PENGARUH BEBAN TERllIADAP KINERJA OSILATOR DAY A UNTUK GENERATOR COCKROFT -WALTON 300 kv/20 ttla

PENGARUH BEBAN TERllIADAP

KINERJA

OSILATOR

DAY A UNTUK GENERATOR

COCKROFT -WALTON

300

kV/20 ttlA

Djasiman, Sudjatmoko, Suprapto, Sukidi

P3 TM-BATAN. Yogyakarta

ABSTRAK

PENCARUH BEBAN TERHADAP KINERJA OSII,ATOR DAYA UNTUKGENERATOR COCKROFT-WALTON 300 kV/20mA. Telah dilakukan penelitian pengaruh beban terhadap kinerja osilator daya sebagai sumber tegangan masukan pada pelipat tegangan generator Cockroft-Walton 300 kV//20 mA. Konstruksi osilator daya ini dibangun menurut konfigurasi" tickler oscillator" dalam sistem untai satu tingkat menggunakan komponen utanra tahung trioda ITK 15-2 Penelitian dilakukan dengan menguji dan menyempurnakan osilator daya setelah disatukan dengan pelipat tegangan. Hasil pengujian pada kondisi maksimum dapat dicapai daya keluaran 6,75 kV (300 kV/22,5 mA), amplitudo tegangan osilasi 14, I kV dan frekuensi 23,8 kHz. pada kondisi masukan terdiri dari daya, tegangan dan arus anoda masing-masing

sebesar 14,3 k~ 5,5 kV dan 2,6 A. Fluktuasi.frekuensi terhadap variasi daya keluaran antara 0.03 -6, 75 kWadalah 24,04 -23, 76 kHlz .Pada variasi daya keluaran tersebut didapatkan tegangan dan arus anoda serta tegangan keluaran masing-masing adalah 0,5 -5.5 kVdan 0,2 -2,6A serta 1,2 -14,1 kV:, Efisiensi maksimum didapatkan 47,2 % pada laya keluaran 6, 75 kW Hasil pengujian menunjukan bahwa kapasitas keluaran osilator daya telah sesuai dengan perencanaanya itu mampu menyangga daya beban generator Cockcroft-Walton sebesar 6 kW (300 kV/20 mAY dan frekuensi osilator hampir tidak terpengaruh oleh perubahan beban.

ABSTRACT

LOAD INFLUENCE ON THE POWVER OSCILLATOR PERFOMANCE FOR 300 Kv/20 mA COCKCROFT-WALTON GENERATOR. The load influence on the power oscil/ator as the oscillation voltage input source of 300 kV/20 mA Cockcroft-Walton voltage multiplier has been examined. The oscillator circuit configuration was built in accordance to the principle of tickler oscillator type, and constructed in one stage system with

main component of /TK 15-2 triode tube. Examination was carried out by testing and improving the V oscillator circuit after connecting with v~!!l1iPJiec. The obtained result at maximum condition test indicated output power, oscillation voltage' amplitude and frequency were 6 75 kW 14.1 kVand 23.8 kHz respectively, at input parameter of power, voltage and current of anode indicate value of 14.3 kW 5.5 kV 2.6A respectively. Frequency fluctuation over the variation of output power in the range of 0.03 -6.75 kW indicated values of 24.04- 23.8 kHz. On the condition of output power variation the indicated anode voltage, anode current and output oscillation voltage were 0.5 -5.5 tv; 0.2 -2.6A and 1.2 -14.kV; respectively. The maximum overall efficiency obtained at 6.75 kW output power was 47.2%. Result from the whole test indicated that oscillator output capacity has adequated requirement design that was capable to overcome the Cockroft-Walton loading of 6 kW (300 kV/20mA, and that frequency was not nearly influenced by varying load.

beberapa

puluh kHz untuk menunjang

agar rugi-rugi

dalam pelipat tegangan lebih dapat diminimalkan.

Agar diperoleh tegangan cukup tinggi sesuai

kebutuhan, sementara tegangan osilasi yang

langsung diperoleh dari komponen utama osilator

(trioda) pada umurnnya relatif rendah, maka

digunakan trafo peningkat tegangan pada sisi

keluaran osilator Trafo ini adalah dari jenis

frekuensi tinggi sehingga konstruksinya lebih

khusus dibanding trafo biasa yang untuk 50 kHz,

antara lain hams menggunakan inti refit untuk

frekuensi sampai dengan 40 kHz clan tanpa inti

untuk frekuensi

yang lebih tinggi.

PENDAHULUAN

D alam program rancang bangun mesin berkas elektron (MBE) oleh PPNY -BA TAN yang diawali dengan kapasitas 300 key/tO mA, ditetapkan sebagai sumber tegangan pemercepatnya adalah generator Cockroft-Walton (GCW). Generator ini terdiri dari dua bagian utama yaitu osilator clara clan pelipat tegangan. Keluaran osllator baik clara maupun tegangannya harus cukup besar agar mampu mengatasi kapasitas keluaran generator clan rugi-rugi pada pelipat tegangan serta rugi-rugi liar berupa arus bocor clan korona. Frekuensi keluarannya juga dituntut cukup tinggi yaitu dalam

xPo

W

c =

gc

(2)

dengan Cgc adalah nilai kapasitan daTi kapasitor grid-katoda (pF), x. angka pendekatan antara 12 sid 15, Po daya keluaran nominal osilator (kW), daD f= frekwensi nominal osilator (Mhz). Untuk keluaran osilator 10 kW!40 kHz, kapasitor grid-katoda (C4) ini adalah 400 pF.

Menurut spesifikasi data teknik tabung trioda ITK 15-2 ini memiliki kapasitas maksimum untuk daya, tegangan clan arus anoda masing-masing 63 kW, 12 kV clan 7 A, namun agar diperoleh keandalan yang tinggi diambil faktor keamanan operasi sebesar 75 % sehingga tabung trioda hanya akan dioperasikan dengan daya keluaran maksimum sebesar 45 kW. Untuk bekerjanya memerlukan catu daya filamen 7,2 VII 80 A, pendingin anoda menggunakan sirkulasi air demineral dengan resistivitas tinggi lebih daTi 50 kO./cm clan untuk 'iilamen! head' menggunakan hembu.san udara 0,5 m3/menit.

Berbagai tire osilator clan bentuk gelombang dapat digunakan sebagai sumber pemberi masukan pada pelipat tegangan generator Cockroft-Walton. Osilator dengan clara besar umumnya dibuat dengan menggunakan jenis tabung elektron sebagai komponen utamanya dari pada menggunakan jenis komponen padat ("solid state;. Ada beberapa keunggulan dari penggunaanjenis ta.bung elektron antara lain mampu bekerja dengan catu tegangan clan arus yang relatif lebih tinggi, tahan terhadap arus beban lebih clan tegangan lebih yang berlangsung singkat.

Untai osilator clara yang telah dibuat untuk GCW ini adalah dalam sistem satu tingkat menggunakan komponen utama trioda ITK 15-2 dalam konfigurasi "tickler oscillator" seperti terlihat

dalam gambar 1. Sinyal umpan balik positif ke grid diperoleh dari kumparan perangsang ("tickler coil; pada trafo keluaran T I,' Trafo keluaran T I, adalah dari jenis frekuensi tinggi berinti ferit, memiliki 3 buah kurnparan L1,. L2 dan L3. Kumparan L1, sebagai primer dialiri arus anoda, L2 sebagai kumparan

perangsang ("tickler coil'; memberi sinyal umpan balik positif ke grid, dan L3 sebagai kumparan sekunder menghasilkan tegangan tinggi keluaran untuk diberikan ke pelipat tegangan. Kumparan LI, paralel kapasitor C, merupakan rangkaian tangki atau rangkaian resonansi dimana frekuensi resonansinya akan menentukan besarnya fiekuensi yang dihasilkan osilator menurut persamaan berikut:

Dapat dikatakan bahwa GCW adalah suatu

perangkat pengubah daya DC

tegangan rendah

menjadi daya DC bertegangan tinggi melalui

beberapa bagian sistem. Proses konversinya

berturut

-turnt dh llulai dari osilator daya, trafo RF

peningkat

tegangan

clan pelipat tegangan.

Mengingat

rugi-rugi daya yang terjadi dalam fungsi kerja tiap

bagian tersebut, maka masing-masing akan terikat

dengan suatu faktor daya guna atau efisiensi.

Efisiensi masing-masing bagian sistem tersebut

telah

menjadi bahan pertimbangan dalam

perencanaan

konstrUksi osilator daya sebelurnnya.

Secara pendekatan dalam perencanaan telah

diperkirakan besarnya efisiensi dari masing-masing

bagian sistem tersebut yaitu: untuk osilator daya

sebesar: 70 %, trafo RF: 70 % clan disisi pelipat

tegangan: 95 %, sehingga efisiensi seluruhnya

sekitar 47 %.

159

.JLC

f=

(1)

dengan f adalah frekuensi resonansi (kHz), L nilai induktansi (IJ.H), clan C nilai kapasitansi (IJ. F)

Dengan mengatur jumlah clan arah lilitan kumparan L2 besamya tegangan clan polaritas yang sesuai dapat diperoleh sebagai umpan balik positif. Tahanan grid RI' bersama dengan kapasitor C3 memiliki tetapan waktu yang jauh lebih besar dibanding periode osilasi, berfungsi memberikan tegangan bias ke grid. Kombinasi C3 d~ngan penyearah grid-katoda beraksi sebagai rangkaian pemegang ("clamp") sehingga menghasilkan tegangan DC negatif sebagai mana dibutuhkan untuk bias grid-katoda. Kumparan RFC dipasang untuk mencegah sinyal RF mengalir ke

"ground'lewat tahanan RI. Kapasitor keraniik C4 dipasang antara grid clan filamen/katoda berfungsi untuk mengurangi osilasi paras it, nilai kapasitannya diperkirakan dengan persamaan berikut;

Dalam hal ini dilaporkan ten

tang pengaruh

beban terhadap

kinerja osilator daya sebagai

bagian

penyangga daTi GCW 300 kV/20 mA yang akan

digunakan sebagai sumber tegangan pemercepat

pada MBE 300 kV/IO mA.

masukan dilakukan dengan cara mengatur catu clara anoda melalui suatu variak, sedangkan clara keluaran dengan cara mengatur rangkaian tahanan beban. Parameter masukan meliputi clara, tegangan clan arus catu clara osilator, diperoleh daTi pengukuran arus clan tegangan anoda, sedangkan clara keluaran diperoleh dari pengukuran tegangan clan arus tahanan beban.. Frekuensi keluaran dapat langsung diukur, sedang kan untuk memperoleh pengamatan amplitudo tegangan keluaran (E) dilakukan pengukuran terhadap tegangan tingkat pertama (V U pada struktur pelipat tegangan, clan harga E didekati daTi hubungan E = V 1/2, karena pengukuran secara langsung sulit dilakukan. Dari data-data basil percobaan akan dapat disajikan beberapa beberapa hubungan antar parameter untuk memperoleh gambaran watak kinerja osilator clara. Sementara untuk memperoleh hubungan parameter osilator clara terhadap waktu operasi belum dapat dilakukan, karena perlengkapan sistem pendingin yang belum memadai. Pendinginan tersebut antara lain- untuk sumber clara anoda clan trafo RF serta pendingin rangkaian tahanan beban

II'C

11

CI

C2

C3

VI TI Va 10

SDF

C4

C5

C6

RI D. Yo 10

SDA

10 nF/30kV 5 nF/I0 kV 0,1 ~F/15 kV trioda ITK 15-2 trafo keluaran meter tegangan anoda meter ares anoda

sumber daya filamen 7,2 V /240 A 400 pF/5 kV

0,01j.lF/5 kV 10 nF/15 kV 1,5 kO./l kW penyearah 3 Al50 kV meter tegangan beban meter ares beban sumber daya anoda

HASIL DAN PEMBAHASAN

Dalam pengujian ini telah dilakukan pengamatan

terhadap parameter-parameter

masukan kaitannya

dengan parameter

keluaran pada, berbagai kondisi.

Dari data-data basil pengamatan dapat disajikan

beberapa

watak hubungan

antara parameter

masukan

terhadap parameter

keluaran dalam bentuk grafik.

Hubungan antara variasi clara masukan terhadap

daya keluaran clan efisiensi konversi clara disajikan

dalam gambar 3, hubungan antara variasi clara

masukan terhadap tegangan keluaran pada kondisi

tanpa beban clan berbeban disajikan dalam gambar

4, sedangkan

didalam gambar 5 disajikan hubungan

antara clara masukan dengan tegangan clan arus

anoda. Dari pengamatan

frekuensi

keluaran terhadap

variasi clara masukan diperoleh data dengan

fluktusai frekuensi antara 24,14 -23,8 kHz pada

variasi clara 0,1 -14,3 kW. Dari basil pengujian

variasi clara masukan terhadap clara keluaran yang

disajikan dalam gambar 3 menunjukkan clara

keluaran

yang telah dapat dicapai adalah 6,75 kW

Gambar I Rangkaian osilator clara untuk generator Cockcroft-Walton 300 kV/20 mA.

TATA KERJA DAN PERCOBAAN

Untuk mengetahui pengaruh beban terhadap kinerja osilator daya sebagai bagian penyangga dalam struktur generator Cockcroft-Walton (GCW) yang akan digunakan sebagai sumber tegangan

pemercepat pada mesin berkas elektron (MBE) dilakukan penyatuan dengan pelipat tegangan (PT) dan pengujian dengan pembebanan simulasi. Rangkaian pengujian dengan pembebanan simulasi ditunjukkan pada gambar 2. Pengujian clengan pembebanan simulasi ini menggunakan rangkaian tahanan beban yang terbuat daTi susunan seri-paralel sejumlah 25920 buah tahanan karbon 10 kOJO,5 W sehingga bemilai 12,96 kW/16,2MO, dipasang melintas pada terminal keluaran GCW.

Untuk mengetahui kinerja osilator daya ini dilakukan pengamatan atas parameter-parameter masukan kaitannya dengan parameter keluaran pada

Proseding Pertemuan dan Presentasi l/miah Buku / P3TM-BATAN, Yogyakarta 14-15 Juti /999

274

ditampilkan dalam gambar 4, terlihat adanya

kesebandingan

yang hampir linier pada kedua

10, J.-- ' -.., SO 140

i

8

d,

6

d

I

-

! rII

130 ~

.n

§,

20 '"'

~

10

I

:B

!

+Ppvs.Pil-I-Efvs. Pi I ;

O~I 1-;.10

0 .2.5

S

7.'

10 12.5 ~

IS

DaY'masukan (kW)

Gambar

3. Hubungan

daya masukan

vs daya

keluaran

Gambar 4. Daya masukan vs tegangan keluaran pada kondisi tanpa beban daD berbeban

3

2.5

~ ~

j ;

t :

...

t

,2

i

J

'>

_Ow' I.S

z

Gambar 2: Diagram rangkaian pengujian osilator clara dirangkai dengan pelipat tegangan clan tahanan beban.

pada clara masukan 14,3 kW atau dengan efisiensi konversi clara sebesar 47,2 %. Daya masukan tersebut selain untuk menyangga clara keluaran atau clara beban adalah untuk mengatasi rugi-rugi clara yang terjadi dalam proses kerjanya komponen-komponen sistem. Rugi-rugi clara tersebut antara lain pada komponen utama osilator clara berupa disipasi anoda, pada trafo RF dalam bentuk rugi-rugi inti'dan kawat/tembaga, pada pelipat tegangan dan rugi-rugi liar berupa arus bocor dan korona. Secara pendekatan rincian rugi-rugi daya tersebut telah diperkirakan dalam perencanaan konnstruksi osilator clara berdasarkan efisiensi masing-masing bagian yaitu untuk osilator daya sebesar 70 %, trafo RF 70 % dan disisi pelipat tegangan 95 %, sehingga efisiensi secra keseluruhan sekitar 46,6 %. Pada kenyataannya harga efisiensi tersebut mendekati perkiraan dalam perencanaan dengan selisih 0,6 % lebih besar, hal ini menunjukkan bahwa kondisi kerja masing-masing bagian sistem dalam batas-batas yang wajar. Pada kondisi daya rendah kurva

efisiensi cenderung menurun, hal ini disebabkan karena keluaran osilator masih dominan untuk mengatasi rugi-rugi terutama untuk eksitasi trafo RF.

Pada kondisi maksimum dengan daya keluaran sebesar 6,75 kW tersebut didapatkan tegangan keluaran bebentuk gelomgang sinusoidal dengan amplitudo 14,1 kV clan frekuensi 23,8 kHz. Pada kondisi tersebut parameter masukan yaitu daya, tegangan clan arus anoda masing-masing

menunjukkan 14,3 kW, 5,5 kV dan 2,6 A.

Dari hubungan antara variasi daya masukan terhadap tegangan keluaran osilator seperti

, r:;Pi~=fi

tl--Pi vs.

J& Hr.'

_,

01

'0

0

2.5

,

7.S 10 12.' IS

Daya masubn (kW)

Gambar 5. Hubungan daya masukan vs. Tegangan

anoda dan arus anoda

ISSN 0216-3128

Proseding Pertemuan don Presentasi Ilmiah

P3TM-BATAN. YogyakartaI4-15JuliI999 BukuI

_-.-

275

keluaran 6,75 kW. Hasil pengujian menunjukkan

bahwa kapasitas

keluaran osilator daya telah sesuai

dengan perencanaan

yaitu mampu menyangga

daya

beban generator Cockcroft-Walton sebesar 6 kW

(300 kV/20 IDA) dan frekuensi osilator hampir tidak

terpengaruh

oleh perubahan

beban.

UCAP AN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkall terima kasih kepada

Heri Sudarmanto, Untung Margono, Sumaryadi,

Suhartono, Dwi Mulyanto atas bantuannya dalam

pelaksanaan

penelitian

ini.

kondisi baik tanpa beban rnaupun berbeban, serta

perbedaan kebutuhan daya yang besar diantara

kedua kondisi tersebut. Kelinieran kurva rnenunjukkan bahwa kondisi kerja fungsi daTi kornponen-kornponen sistern belum rnengalami kejenuhan. Untuk rnernbangkitkantegangan keluaran yang sarna sebes~r 14, I kV, pada kondisi tanpa beban hanya dlbutuhkan daya rnasukan yang kecil, hat ini karena daya rnasukan hanya diperlukan untuk rnengcksitasi kondisi kerja kornponen-kornponen sistern terutarna rugi-rugi inti trafo RF, sedangkan pada kondisi berbeban diperlukan daya jauh lebih besar karena untuk rnengatasi jurnlah daya keluaran dan seluruh rugi-rugi daya yang terjadi, terutarna rugi-rugi disipasi anoda daTi tabung trioda clan disipasi kurnparanpada trafo RF.

Berdasarkan perolehan data pengujian untuk hubungan antara frekuensi keluaran dengan variasi

clara yang rnenunjukkan harga frekuensi yang

harnpir tetap yaitu 24,04 -23.76 kHz pada variasi daya rnasukan antara 0,1 -14,3 kW atau daya beban 0,03 -6,75 kW. Hal ini karena frekuensi keluaran osilator lebih ditentukan oleh nilai induktansi (L) dan kapasitansi (C) daTi rangkaian resonansi (t., C.) sesuai dengan persarnaan (I) dari pada oleh pengaruh yang lain seperti variasi catu daya, beban dan suhu.

Hubungan variasi daya terhadap tegangan clan arus anoda yang disajikan dalarn gambar 5 rnenampilkan kurva hubungan yang hampir .tinier. DiI(aitkan dengan watak dalam garnbar 3 dimana k~luaran osilator sebanding dengan daya rnasukan, rnaka untuk pengaturan keluaran osilator yang berarti juga keluaran GCW dapat diatur rnelalui pengaturan tegangan anoda. Pada kondisi rnaksimum dengan daya 14,3 kW, rnenunjukkan tegangan dan arus anoda rnasing-rnasing sebesar 5,5 kV dan 2,6 A. Berdasarkan kapasitas rnaksirnurn daTi spesiflkasi data teknis tabung trioda ITK 15-2 yaitu tegangan dan arus anoda rnasing-rnasing dapat dicatu hingga

12kV dan 7 A, rnaka dengan kondisi kerja tersebut rnasih dalarn batas-batas yang aman dan rnasih dapat ditingkatkan untuk pengernbangan lebih lanjut.

DAFT AR ACUAN

I. SULRZI3ERG, OSTERHELD, Esential of

Comunication

Electronics,

Mc. Graw. -IiI I, Ltd,

1973.

2. Thomson

Tube Electroniques,

ITK 15-2 63 kW

Industrial Triode, France,

1994.

3. GRAGGS, J, and MEEK, JM, High Voltage

Laboratory Technique, Butterworth, Ltd,

London, 1953.

4. DJASIMAN, dkk, Konstruksi Osilator Daya

Untuk Generator Cockcroft-Walton 300 kV/20

mA, Laporan Teknik PPNY-BATAN, 1998.

5. SUPRAPTO,

dkk, Konstruksi dan Karakterisasi

Pelipat Tegangan

Generator

Cockcroft -Walton

300 kV/20 mA Untuk Tegangan Pemercepat

Mesin Berkas Elektron 300 keV/IO mA,

Pertemuan

llmiah HFI, 8 -10 Desember

1998.

TANYAJAWAB

Rakis Ismanto

.Bagaimana cara melakukan pengukuran tegangan outputnya daD dengan alat apa.

Djasiman

*

Caranya dilakaukan dengan pengukuran

langsung menggunakan alaI

pengukur

tegangan tinggi yang dikenakan langsung ke

elektroda tegangan tinggi. Alat pengukur

tegangan

tinggi tersebut terdiri dari meter arus

50 ,uA don tahanan seri 10.000 Mfl yang

dihubungkan secara seri sehingga memiliki

jangkau ukur 500 kJ":

KESIMPULAN

Hasil pengujian pada kondisi maksimum dapat dicapai daya keluaran 6,75 kW (300 kV/22,5 mA), amplituda tegangan osilasi 14,1 kV daD frekuensi 23,8 kHz, pada kondisi masukan terdiri dari daya, tegangan daD arus anoda masing-masing sebesar 14,3 kW, 5,5 kV daD 2,6 A. Fluktuasi frekuensi terhadap variasi daya keluaran antara 0,03 -6,75 kW adalah 24,04 -23,76 kHz. Pada variasi daya keluaran tersebut didapatkan tegangan daD arus anoda serta tegangan keluaran masing-masing adalah 0,5 -5,5 kV dan 0,2 -2,6 A serta 1,2 -14,1 kV. Efisiensi maksimum didapatkan 47,2 % pada daya

Subari Santoso

*

Mohon dijelaskan lebih terinci frekuensi

osilator hampir tetap tidak terpengaruh oleh

perubahan daya pada generator

Cockroft-Walton.

Djasiman

*

Frekuensi osilator pada dasarnya ditentukan

oleh nilai induktan don kapasitan dari

rangkaian resonansi (LI don CI dari gambar

I)

menurut persamaan I,

perubahan

dayaibeban dapat mempengaruhi frekuensi

melalui rum us;

dimana

Qejf

adalah

faktor tangki nilairesonansi

Rt tahanan untai resonansi

RL tahanan beban

Makin besar nilai Qeff makin tinggi kestabilan

frekuensinya. Jadi hampir tetapnya frekuensi

karena pengaruh dominan ditentukan menurut

persamaan I tersebut.

*