Transformator berbeban

Kurikulum: GCSE, Sek I/II

Buka versi lengkap ↗

Tujuan

Membandingkan arus dan daya pada rangkaian primer dan sekunder transformator serta memperkirakan efisiensinya.

Rangkaian

Sumber tegangan bolak-balik (gelombang sinus, amplitudo 12 V, nilai efektif 8,5 V), 50 Hz, terhubung melalui amperemeter ke kumparan primer transformator (500 lilitan). Rangkaian sekunder (250 lilitan) berisi amperemeter dan lampu 3,5 V / 1 W. Voltmeter di atas transformator menunjukkan tegangan pada kumparan primer dan pada kumparan sekunder; semuanya dalam mode AC. Wattmeter di atas amperemeter rangkaian primer menunjukkan daya yang diserap kumparan primer.

Langkah kerja

1. Catat pembacaan keempat alat ukur: \(U_1\), \(I_1\), \(U_2\), \(I_2\).
2. Hitung perbandingan \(U_2 / U_1\) dan \(I_1 / I_2\), lalu bandingkan dengan perbandingan lilitan \(N_2 / N_1\).
3. Catat daya rangkaian primer \(P_1\) dari wattmeter dan hitung daya pada rangkaian sekunder \(P_2 = U_2 \cdot I_2\) (lampu adalah beban resistif). Tentukan efisiensi \(\eta = P_2 / P_1\). Bandingkan \(P_1\) dengan hasil kali \(U_1 \cdot I_1\).
4. Atur Lilitan sekunder ke 150. Bagaimana kecerahan lampu dan arus \(I_1\) berubah?

Hasil yang diharapkan

Pembacaannya sekitar \(U_1\) = 8,38 V, \(I_1\) = 146 mA, \(U_2\) = 3,55 V, \(I_2\) = 286 mA, \(P_1\) = 1,12 W. Berapa kali tegangan pada kumparan primer lebih besar, kira-kira sekian kali pula arus pada rangkaian primer lebih kecil daripada arus pada rangkaian sekunder: \(I_1 / I_2\) ≈ 0,51 ≈ \(N_2 / N_1\). Daya pada rangkaian sekunder sekitar 1,01 W dan efisiensinya sekitar 90%; kerugiannya berupa pemanasan kumparan. Hasil kali \(U_1 \cdot I_1\) ≈ 1,23 V·A lebih besar daripada \(P_1\): ini adalah daya semu, dan sebagian arus primer adalah arus magnetisasi, yang tidak mengonsumsi energi, tetapi hanya memompanya bolak-balik. Saat berbeban \(U_2 / U_1\) = 0,42, jelas lebih kecil daripada tanpa beban: sebagian tegangan hilang pada hambatan kumparan dan karena kebocoran fluks magnetik. Dengan lebih sedikit lilitan pada kumparan sekunder lampu menyala lebih redup, dan arus rangkaian primer juga berkurang.

Pertanyaan

1. Mengapa arus kumparan primer lebih kecil jika transformatornya penurun tegangan?
2. Dari mana daya yang diserap lampu berasal?
3. Mengapa efisiensi transformator kurang dari 100%?

Jawaban

1. Transformator menyalurkan energi dari rangkaian primer ke rangkaian sekunder dengan kerugian kecil, sehingga daya pada kedua rangkaian kira-kira sama. Pada daya yang sama, sisi dengan tegangan lebih tinggi dilalui arus yang lebih kecil: 146 mA pada primer berbanding 286 mA pada sekunder, perbandingan sekitar 0,51, mendekati \(N_2 / N_1\) = 0,5.
2. Dari sumber tegangan bolak-balik. Arus primer menimbulkan fluks magnetik bolak-balik di inti, dan fluks ini menginduksi tegangan yang mendorong arus melalui lampu, sehingga energi berpindah ke sekunder melalui medan magnet. Dari 1,12 W yang diambil kumparan primer dari sumber, lampu menerima sekitar 1,01 W.
3. Sebagian energi memanaskan kumparan. Simulator memberi kumparan hambatan 2,5 Ω (500 lilitan) dan 0,625 Ω (250 lilitan); \(I^2 \cdot R\) memberi sekitar 0,05 W pada masing-masing, yang menjelaskan selisih 0,11 W antara \(P_1\) dan \(P_2\). Transformator nyata juga kehilangan energi di inti bajanya akibat arus pusar dan histeresis; inti pada simulator tidak memiliki kerugian semacam itu.