TAJUK : PENGENALAN KEPADA GEGELUNG (INDUCTOR) DAN TRANSFORMER

TUJUAN :

Inductor merupakan komponen yang banyak penggunaannya dalam litar elektrik dan elektronik. Belitan gegelung dawai berpenebat merupakan inductor yang umum. Apabila gegelung ini diberikan bekalan ia akan menghasilkan medan magnet dan seterusnya mengaruhkan voltan sekiranya medan magnet yang dihasilkannya mengalami pengembangan dan penguncupan. Sebarang pengalir yang bergerak dalam medan magnet boleh dianggap inductor kerana keupayaannya menjanakan voltan aruhan.

PENERANGAN :

Inductor ialah komponen yang dibuat daripada gegelung dawai jenis bertebat. Lilitan dawainya pada satu bekas berbentuk silinder kosong atau berteraskan logam.

Simbol kearuhan ialah L. Kearuhan diukur dalam unit Henry (H). 1 Henry bermakna 1 volt yang diaruhkan oleh perubahan arus dengan kadar 1 amp sesaat. Inductor digunakan untuk antena, litar penalaan, litar pembentuk gelombang, pembesar suara, geganti dan transformer (transformer).

a. Bentuk Inductor b. Simbol Inductor

c. Teras Udara d. Teras Besi e. Variable Inductor Rajah 1 : Bentuk Inductor dan simbol

KEARUHAN (INDUCTANCE)

Kearuhan dikatakan kebolehan sesuatu pengalir menghasilkan voltan teraruh bila arusnya berubah-ubah. Bahan konduktor akan menghasilkan voltan teraruh merentasinya apabila dilalukan arus AU. Konduktor menghasilkan medan magnet di sekelilingnya apabila arus melaluinya. Arus AU yang berubah-rubah membuatkan medan magnet mengembang dan mengecil, yang mana akan memotong konduktor itu sendiri. Kesan daripada pemotongan medan magnet akan menghasilkan voltan teraruh merentasinya.

Kearuhan terbahagi kepada dua iaitu :- a) Kearuhan diri (Self Inductance) b) Kearuhan saling (Mutual Inductance)

a) Kearuhan Diri (Self Inductance)

Apabila arus elektrik mengalir dalam seutas wayar, medan elektrik akan terbentuk disekeliling wayar tersebut. Kekuatan medan elektrik bergantung berapa banyak arus yang mengalir. Kearuhan (inductance) ialah kebolehan sesuatu pengalir menggunakan medan magnet untuk mengaruh voltan pada dirinya sendiri (self induced voltage). Voltan aruhan diri (self-induced) dikenali juga sebagai “back EMF” (Electro-Motive-Force), di mana digunakan untuk menerangkan voltan. Kekuatan atau jumlah voltan aruhan-diri, back EMF, dipastikan dengan jumlah arus mengalir dan saiz ‘inductance’. Saiz sesuatu ‘inductance' bergantung kepada beberapa faktor yang terpenting ialah bilangan lilitan dalam satu gelung dan teras bahan (core material).

Rajah 2 : Kearuhan diri

Formula mengira kearuhan :-

L = VL di mana ; VL ialah voltan aruhan di / dt di/dt ialah perubahan arus (Amp / saat)

b) Kearuhan Saling (Mutual Inductance)

Kearuhan saling (Lm) ditakrifkan sebagai kebolehan AU pada satu konduktor mengaruh voltan pada satu konduktor lain berhampiran tanpa sentuhan.

Rajah 3 : Kearuhan saling M di antara L1 dan L2 oleh fluks magnet

Formula mengira kearuhan saling :-

Lm = k √(L1L2) di mana ; L1 dan L2 - nilai aruhan diri pada kedua-dua gelung k - penjodoh angkali

Lm - aruhan saling gabungan antara L1 dan L2

Contoh 1 : Dua gelung L1 dan L2 ialah 400mH mempunyai angkali jodoh sama dengan 0.2, kirakan Lm.

Lm = k √(L1L2) = 0.2 √(400mH x 400mH)

= 80mH

FAKTOR–FAKTOR YANG MEMPENGARUHI KEARUHAN (INDUCTANCE)

Rajah 4 : Binaan gegelung mempengaruhi kearuhan

Faktor-faktor yang mempengaruhi kearuhan

a. Bilangan lilitan - NSemakin banyak bilangan lilitan, kearuhan bertambah kerana lebih banyak voltan teraruh. Di mana L berkadar terus dengan N2.

b. Luas gelung lilitan - A Lebih luas gelung lilitan lebih tinggi nilai kearuhan (inductance) di mana L berkadar terus dengan A.

c. Panjang gelung - l Kearuhan (inductance) berkurangan bila panjang bertambah.

d. Permeability(ketelapan) Kearuhan (inductance) bertambah dengan permeability pada satu teras.

Oleh itu formula untuk nilai kearuhan :- L = r x µo x N 2 x A Di mana ; r - relative permeability

l µo - absolute permeability (1.26 x 10-6) A - luas dalam meter persegi

l - panjang dalam meter N - jumlah lilitan

Contoh 1 :-Cari nilai kearuhan jika diberi l = 15 cm, N = 100 lilitan, A = 2cm2, µr = 5 dan µo = 1.26 x 10-6. L = µr x µo x N 2 x A l

= 5 x 1.26x10 -6 x (100) 2 x (2x10 2 ) 4

5x 10-2

= 84 µH

ANGKALI JODOH (k)

Ia adalah kebolehan satu-satu litar di mana had daya magnet yang terjadi pada sesuatu litar memindahkan tenaga elektrik kepada lilitan yang berhampiran dengannya. Dalam rajah di bawah semua flux pada L1 bergabung (links) dengan L2, oleh itu k sama dengan 1 atau dipanggil unity coupling.

Rajah 5 : Angkali Jodoh

Formula untuk angkali jodoh :

k = flux gabungan antara L1 dan L2

flux dihasilkan oleh L1

Contoh 1 : Satu gelung L1 menghasilkan flux magnet sebanyak 80wb dan 60wb dipindahkan ke gelung L2, kirakan nilai angkali jodoh, k.

k = 60 wb = 0.75 80wb

LITAR INDUCTOR

Terdapat 2 jenis sambungan inductor iaitu :-a. Inductor disambung secara sirib. Litar selari dengan aruhan saling

a. Inductor disambung secara siriJika inductor disambung secara siri dan tidak ada kesan kearuhan saling, jumlah kearuhannya sama seperti rintangan sesiri iaitu hasil tambah kesemuanya maka :

LT = L1 + L2 + L3 + … LN

(Anggapkan tiada aruhan saling)

Rajah 6 : Inductor sesiri

Jika dua inductor disambung secara siri dan medannya bergabung, kearuhannya dirumuskan seperti yang berikut :

LT = L1 + L2 + 2Lm

Rajah 7 : Inductor sesiri medan bergabung

Jika dua inductor disambung secara siri dan medannya bertentangan, kearuhannya dirumuskan seperti yang berikut :

LT = L1 + L2 - 2Lm

Rajah 8 : Inductor sesiri bertentangan medan

b. Litar Selari dengan aruhan salingJika kesan kearuhan saling tidak berlaku, kearuhan sambungan selari iaitu :-

1 = 1 + 1 + 1 + .. LN

LT = L1 L2 L3

Rajah 9: Inductor selari

- Terbahagi kepada 2 iaitu :-i) Selari membantu

LT = L1 L2 – Lm 2

L1+L2 – 2Lm

Lm

ii) Selari menentang

LT = L1L2 - Lm 2

L1+L2 + 2Lm

Contoh 1 :- Diberi gelung L1 = 20 mH dan L2 = 40mH dan angkali jodohnya ialah 0.4. Cari nilai jumlah kearuhan jika :-

a. Disambung secara siri. b. Disambung secara selari membantu. c. Disambung secara selari menentang.

a. LT = L1 + L2 = 20mH + 40mH = 60mH

b. LT = L1 L2 – Lm2 Lm = k (L1 L2) 1/2

L1+L2 –2Lm = 0.4 (20mH x 40mH) 1/2

= 20m (40m) – (0.01) 2 20m + 40m -2(0.01) = 0.01

= 0.0175H

= 17.5mH

c. LT = L1L2 - Lm 2 L1+L2 + 2Lm

= 20m (40m) – (0.01) 2

20m + 40m +2(0.01)

= 8.75mH

Lm

TRANSFORMER (PENGUBAH)

Transformer ialah satu komponen yang bertugas untuk menyalurkan voltan dan arus secara elektromagnetik dari satu litar ke satu litar yang lain. Ia digunakan untuk menaikkan atau merendahkan voltan bekalan AC mengikut berkurangan atau bertambahnya arus.

SIMBOL TRANSFOMER

a. Teras Udara b. Teras Besi c. Variable TransformerRajah 10 : Simbol Transformer

BINAAN TRANSFORMER

a) Transformer terdiri daripada cantuman kepingan besi dan mengandungi dua bahagian iaitu gelung primary dan gelung secondary dan dipisahkan oleh teras yang diperbuat dari logam, udara atau sebagainya.

b) Kedua-dua gelung ini mempunyai aruhan saling yang tinggi, dan jika gelung utama (primary coil) disambungkan kepada bekalan AC, arus akan mengalir mewujudkan fluks ulangalik di dalam teras (core).

c) Kebanyakan fluks ini akan merangkal (berpindah) ke gelung kedua (secondary coil).

JENIS-JENIS TRANSFORMER

Pada dasarnya transformer dibahagikan kepada 3 jenis iaitu transformer kuasa, transformer audio dan transformer RF. Ketiga–tiga transformer tersebut mempunyai kegunaan masing–masing. Di antara kegunaannya ialah :-

a. Transformer Kuasa Direka untuk menangani masalah pengeluaran kuasa. Ia digunakan di dalam sistem penjanakuasaan dan pengagihan kuasa sama ada untuk meninggi atau merendahkan voltan.

b. Transformer AudioTransformer audio digunakan di dalam penguat audio sama ada di radio atau di dalam peralatan-peralatan lain yang menggunakan sistem suara.

c. Transformer RFDigunakan di dalam bahagian penghantaran dan penerimaan frekuensi radio.

a. Transformer KuasaTerbahagi kepada 4 iaitu :-i. Transformer peninggi / penaik (Step-Up Transformer)

Mempunyai voltan keluaran yang lebih tinggi daripada voltan masukan. Voltan secondary lebih tinggi dari voltan primary.

ii. Transformer perendah / penurun (Step-Down Transformer) Mengurangkan kemasukan voltan ke nilai yang lebih rendah. Voltan secondary lebih rendah dari voltan primary.

iii. Transformer pengasingan (Isolation transformer)Nilai voltan masukan di gelung primary adalah sama dengan voltan keluaran di gelung secondary.

iv. AutotransformerMempunyai ciri-ciri yang berbeza dari transformer lain, di mana gelung primary dan gelung secondary tidak diasingkan sebaliknya menggunakan gelung yang sama.

Iron Core Transformer (Teras Besi Transformer)

Rajah 11 : Step-Up Transformer

Merujuk Rajah 11 : Step-Up Transformer ialah voltan yang dikeluarkan itu lebih besar daripada voltan yang dibekalkan

Rajah 12 : Step-Down Transformer

Merujuk Rajah 12 : Step-Down Transformer ialah mengeluarkan voltan yang paling kecil daripada voltan masukan.

Autotransformer

Rajah 13 : Step-Up Autotransformer Rajah 14 : Step-Down Autotransformer

Merujuk Rajah 13 : Step-Up Autotransformer, voltan primary Vp disambung merentasi sebahagian gegelung dari tamatan 1 dan tamatan 2. Manakala voltan teraruh diambil merentasi gegelung dari tamatan 1 dan 3. Voltan Vs lebih tinggi daripada voltan Vp.

Merujuk Rajah 14 : Step-Down Autotransformer, voltan primary Vp disambung merentasi sebahagian gegelung dari tamatan 1 dan tamatan 3. Manakala voltan teraruh Vs merentasi sebahagian gegelung pada tamatan 1 dan 2. Voltan Vs lebih rendah daripada voltan Vp

Center Tapped Transformer

Pada secondary terdapat satu nilai yang ditetapkan (tapped) ditengahya.

Merujuk Rajah 6, Centre Tapped Transfomer, jika jumlah voltan pada secondary yang hendak digunakan 24 VAC, maka gunakan terminal 12 V dengan 12 V. Jika hendak 12 V sahaja, guna terminal 0 V dan 12 V.

Rajah 15 : Center Tapped Transformer

KEHILANGAN KESAN TERAS TRANSFORMER

Kebanyakan teras kegunaan kemagnetan akan menjadi panas. Sebahagian daripada tenaga yang dibekalkan ke gegelung diguna sebagai haba di teras. Dua kesan teras ialah kehilangan arus Eddy dan kehilangan Histerisis.

a. Kesan Arus Eddy

Arus wujud di teras akibat voltan teraruh pada konduktor. Arus ini berpusar merentasi teras yang mana dianggap membazir kuasa yang terlesap sebagai haba. Kesan arus pusar yang besar berlaku jika kearuhan AC berfrekuensi tinggi. Arus pusar ini berlaku jika menggunakan teras besi tebal seperti di Rajah 17.

Ia boleh dikurangkan dengan beberapa cara :-1. Terasnya mesti dilapiskan atau dipisah-pisahkan. Setiap plat disalut dengan penebat yang dinamakan

‘Iron Oxide’ atau ‘Varnish’. Bila plat disatukan ia dinamakan ‘Laminated Iron Core’2. Didekatkan dengan logam yang lain supaya arus pusar dapat diserapkan pada logam tersebut. Ia

digunakan untuk mengelakkan gangguan gelombang di dalam atau di luar.

Rajah 17 : Arus Eddy di teras transformer

b. Kesan HisterisisKesan ini berlaku pada frekuensi radio. Ini berlaku disebabkan keperluan kuasa tambahan bagi membalikkan medan magnet oleh arus AC frekuensi radio di dalam bahan kemagnetan.

Untuk mengurangkannya ialah dengan cara memasang kaki komponen pada papan bercetak dengan keadaan yang rapat atau rendah supaya kurang kearuhannya.

PENYEJUKAN TRANSFORMER

Penyejukan transformer dilakukan bagi mengelakkan transformer menjadi terlalu panas akibat kehilangan kuasa dan seterusnya merosakkan penebatan belitan. Terdapat pelbagai cara penyejukan transformer antaranya :-

a. Memancarkan keluar haba yang terhasil melalui badan transformer yang diperbuat daripada besi (transformer kecil)

b. Merendamkan pengubah dalam minyak khas di samping dapat meningkatkan penebatan belitan.c. Mengalirkan minyak melalui paip di sekeliling transformer. d. Menggunakan air sebagai ejen penyebar haba. Air dialirkan dalam salur di sekeliling transformer.e. Menghembuskan angin dengan berterusan kepada transformer.

Kaedah b, c, d dan e digunakan untuk penyejukan transformer yang besar.

Rajah 17 : Penyejukan dengan cara Rajah 18 : Penyejukkan dengan cara pemancaran terus minyak khas dan air

TRANSFORMER RATIO (NISBAH PENGUBAH)

Transformer mempunyai lilitan primary (Np) yang disambung pada voltan punca AC dan lilitan secondary (Ns) yang disambung kepada beban RL .Pada litar buka (iaitu tiada beban) Ep hampir-hampir sama kepada voltan primary (Vp) dan Es hampir sama dengan voltan terminal secondary (Vs).

Rajah : Nisbah Transformer

Formula untuk nisbah transformer :-

K = Es = Vs = Ns Ep Vp Np

Di mana :- Ep = d.g.e teraruh utama (primary emf induced) Es = d.g.e teraruh pendua (secondary emf induced)

Vp = voltan terminal utama (voltan bekalan)Vs = voltan terminal pendua (secondary terminal voltage) Ip = arus primaryIs = arus secondaryNp = bilangan lilitan gegelung primaryNs = bilangan lilitan gegelung secondaryΦ = fluks magnetic ulang-alik yang terhasil pada teras Vp

* Ns/Np = K ialah nisbah transformer (transformer ratio)

a. Nisbah lilitanNisbah bilangan lilitan di primary kepada bilangan lilitan di secondary adalah nisbah lilitan transformer.

Np Ns

b. Nisbah VoltanNisbah voltan berkadaran kepada voltan teraruh di lilitan primary kepada lilitan secondary.

Vp = NpVs Ns

Apabila lilitan secondary (Ns) lebih banyak daripada lilitan primary (Np), voltan primary (Vp) akan dinaikkan. Oleh itu voltan secondary (Vs) akan lebih tinggi daripada voltan primary (Vp).

Contoh :- Nisbah transformer menaik ialah 1:10

Apabila lilitan secondary (Ns) sedikit daripada lilitan primary (Np), voltan di secondary (Vs) lebih rendah dan voltan di primary (Vp) diturunkan.

Contoh :- Nisbah transformer menurun ialah 10:1

Contoh1 :- Cari Np jika Vp = 60 V, Vs = 15 V dan Ns = 2.

Vp = Np Np = Vp x Ns Vs Ns Vs

= 60 x 2 15

= 8

c. Arus secondaryAmaun arus secondary adalah voltan secondary dibahagi dengan rintangan di litar secondary.

Is = Vs RL

d. Kuasa di secondaryKuasa yang terlesap oleh RL di secondary adalah :-

PRL = Is2 x RL atau PRL = Vs x Is

e. Kecekapan transformerJika transformer dianggap 100% cekap, kuasa yang dibekalkan ke primary adalah sama dengan kuasa yang terdapat pada secondary. Dengan kata lain :-

Pin = Pout iaitu (eta) = 100% (ideal)

Atau kuasa pada lilitan primary sama dengan kuasa pada lilitan secondary. Iaitu :-

VpIp = VsIs

f. Nisbah ArusFormula untuk mencari nisbah arus :-

Is = Vp atau Ip = Vs = Ns = kIp Vs Is Vp Np

Contoh 1 :-Satu transformer dengan nisbah lilitan 1:5 mempunyai 120 V merentasi 2400 Ω di secondary.

i. Berapakah arus secondary, Isii. Kirakan nilai arus primary , Ip

Penyelesaian :- i. Is = Vs ii. Np : Ns = 1 : 5 RL

Np = Is = 120 Ns Ip

1200 Ip = Is x Ns

= 0.1A Np

= 0.1 x 5 1

= 0.5

SOALAN :

1. Tugas pearuh ialah membenarkan arus terus mengalir dan menghalang __________________.

2. __________________ adalah kebolehan satu-satu litar di mana had daya magnet yang terjadi pada sesuatu litar memindahkan tenaga elektrik kepada lilitan yang berhampiran dengannya.

3. Berikan tiga jenis pearuh yang biasa digunakan dalam litar elektronik. i. _________________________

ii. _________________________

iii. _________________________

4. Diberi gelung L1 = 50mH, L2 = 100mH dan angkali jodoh = 0.6. Cari nilai kearuhan, LT jika :- i. Disambung secara siri ii. Di sambung secara selari membantu iii. Disambung secara selari menentang

5. Nyatakan definasi bagi pengubah (transformer). __________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________.

RUJUKAN :1. GLECEO McGRAW-HILL, BASIC ELECTRONICS (EIGHTH EDITION) 1997 – BERNARD GROB –MUKA SURAT 540 – 577