti yang terkuras, menghasilkan panas yang signifikan. Mereka juga sensitif terhadap variasi frekuensi, membatasi penggunaannya dengan generator yang tidak memiliki regulasi kecepatan stabil. Selain itu, rangkaian resonansi dapat menghasilkan tegangan tinggi, yang memerlukan kapasitor yang mahal dan berbahaya bagi petugas pemeliharaan.

Sementara solusi kondisi daya berbasis semikonduktor ada, mereka tidak dapat mencocokkan kesederhanaan dan efektivitas biaya transformator ferroresonan untuk banyak aplikasi.

Tinjauan

• Regulasi tegangan mengukur kemampuan transformator untuk menjaga tegangan sekunder stabil di bawah beban yang bervariasi. Persentase yang lebih rendah menunjukkan performa yang lebih baik.
• Transformator ferroresonan dirancang untuk mempertahankan tegangan keluaran stabil bahkan dengan variasi input yang besar.

Lembar Kerja Terkait

• Lembar Kerja Sumber Daya Terregulasi
• Lembar Kerja Sumber Daya AC-DC Dasar