ANALISA HASIL UJI RANGKAIAN PENGENDALI SCR UNTUK CATU DAYA NITRIDASI PLASMA DOUBLE CHAMBER

(1)

140 Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 13, Januari 2012 : 140 - 148

ANALISA HASIL UJI RANGKAIAN PENGENDALI SCR

UNTUK CATU DAYA NITRIDASI PLASMA DOUBLE

CHAMBER

Saefurrochman dan Suprapto

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan-BATAN, Yogyakarta Jln. Babarsari Kotak Pos 6101 ykbb Yogyakarta 55281

Email : [email protected], [email protected]

ABSTRAK

ANALISA HASIL UJI RANGKAIAN PENGENDALI SCR UNTUK CATU DAYA NITRIDASI PLASMA DOUBLE CHAMBER. Analisa hasil uji rangkaian pengendali SCR untuk catu daya nitridasi plasma double chamber telah dilakukan. Analisa hasil uji dilakukan untuk mengetahui dan memvalidasi kinerja rangkaian pengendali SCR. Metode pengujian merupakan metode pengukuran langsung yang meliputi uji kinerja rangkaian osilator dan SCR. Hasil analisa rangkaian osilator dengan komponen utama UJT 2646 dan trafo OT 240 pada rangkaian pengendali SCR telah berfungsi baik. Hal ini terlihat dengan terbentuknya tegangan Vcc 4 V sebagai indikasi sinyal pulsa untuk mengaktifkan gate pada SCR dan pada saat tegangan Vcc 12 V (maksimum) sinyal pulsa mendekati penuh. Sinyal pulsa ini selanjutnya digunakan untuk mengaktifkan gate SCR sehingga tegangan luaran SCR dapat terkendali. Sedangkan untuk SCR yang dipasang pada rangkaian doubler juga telah berfungsi baik. Dengan indikasi timbulnya tegangan pada sisi luaran rangkaian doubler hampir dua kali daripada tegangan masukannya. Penambahan waktu uji (operasi) dan penambahan arus beban sebanding dengan suhu SCR.

Kata kunci: rangkaian pengendali SCR, nitridasi plasma double chamber

ABSTRACT

ANALYSIS OF SCR CONTROL CIRCUIT TESTING FOR POWER SUPPLY DOUBLE CHAMBER PLASMA NITRIDING. Analysis of scr control circuit testing for power supply double chamber plasma nitriding has been performed. Analysis of testing was carried out to find out and validate the performance of the SCR control circuit. The testing method is direct measurement consist of oscillator circuit and SCR performance test. The analysis of oscillator circuit with main component of OT UJT 2646 and OT 240 transformer on the SCR control circuit was functioning properly. This can be seen with the formation of the 4 V voltage Vcc as an indication pulse signal to activate the gate on the SCR and at 12 V Vcc voltage (max) pulse signal is almost full. This pulse signal will be used to activate the SCR gate so that the SCR ouput voltage can be controlled. For SCR that installed on the doubler circuit, they are functioning properly too. The indication is the voltage on the output side of the doubler circuit is almost twices as the input side. The addition of test time (operation time) and the addition of the load current is proportional to the temperature of SCR. Keywords: SCR control circuit, double chamber plasma nitriding.

PENDAHULUAN

ada proses perlakuan permukaan (surface

treatment) baik komponen mesin maupun

alat-alat permesinan (tools steel) dengan teknologi nitridasi plasma selalu menggunakan catu daya. Catu daya ini digunakan untuk membangkitkan plasma yaitu mengionisasi atom-atom nitrogen menjadi pasangan ion dan elektron. Kemudian ion-ion nitrogen dideposisikan ke permukaan logam dan selanjutnya berdifusi. Ada 2 (dua) jenis catu daya yang dapat digunakan yaitu catu daya DC tegangan tinggi dan catu daya AC (radio frekuensi/RF). Pada perangkat nitridasi ini dipilih catu daya DC dengan

pertimbangan lebih sederhana dan dapat menghasilkan daya yang lebih besar sehingga untuk mencapai suhu saat proses nitridasi tidak memerlukan pemanas. Rancangbangun catu daya DC ini didasarkan perhitungan awal tegangan

breakdown dan arus untuk perangkat nitridasi

plasma double chamber[1], sehingga ditentukan catu daya dengan tegangan 2 kV dan daya 20 kW. Berdasarkan desain detil tersebut maka arus catu daya adalah 10 A dan parameter catu daya yang direncanakan disajikan pada Tabel 1[2]_.

(2)

Tabel 1. Parameter catu daya perangkat nitridasi

plasma double chamber.

Parameter Catu Daya Keterangan

Tegangan 0-2000 V

Arus 0-10 A

Efisiensi 0.8

Ripel ≤ 5%

Untuk mewujudkan sistem catu daya tersebut, maka diperlukan skema catu daya seperti yang disajikan pada Gambar 1. Pada skema terlihat bahwa catu daya berbasis transformator 3 phase dengan pelipat tegangan berupa rangkaian doubler. Transformator tersebut terdiri dari 3 buah transformator 1 phase yang dihubung bintang di sisi primernya, sedangkan rangkaian doubler menggunakan SCR yang berfungsi sebagai penyearah dan pengatur tegangan serta kapasitor sebagai penapis (filter). Keluaran catu daya ini merupakan arus searah (DC) dan besar tegangan dapat diatur dengan mengatur arus gate dari SCR. Rangkaian pengendali SCR berupa rangkaian osilator yang memberikan sinyal trigger pada kaki

gate SCR dan sinyal tersebut akan mengaktifkan

SCR sampai kondisi yang ditentukan. Pada catu daya ini menggunakan 2 (dua) buah SCR untuk tiap-tiap phase yang nantinya akan dipicu oleh osilator agar menghasilkan keluaran phase positif dan phase negatif. SCR yang digunakan adalah tipe CR81 U02JY yang mampu mengatur arus sampai 50 A.

DASAR TEORI

Rangkaian doubler[3]

Rangkaian doubler merupakan rangkaian penyearah setengah gelombang yang dapat menaikkan tegangan sebesar dua kali dari masukannya. Namun arus yang dihasilkan berubah menjadi setengah dari masukannya. Rangkaian

doubler disajikan pada Gambar 2.

Rangkaian doubler perangkat nitridasi plasma double chamber terdiri dari enam buah segmen, dengan dua buah segmen mewakili satu phase. Masing-masing segmen terdiri dari kapasitor dan SCR. SCR digunakan untuk menggantikan dioda (sebagai penyearah) dan sekaligus untuk mengatur tegangan luaran yang diatur dengan memvariasi masukan gate SCR.

(3)

142 Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 13, Januari 2012 : 140 - 148 Gambar 2. Rangkaian doubler.

SCR (Silicon Controlled Rectifier)[4]

SCR merupakan komponen penyearah yang dapat diatur keluarannya. Simbol dari SCR disajikan pada Gambar 3.

Gambar 3. Simbol SCR.

Prinsip kerja SCR yaitu dengan arus gate Ig yang

semakin besar, maka tegangan breakover-nya (Vbo)

menjadi turun. Tegangan ini adalah tegangan minimum yang diperlukan SCR untuk menjadi ON. Agar SCR tetap ON maka arus forward dari anoda menuju katoda harus berada di atas arus holding-nya. Sekali SCR mencapai keadaan ON, maka selamanya akan ON. Untuk membuat SCR menjadi

OFF adalah dengan membuat arus anoda-katoda

turun dibawah arus Ih (holding current).

Kapasitor[5]

Untuk menghitung kebutuhan kapasitor pada rangkaian doubler, dibutuhkan persamaan (1) sampai dengan persamaan (8)

6 s seg V V = (1) s seg

I

=

(2) s s I V R= (3) 3 2 1 × × × = R f r C (4) C Cseg=6× (5) c seg s V V nC 2 1 = (6) s c s nC C x C 2 1 = (7) s seg p C C nC = (8)

dengan Vs adalah tegangan sekunder (V), Is arus sekunder (A), Vseg tegangan tiap segmen (V), Iseg

arus tiap segmen (A), R tahanan beban (Ω), C kapasitansi kapasitor (F), f frekuensi jala-jala (Hz), r faktor ripel, Cseg kapasitansi tiap segmen (F), Vc

tegangan kapasitor yang digunakan (V), Cc

kapasitansi kapasitor yang digunakan (F), nCs

jumlah seri kapasitor, Cs kapasitansi kapasitor seri

(F) dan nCp jumlah paralel kapasitor.

Rangkaian osilator[6]

Osilator merupakan suatu rangkaian yang berfungsi untuk menghasilkan pembangkit gelombang pulsa. Pada catu daya nitridasi plasma rangkaian osilator digunakan untuk memberikan

trigger pada gate SCR, dengan memberikan sinyal trigger pada SCR maka tegangan dapat diatur sesuai

dengan kebutuhan. Rangkaian osilator yang digunakan pada catu daya ini disajikan pada Gambar 4.

TATA KERJA

Desain dan konstruksi rangkaian doubler

Desain rangkaian doubler mengacu pada skema catu daya perangkat nitridasi plasma double

chamber. Berdasarkan skema tersebut, terdapat tiga

buah rangkaian doubler. Tiap rangkaian doubler terdiri dari dua segmen, dengan masing-masing segmen diwakili oleh satu buah SCR dan satu unit kapasitor. Perhitungan jumlah kapasitor didasarkan oleh persamaan (1) sampai (8). Langkah selanjutnya adalah mengkonstruksi rangkaian doubler untuk masing-masing phase. SCR dan kapasitor dirakit dalam satu papan yang terbuat dari pertineks, dengan kaki komponen dihubungkan menggunakan kawat tembaga. Untuk menjaga agar tegangan masing-masing kapasitor sama besar, maka dipasang resistor secara paralel sebagai pembagi tegangan.

(4)

Gambar 4. Skema rangkaian osilator.

Gambar 5. Skema uji kinerja rangkaian osilator. Desain dan konstruksi rangkaian osilator

Rangkaian osilator ini terdiri dari tiga bagian meliputi sumber tegangan, rangkaian relaksasi UJT dan trafo isolasi. Pembangkit gelombang dengan osilator membutuhkan sumber tegangan DC untuk membentuk gelombang pulsa. Rangkaian pembangkit gelombang ini merupakan rangkaian relaksasi UJT yang terdiri dari komponen pasif seperti resistor, kapasitor, potensio, trimpot dan komponen aktif yaitu UJT 2N2646. Sinyal luaran dari rangkaian ini adalah segitiga. Sinyal luaran ini sebagai masukan trafo isolasi dan luaran trafo isolasi sebagai trigger gate SCR. Trafo isolasi ini dibuat dengan trafo OT 240 yang dimodifikasi agar mampu menahan tegangan sebesar 3 kV untuk mengisolasi rangkaian osilator terhadap tegangan luaran catu daya yang besarnya 2 kV. Dengan modifikasi isolasi trafo OT 240 yang mampu menahan tegangan 3 kV agar lebih aman jika dioperasikan pada tegangan luaran catu daya sebesar 2 kV.

Uji kinerja rangkaian osilator

Uji kinerja rangkaian osilator dilakukan dengan mengamati perubahan phase tegangan luaran trafo isolasi. Pengamatan dilakukan dengan osiloskop, dengan cara membuat variasi tegangan masukan akan didapatkan perubahan pada tegangan luaran. Tabel 2 menunjukan bahan dan alat-alat pendukung untuk membantu proses uji kinerja rangkaian osilator yang dibuat dengan komponen utama UJT 2646 dan trafo OT 240.

Tabel 2. Bahan dan alat-alat pendukung uji kinerja

rangkaian osilator Bahan Jumla h Alat Jumla h Kabel Trafo 1 A 1 Rangkaian osilator 1 Trafo 2 A 1 Potensio 50 kΩ 1 Osiloskop 1 Multimeter analog 1

(5)

Untuk memudahkan pengujian ini, maka dibuat skema uji kinerja rangkaian osilator yang disajikan pada Gambar 5.

Uji kinerja SCR

Uji kinerja SCR dilakukan untuk mengetahui kemampuan rangkaian SCR bila digunakan dalam waktu yang cukup lama. Hal itu dilakukan dengan mengamati perubahan suhu terhadap penambahan waktu operasi dan kenaikan arus beban. Uji ini dilakukan sebanyak enam kali setiap jeda waktu 30 menit dengan mengukur daya luaran SCR yang dibebani 12 (dua belas) lampu bolam yang disusun secara paralel seperti yang disajikan pada Gambar 5. Pengujian juga dilakukan dalam dua tahap yaitu tahap pertama pengujian menggunakan arus 5A dan tahap kedua dengan arus 6 A pada tegangan masukan dan luaran yang sama yaitu 60 V dan 100 V. Arus beban diatur dengan memutar potensio. Bahan dan alat-alat pendukung untuk membantu proses uji kinerja SCR disajikan pada Tabel 3 dan skema uji kinerjanya disajikan pada Gambar 6.

Tabel 3. Bahan dan alat-alat pendukung uji kinerja

SCR.

Bahan Jumlah Alat Jumlah

Kabel Trafo 1 A 1 Rangkaian osilator 1 Trafo 5 A 1 Potensio 50 kΩ 1 Pengukur suhu digital 1 Rangkaian kapasitor 2 Multimeter analog 1 Lampu bolam 12 Rangkaian SCR 1

HASIL DAN PEMBAHAS AN

Hasil konstruksi rangkaian doubler

Tipe kapasitor yang digunakan dalam pembuatan rangkaian doubler ini adalah kapasitor elektrolit dengan nilai 80 V/10000 µF. Berdasarkan nilai dari kapasitor tersebut dan persamaan (1) sampai (8), diperoleh spesifikasi teknis kapasitor untuk rangkaian doubler yang disajikan pada Tabel 4. Untuk mendinginkan SCR akibat daya terdisipasi yang terjadi dipasang heatsink seperti disajikan pada Gambar 7.

Gambar 6. Skema uji kinerja SCR.

Tabel 4. Spesifikasi teknis kapasitor untuk rangkaian doubler.

No. Parameter Lambang/Notasi Nilai/Jumlah

1. Tegangan tiap segmen Vseg 350 V

2. Arus tiap segmen Iseg 10 A

3. Jumlah seri kapasitor nCs 9

4. Jumlah paralel kapasitor nCp 7

5. Jumlah kapasitor tiap segmen nC 63

(6)

Gambar 7. Konstruksi rangkaian doubler. Hasil uji rangkaian osilator

Rangkaian osilator UJT 2646 tidak diberi

catu daya tegangan DC sebagai Vcc melainkan

dengan catu daya pulsa hasil penyearahan gelombang penuh dari trafo dengan dioda tanpa filter kapasitor, bentuk pulsa catu daya ini disajikan pada Gambar 8.

Gambar 8. Bentuk pulsa catu daya osilator UJT

2646.

Pengujian rangkaian osilator dimulai dengan pengujian siklus setengah positif yang hasilnya disajikan pada Tabel 5.

Dari hasil tersebut makin tinggi tegangan masukan makin besar tegangan luaran. Sinyal pulsa pertama sebesar 1 V dibangkitkan pada tegangan Vcc

sebesar 4 V. Sinyal pertama inilah yang mulai digunakan untuk mengaktifkan gate SCR sehingga ada luaran tegangan dari SCR. Makin besar tegangan Vcc yang diberikan pada rangkaian osilator

UJT maka makin banyak pulsa yang terbentuk. Pada tegangan Vcc 10 V jumlah pulsa bertambah banyak

dan makin cepat. Hal ini berarti pada kondisi

tegangan Vcc makin besar kapasitor (C2) pada

rangkaian osilator UJT (Gambar 4) mulai cepat melakukan pengisian dan pengosongan sehingga pulsa yang terbentuk makin banyak. Disamping itu,

tegangan (tinggi) pulsa makin naik dan akan mencapai kejenuhan dan turun kembali. Hal ini disebabkan catu daya osilator UJT adalah bentuk pulsa hasil penyearahan gelombang penuh dari trafo dengan dioda tanpa filter kapasitor. Pada kondisi tegangan Vcc 12 V, tegangan pulsa mulai menurun

dan pola ini sesuai pola tegangan catu daya osilator.

Hasil uji kinerja SCR

Hasil uji kinerja SCR dengan beban lampu disajikan pada Tabel 6 dan 7.

Pada pengujian ini Vin merupakan tegangan luaran

transformator yang bertindak sebagai masukan SCR, sedangkan Vout tegangan luaran rangkaian doubler.

Dari tabel 6 dan 7 tersaji bahwa SCR bersama dengan kapasitor sebagai pelipat tegangan (doubler) telah berfungsi dengan baik. SCR bekerja (on) setelah mendapat tegangan trigger dari osilator, sehingga arus mengalir dari anoda ke katoda dan membawa muatan untuk disimpan pada kapasitor. Hal ini menyebabkan tegangan luaran pada pelipat menghasilkan tegangan hampir dua kali lipat dibandingkan dengan tegangan masukan. Dengan tegangan masukan sebesar 60 V menghasilkan tegangan luaran sebesar 100 V.

Penambahan arus beban (diindikasikan nyala lampu yang semakin terang) menyebabkan tahanan pada filamen semakin besar. Berdasarkan hukum ohm, kenaikan arus dan tahanan mengakibatkan tegangan pada luaran rangkaian

doubler meningkat. Namun berdasarkan

pengukuran, tegangan luaran rangkaian doubler tetap 100 V. Hal ini terjadi karena kekurangtelitian dalam pembacaan alat ukur, karena alat ukur yang digunakan adalah alat ukur analog. Range perubahan tegangan di bawah 1 V, tidak bisa diamati dengan jelas. Selain itu penambahan arus menyebabkan kenaikan daya pada SCR. Daya tersebut menyebabkan disipasi panas pada SCR.

Dari hasil pengujian tahap pertama terlihat bahwa penambahan waktu uji mempengaruhi perubahan suhu pada SCR. Pengujian selama 2,5 jam menaikkan suhu SCR dari 30,2 ⁰C hingga 43 ⁰C. Kenaikan suhu terhadap waktu memenuhi

persamaan y = 0,062 x + 35,54 dengan R2

= 0,507.

Begitu juga pada pengujian tahap kedua, suhu pada SCR juga naik seiring dengan penambahan waktu uji. Suhu SCR meningkat dari 30,8 ⁰C hingga 45,2 ⁰C dan memenuhi persamaan y = 0,076 x + 36,53 dengan R2

= 0,563. Suhu pada SCR akan terus

(7)

146 Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 13, Januari 2012 : 140 - 148 Tabel 5. Hasil pengujian siklus setengah positif osilator

Tegangan Vcc

Tegangan

luaran Sinyal pulsa

Grafik sinyal luaran 0 V 0 0 1 V 0 0 2 V 0 0 3 V 0.6 v 0 4 V 1.4 v 1 5 V 2 v 1 6 V 2 v 2 7 V 3 v 2 8 V 4 v 2 9 V 4 v 2 10 V 4 v 3 11 V 6 v 5 12 V 8 v 7

(8)

Tabel 6. Hasil uji kinerja SCR terhadap waktu

tahap 1 (arus 5 A).

Vin

(V) V(V) out (A) I (menit) Waktu

T (⁰C) Intensitas lampu 60 100 5 0 30.2 Redup 60 100 5 30 41.8 Redup 60 100 5 60 41.8 Redup 60 100 5 90 42.5 Redup 60 100 5 120 42.2 Redup 60 100 5 150 43 Redup

Tabel 7. Hasil uji kinerja SCR terhadap waktu

tahap 2 (arus 6 A).

Vin (V) Vout (V) I (A) Waktu (menit) T (⁰C) Intensitas lampu 60 100 6 0 30.8 Terang 60 100 6 30 42.6 Terang 60 100 6 60 44.5 Terang 60 100 6 90 45.5 Terang 60 100 6 120 45 Terang 60 100 6 150 45.2 Terang

Pada pengujian tahap kedua menggunakan arus 6 A, suhu SCR relatif lebih tinggi dibandingkan percobaan tahap pertama. Karena arus beban makin besar, maka arus yang dilewatkan melalui SCR makin besar dan menyebabkan daya terdisipasi pada SCR makin besar sehingga menyebabkan kenaikkan suhu. Kenaikkan arus ini juga dapat dilihat nyala lampu (lampu sebagai beban) makin terang seperti yang disajikan pada Gambar 9.

KESIMPULAN

Dari analisa hasil uji simulasi rangkaian pengendali SCR untuk catu daya nitridasi plasma

double chamber dapat disimpulkan bahwa:

1. Rangkaian osilator dengan komponen utama UJT 2646 dan trafo OT 240 pada rangkaian pengendali SCR telah berfungsi baik dengan indikasi sinyal pulsa untuk mengaktifkan gate pada SCR mulai terbentuk pada tegangan Vcc 4

V dan pada saat tegangan Vcc 12 V

(maksimum) sinyal pulsa mendekati penuh. Sinyal pulsa ini telah dapat digunakan untuk mengaktifkan gate SCR sehingga tegangan luaran SCR dapat terkendali.

2. SCR yang dipasang pada rangkaian doubler telah berfungsi baik. Hal ini diindikasikan dengan timbulnya tegangan pada sisi luaran

rangkaian doubler hampir dua kali

dibandingkan dengan tegangan masukan. Penambahan waktu uji (operasi) dan penambahan arus beban sebanding dengan suhu SCR, sehingga dibutuhkan

heatsink/pendingin pada SCR yang mampu

menyerap panas dari SCR dan melepaskannya ke atmosfer.

UCAPAN TERIMA KASIH

Ucapan terima kasih disampaikan kepada Bapak Heri Sudarmanto dan Bapak Untung Margono atas bantuan dan kerjasamanya.

DAFTAR PUSTAKA

1. USADA, WIDDI, DKK., “Dokumen Rancangan Detil Sistem Elektroda”, Rancangan Detil Perangkat Nitridasi Plasma Untuk Perlakuan Dengan Sampel Changer Otomatis, Yogyakarta (2009).

2. SUPRAPTO, IR., “Pengembangan dan Rancangbangun Perangkat Berbasis Plasma”, Presentasi Usulan Kegiatan, Yogyakarta (2009). 3. NAIDU, KAMARAJU, “Engineering High

Voltage 4th Edition”, Tata McGraw Hill, New

Delhi (2009).

4. HAMONANGAN, ASWAN, “Tyristor-SCR, TRIAC dan DIAC”, www.electroniclab.com (2009).

5. SAEFURROCHMAN, DKK., “Perancangan Awal Catu Daya DC 2 kV/10 A Perangkat Nitridasi Plasma Double Chamber Untuk Komponen Mesin”, Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya , Yogyakarta (2009).

(9)

7. JOHNSON, CURTIS D., “Handbook of

Electrical and Electronics Technology”, Prentice

Hall, New Jersey (1996).